桥梁减震和防止落梁措施研究进展

邢心魁, 林揽日, 覃荷瑛

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院， 桂林 541004； 2.广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心， 桂林 541004; 3.广西岩土力学与工程重点实验室， 桂林 541004)

全球每年因为地震导致众多桥梁破坏，造成巨大的人员伤亡和经济损失。地震作用下，桥梁各构件间会产生较大的位移，导致梁-梁、梁-台之间发生碰撞，如果梁体支座宽度不够，严重时还会引起梁体坠落，如2011年新西兰的克赖斯特彻奇(Christchurch)地震、2008年汶川地震、2006年印度尼西亚日惹(Yogyakarta)地震和1999年中国台湾集集地震均出现了落梁破坏[1-5]。桥梁作为连接各地区的生命线，一旦发生落梁严重破坏，会导致交通瘫痪，不利于震后抢险救灾，同时落梁可能撞击桥墩，对桥梁造成更难以修复的二次破坏，如2008年汶川大地震中，许多桥梁因发生落梁震害使交通受阻，严重影响了抗震救灾工作的进行[6]。

为了减轻地震中桥梁碰撞冲击和防止梁体坠落，安装减震和防止落梁装置是目前最为有效的方法。近半个世纪以来，中外研究人员提出了多种不同减震防落原理的措施和装置，进行了广泛的研究并取得了大量的成果。这些措施和装置在试验和实际应用中都表现出较为良好的性能，然而各自也存在着不足之处，例如钢制限位装置的工作保持在弹性范围内并且耗能作用不明显[7-9]，形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)限位装置性能依赖于温度等[10]，这些不足之处如若没有得到较为完善的解决，将会严重影响地震中装置的正常运作。因此，了解不同减震和防止落梁措施的减震防落原理并梳理有关装置的优点和不足，对未来的桥梁和防落梁措施研究、设计和实际应用具有较强的理论和工程意义。现对桥梁的减震和防落梁措施进行分类并对其研究进展进行归纳总结，为其未来的发展方向提出新的思路。

1 减震耗能装置

桥梁上部结构相邻主梁之间、主梁与墩台之间在地震作用下会发生碰撞，相邻碰撞面之间的混凝土会发生破碎和剥落，如若冲击力集中在桥梁结构的某一个区域，可能导致局部损伤。为了解决由于碰撞造成的桥梁破坏，研究人员提出在相邻接触面之间填充弹性材料或者耗能材料作为减震装置来减缓碰撞的冲击力，如由橡胶材料和金属蜂窝材料制成的减震耗能装置。

Kawashima等[11]用数值方法研究了橡胶减震装置对减轻相邻桥面之间冲击的效果，分析了三种橡胶材料的应变硬化、应变软化和弹性滞回特性，研究发现橡胶材料在减轻冲击力方面是有效的。Abdel[12]研究了橡胶减震装置对桥结构的影响,研究发现在桥段之间放置橡胶减震装置可以显著降低冲击峰值力，在拉索限位装置末端放置橡胶垫也可以降低拉索的冲击力。Jankowski等[13]研究了橡胶减震装置和可压碎装置对减少相邻桥面撞击的有效性，结果表明橡胶减震装置可以显著降低对桥墩的撞击力，而可压碎装置通过塑性变形引起的能量耗散效果不明显。

在中国，研究人员主要把橡胶材料应用在桥梁支座上形成具有减震作用的橡胶支座，在此方面也进行了大量研究。韩强等[14]对一使用方形铅芯橡胶支座的两跨隔震梁桥结构模型进行了地震模拟振动台试验，结果表明，小震时铅芯橡胶支座水平刚度较大，结构较稳定；大震时铅芯橡胶支座水平刚度较小，可以耗散较多地震能量，减小能量向上部结构传递。董振华等[15]考虑桥梁支座界面接触方式、几何尺寸等参数，设计并进行了6个普通板式橡胶支座的剪切性能试验，研究结果表明，支座上下表面的接触摩擦条件可明显影响支座的水平侧移和抗侧力，因此在进行实际桥梁结构的力学性能计算时，应考虑不同受力阶段支座力学性能指标的取值。

根据上文所述，由橡胶材料制成的减震耗能装置在桥梁减震方面具有良好的效果，然而橡胶材料的耐久性较差，因此需要定期检查和更换以保持其工作时的有效性，而可压碎装置耗能能力不够明显，因此并没有被广泛推广和应用。

