桥梁设计中抗震挡块的工作原理及应用

胡玲

【摘 要】文章对桥梁抗震设计中挡块出现病害的原理进行了总结，分析了抗震挡块的工作原理，并对常见的抗震挡块类型的应用进行了分析，从而更好的提高桥梁抗震的质量。

【关键词】桥梁设计；抗震挡块；工作原理

1 抗震挡块的工作原理

在我国，中小跨径连续梁桥大多采用板式橡胶支座，对于这类桥梁，在地震作用下支座会发生较大位移，为了防止横向落梁的发生，通常在墩台和盖梁两端设置抗震挡块。挡块虽然能减小落梁发生的概率，但如果设置不当，其与主梁之间的碰撞不但会造成主梁自身损伤，还会大大增加下部结构的内力。近几年，震灾频发，随着人口密度的增加，震灾给我们带来的不利后果越发严重。体现在桥梁方面，尤其是桥梁在地震中发生落梁、移位、连续桥面损坏的后果非常严重。然而，不同的桥型，不同的桥址综合桥梁自身服役年限等诸多非线性的因素考虑，在同一次地震中不同桥梁受到的影响都不一样。其中一个重要的原因就是挡块出现了病害，导致抗震能力降低。

2 混凝土挡块的设计原则

国内外震害和研究表明，如混凝土挡块设计得非常强，地震作用下桥墩可能受到较大地震力，如混凝土挡块设计得非常弱，又起不到防落梁的效果，因此合理确定混凝土挡块的设计强度是混凝土挡块设计的关键。

借用美国Caltrans 抗震规范的相关要求，建议横向挡块的设计荷载按式（1）取值：

上式中，Fsk为剪力键的设计力；Vpile为桩的横桥向剪切能力；P为桥墩所承受的恒载竖向反力。

3 混凝土挡块的设计强度

对于钢筋混凝土挡块的强度，国内没有相应的规范条文予以说明，国外对于剪力键的不同破坏模式给出了相应强度估算方法和公式，其分析模型主要包括滑动剪切摩擦模型、拉压杆模型、抗弯承载模型。

其中滑动剪切摩擦模型最早被美国的ACI318所采用，用以估算混凝土构件开裂面处所能传递的最大剪切力。后来的许多学者采用这个模型对混凝土构件的剪切强度进行了大量试验和理论研究，并提出了各自的修正模型，其中美国Caltrans 规范采用如下公式来估算钢筋混凝土剪力键的抗剪强度：Vn=u（Avf fy）？燮0.2fcAc

其中，u为摩擦系数，整体浇注的混凝土构件取u=1.4λ，预留粗糙干施工缝的混凝土构件取u=1.0λ，预留光滑干施工缝的混凝土构件取u=0.6λ，系数λ 对于普通混凝土取1.0；Avf和fy分别表示穿过剪切面的钢筋面积和屈服强度； f'c和Ac分别表示混凝土抗压强度和剪切面积。

而Mattock等针对ACI318-71 中的剪切摩擦公式进行了试验研究，认为其计算结果偏于保守，他引入粘聚力项对剪切摩擦模型进行修正。在他的修正模型中，剪切开裂面所传递的剪切力包括两部分：一是裂缝上下两个活动面之间的由于钢筋滑移产生拉力而导致的摩擦； 二是開裂面之间的不平整所引起的摩擦。根据Mattock 的模型，普通混凝土开裂面处传递的剪切力可表示成：

VU=2.8+0.8（？籽vfy+？滓n）

Vn=VuAc

上式中，σn表示外部作用在裂缝处且垂直于裂缝的压应力；ρv表示配筋率，ρv=Avf/Ac，Avf表示穿过剪切面的剪切钢筋的面积和；Ac表示剪切面的面积；fy表示剪切钢筋的屈服强度。由上式可以看到Mattock 所提出的剪切摩擦模型主要包含了两种摩擦力，即所谓的一般摩擦和局部摩擦，而局部摩擦正是他提出来修正的粘聚力项。

4 挡块类型及应用

4.1 橡胶挡块

桥梁抗震橡胶挡块采用天然橡胶，氯丁橡胶加工制作。氯丁橡胶作为一种通用型特种橡胶，除具有一般橡胶的良好物性外，还具有耐候，耐燃，耐油，耐化学腐蚀等优异特性，因此使之在各种合成橡胶中占有特殊的地位。氯丁橡胶的用途，根据氯丁橡胶的性能特点，它主要应用在阻燃制品，耐油制品，耐天候制品，胶粘剂等领域.例如建筑防水片材，建筑密封条，公路填缝材料，桥梁支座垫片，低压电线电缆包皮，各类密封制品，防腐衬里，胶粘剂等。

桥梁抗震橡胶挡块参数：桥梁抗震橡胶挡块比重，1.3.扯断力，8.0Mpa.伸长率，350%.硬度，55°～60°。桥梁抗震橡胶挡块的主要用途：桥梁垫板，桥梁抗震橡胶挡块起缓冲作用，桥梁抗震橡胶挡块尺寸由长宽高组成，根据不同工程的施工要求，宽度一般为1000mm--1200mm，桥梁抗震橡胶挡块的厚度为5mm-500mm，桥梁抗震橡胶挡块由于区域不同，名称各异，主要是桥梁抗震橡胶挡块与桥梁橡胶支座的区分：桥梁抗震橡胶挡块是纯橡胶的一个四方体，桥梁橡胶支座则是由橡胶层与钢板层融合在一起的一个四方体，因此可有效区分。

4.2 钢板挡块

预埋钢板和U字形钢板，两块预埋钢板平行设置，其上端预埋在桥梁上部的梁体底板中，下端伸出梁体底板；U字形钢板的底板浇筑在桥墩或桥台上，U字形钢板的两侧板的上端通过螺栓与预埋钢板连接，U字形钢板的内部浇筑混凝土，U字形钢板外侧包裹有纤维材料。

4.3 钢筋混凝土挡块

为防止落梁震害的发生，防落梁系统广泛应用于桥梁上，它可有效地阻止梁从盖梁或帽梁上脱落，它由梁搁置长度、墩-梁连接装置和梁-梁连接装置等三部分组成。常见的墩-梁防落梁构造是采用钢筋混凝土挡块。钢筋混凝土挡块是指采用钢筋混凝土根据桥梁的实际情况，加工而成有利于提高抗震效果的一种结构。

5 总结

桥梁的抗震安全性对确保震后交通网络的畅通具有重要意义。对于常见的桥梁抗震挡板，应该采取根据实际情况，采取不同的挡板形式，选择不同的尺寸，确保设置的科学和合理，避免各种病害的出现，从而有效提高桥梁结构的抗震能力。

【参考文献】

[1]范立础，王君杰.桥梁抗震设计规范的现状与发展趋势[J].地震工程与工程振动，2011.

[2]张力.桥梁延性与减隔震设计方法应用研究[J].公路工程，2012.

[3]王克海.桥梁抗震研究[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[4]李杰.生命线工程抗震：基础理论与应用[M].北京：科学出版社；2005.

[5]王克海，孙永红，等.汶川地震后对我国结构工程抗震的几点思考[J].公路交通科技，2008，25（11）：54-59.

[责任编辑：田吉捷]endprint