2 限位装置

2.1 钢制限位装置

钢制限位装置是目前最经济的防落梁装置，其通过限制桥梁主梁梁端位移，使主梁在桥墩或台帽上具有足够长的搁置长度[16]。钢制限位装置主要分为三种类型：拉索式(钢棒式)限位装置、链式限位装置和钢板式限位装置，一般采用墩台-梁连接和梁-梁连接,如图1所示。中国和美国较早并广泛使用的是拉索式限位装置，日本为了完全限制跨间的相对位移则较多使用的是钢板式限位装置。

图1 钢制限位装置的分类Fig.1 Classification of steel limit devices

美国在1971年圣费尔南多(San Fernando)地震后，许多桥梁结构都使用了拉索式(钢棒式)限位装置，在接下来的几次大地震，如1989年洛马·普雷塔(Loma Prieta)地震、1994年洛杉矶北岭(Northridge)地震，为评估拉索限位装置的性能提供了很好的机会。研究发现拉索限位装置是防止跨跨倒塌的有效措施，然而在少数情况下也观察到装置失效发生落梁破坏，这是由于拉索式(钢棒式)限位装置的设计是保持弹性的，因此会在装置一端积聚极大的荷载，导致拉索断裂或钢棒冲破装置的两端[17]。为了提高拉索限位装置的有效性，Saiidi等[18]研究了1989年Loma Prieta地震期间使用拉索限位装置的桥梁结构的地震反应，研究表明装置受到许多因素的影响，如地面运动的振幅和频率、土和桥梁结构的相互作用。

在中国，宋波等[19]通过建立桥梁有限元模型，并结合桥台缩尺模型振动台试验，对三种钢制限位装置减震效果进行了分析，结果表明拉索式限位装置对上部梁体靠近桥台时的位移削弱达到63.34%，能有效保护桥台背墙,钢板式限位装置对桥梁结构上部梁体远离桥台侧的位移削弱达到37.53%，能有效防止发生碰撞作用和落梁现象,链式限位装置对上部梁体远离桥台位移削弱作用达到93.98%，能够有效防止落梁发生，但同时会增加上部梁体靠近桥台背墙侧位移。朱万旭等[20]在国外拉索限位装置的基础上开发了一种新型钢绞线拉索式限位装置，并已在中国台湾、四川等地应用于多座桥梁，该装置在锚头处安装圆锥形弹簧，拉索的松弛可以由弹簧吸收，可承担地震时造成的较大位移量。张煜敏等[21]结合中外已有的拉索式限位装置的设计方法，对设置不同设计参数拉索式限位装置的结构进行地震响应分析，研究设计参数对装置防落效果和内力的影响，结果表明，拉索限位装置的防落效果随着拉索长度、设计位移量的增大有所减小，设计参数取值较小的装置内力较大，部分会超过其设计承载力。

上述研究表明，钢制限位装置能较好地限制地震时桥梁主梁的位移，然而大多数装置的设计保持弹性，因此没有显著的能量耗散能力，在强震作用下，因为装置弹性应变能力有限，限制梁体位移在合适的范围内，需要的钢制材料的数量和长度都比较大，造成装置复杂，成本高，而且装置上积聚的巨大弹性力会直接导致拉索断裂或钢制材料从装置两端穿透。

2.2 挡块限位装置

挡块作为桥梁横向减震及防落限位装置得到广泛的应用，其种类主要有钢筋混凝土挡块和钢挡块。国外研究人员较早对桥梁挡块进行了研究，美国国家高速公路和交通运输协会(AASHTO)中规定桥梁挡块的设计强度应满足抵抗地震碰撞力的要求，在低烈度地震下满足弹性要求，在较高烈度地震下挡块作为牺牲构件[22]。Megally 等[23]通过研究对挡块底部进行箍筋加密来提高挡块的塑性变形能力，使得挡块中上部位与盖梁形成塑性铰，提高了挡块动力滞回性能。

在中国，杨孟刚等[24]研究了钢挡块对高铁简支梁桥横向碰撞效应，结果表明钢挡块可以有效地限制墩梁横向相对位移的发展，随着挡块-垫石间距的增加，墩梁相对位移峰值增大，而碰撞力和墩底剪力峰值减小，随挡块钢板厚度增加，墩梁横向相对位移峰值有所减小，但会增大碰撞力和墩底剪力峰值。皮水萌等[25]研究了地震作用下简支梁桥支座-挡块-桥墩的相互作用，结果表明提高挡块强度可有效地控制支座的滑移，但会增大桥墩的曲率延性系数，对于中小跨径简支梁应设计允许挡块破坏，使支座出现小幅滑移，桥墩出现可修复的塑性损伤。

普通的钢筋混凝土挡块和钢挡块主要通过牺牲自身的刚度来限制墩梁横向相对位移，无减缓碰撞冲击的作用，因此近几年耗能挡块的研究成为一个新的方向。例如，魏冠华[26]提出一种新型双重挡块构造，靠近主梁内侧设置采用多胞材料与圆管陈列组合形式的耗能挡块，外侧为限位作用的钢挡块或混凝土挡块，两者共同工作起到减震限位作用，如图2所示。黄小国[27]开发设计了一种适用于桥梁结构的X形板弹塑性挡块，地震作用下挡块受到发生地震位移梁体的挤压和牵拉作用而产生横向往复水平变形，当地震动峰值加速度达到一定幅值后，平行布置的X形板将发生屈服进入塑性工作状态，从而通过钢板屈服挠曲的弹塑性变形过程耗散地震能量。由于挡块一般只能限制墩梁横向相对位移，因此在实际工程应用中需要结合其他减震限位装置保证桥梁纵向位移得到限制。

图2 双挡块构造Fig.2 The double-block structure

2.3 形状记忆合金限位装置

形状记忆合金(SMA)是一种独特的金属合金，通过施加热量或卸载，可以使合金发生较大的变形，同时又能恢复到原来的形状，这些特性使其在生物医学、航空航天和商业领域得到应用和发展，近十几年在结构减震中SMA的应用也有所增加。SMA恢复其形状的能力，主要是由于奥氏体和马氏体相之间的有序晶体结构，使得材料在温度变化或外加应力下发生位移马氏体相变[28-29]。在结构减震应用中，超弹性SMA因其无需加热即可恢复形状的能力而得到了广泛的应用。

对于SMA限位装置，中外专家对其研究较多。在过去的几十年里，DesRoches等[30-31]对SMA限位装置的性能做了一系列研究,其对长度为280 mm、直径为25.4 mm的全尺寸NiTiSMA棒进行了一系列循环加载试验以研究其力学性能，同时通过非线性数值分析，研究了SMA限位装置在多跨简支桥中的应用效果，结果表明SMA限位装置在强地震条件下对桥面的响应有很好的限制作用，当应变超过6%时，SMA的应变硬化会增加限位装置的刚度。同时DesRoches用数值模拟评估了SMA限位装置在多框架箱梁桥上的有效性，发现NiTiSMA限位装置明显比传统的钢制限位装置更有效地减少上部结构的相对位移。

周海俊等[32]使用国产SMA棒，对一3跨简支梁桥设计SMA限位装置并进行了全桥有限元地震响应动力时程分析，研究结果表明，减少SMA限位装置长度与初始间隙，桥梁碰撞现象和墩梁相对位移会减少，但墩底剪力会相应增加，因此采用SMA限位装置的桥梁应提升桥墩的抗震性能。逄鹏程[33]通过对一座斜拉桥工程实例进行有限元分析，研究结果表明随着SMA限位装置的增多，桥梁结构地震响应的减小趋势会变得平缓，同时研究发现SMA限位装置安装在主塔横梁处地震响应极值最小，斜拉桥主梁梁端、主塔塔顶的纵向位移以及主塔塔底的弯矩与SMA限位装置的等效刚度基本成反比。

近年来，一种以SMA为原料，经过卷制、拉伸、编织、冲压成型并结合特定热处理工艺制成的形状记忆合金橡胶(shape memory alloy pseudo-rubber，SMAPR)由于可以实现碰撞缓冲材料的重复利用，因而成为SMA合金应用在桥梁减震防落装置的一个新方向。李素超等[34]研究了SMAPR限位装置对桥梁碰撞的控制效果，研究表明SMAPR限位装置具有稳定的吸能效率，能够大幅度降低桥梁结构碰撞加速度和碰撞力，对于不同强度地震下的桥梁碰撞过程都有很好的控制效果。

SMA限位装置的主要缺点是其性能依赖于环境温度，其超弹性仅在高于奥氏体温度时才表现出来，否则SMA将会经历残余变形,同时现阶段应用最广的NiTi SMA限位装置不能满足桥梁在较低环境条件下的正常工作[10,35]。为了克服NiTi SMA的局限性，研究人员提出了CuAlBe SMA，CuAlBe SMA最显著的特性是其工作温度最低可以达到-80.29 ℃，这一特性使其适用于寒冷地区桥梁结构的SMA限位装置[36]。除了对环境温度的依赖外，NiTi SMA还存在成本昂贵、加工困难等问题，而CuAlBe SMA可以充分解决这些缺点，其相对更便宜，而且更容易操作，因此其将成为SMA限位装置的首选材料[37]。

2.4 纤维增强聚合物限位装置

纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer，FRP)由于抗拉强度高的特性被用作于桥梁的限位装置。传统的限位装置一般穿透桥梁箱梁内部进行连接，安装成本较高并难以检查，而FRP限位装置安装在桥梁结构的外部，更易于安装和维护。对于FRP限位装置的研究，中国目前对其研究稀缺，国外也只是处于起步阶段。Saiidi等[38]在2006年首次提出了FRP材料作为桥梁限制装置的可能性，并对FRP限位装置的有效性进行了振动台试验，试验装置[38]如图3所示，通过试验探讨了FRP限位装置作为钢制限位装置的替代品，以减少桥梁在地震作用下主梁的相对位移，研究发现与钢制限位装置相比，FRP限位装置能有效地大幅度降低主梁的相对位移和相邻梁间碰撞冲击力。然而由于FRP是一种线性材料，因此FRP限位装置的设计依旧保持弹性，和钢制限位器一样不具有耗能作用。

图3 FRP限位装置的试验装置Fig.3 The test device for FRP limit device

3 阻尼器

3.1 金属阻尼器

金属阻尼器被认为是最为有效的防落梁耗能装置之一，其本质上是依赖于地震中上部结构的位移导致金属材料屈服和塑性变形来消耗地震能量。

国外研究人员较早对金属阻尼器进行了研究。Chen等[39]在1∶10的桥梁模型上对金属阻尼器降低桥梁结构动力响应性能进行了测试，并制作了3个全尺寸的阻尼器，两个是直的，一个是锥形的，主要研究在循环加载条件下优化金属阻尼器以获得最大的能量耗散，研究发现在相同的荷载作用下，锥形金属阻尼器的位移较大，耗能较大。Deng等[40]提出了使用钢制剪切板来避免桥梁上部结构在地震事件中发生错位和脱落，为了评价钢剪切板装置的性能并确定其滞回特性，其设计了5个阻尼器试件并进行了循环加载试验，试验结果表明该装置具有较大的变形能力和耗能能力，同时其根据有限元计算结果，制订了该装置的设计程序并提出了加固板和加固板凸缘尺寸的建议。

在中国，赵玉坤等[41]提出了填充式钢管阻尼器，研究了其在桥梁横向减震性能，并与钢筋混凝土挡块性能进行了比较，结果表明填充式钢管阻尼器滞回曲线饱满，与传统钢筋混凝土挡块相比具有更好的耗能能力，可以显著减小墩梁相对位移，控制结构的整体反应。高峰利[42]提出了E形和C形金属阻尼器，通过理论设计确定阻尼器的结构形式和截面尺寸，通过有限元分析和试验对两种阻尼器的性能进行了测定，结果表明阻尼器能显著降低墩顶、墩底的水平剪力，从而可以减小墩台的设计尺寸，阻尼器通过塑性变形吸收大量的地震能量。张玉平等[43]开展了软钢阻尼器应用于大跨度三塔悬索桥的减震控制研究，结果表明设置软钢阻尼器可有效减小塔梁的相对位移，但会使中塔底剪力和部分视波速下边塔底内力有所增大。

金属阻尼器可以防止桥梁主梁碰撞和降低落梁发生概率，然而这些装置在强地震中大多为塑性变形，不能重新积聚作用力以形成抵抗余震的能力，同时其设计一般与使用的金属材料性质相关，因此在设计时很难确定装置的作用荷载。中国的金属阻尼器的研究水平目前仍落后于欧美、日本等国家，目前还未有批量生产的高性能金属阻尼器。

3.2 黏弹性阻尼器

黏弹性(viscoelastic，VE)阻尼器是主要与速度参数相关的耗能装置，通常用于结构应用的VE阻尼器由共聚物或弹性材料制成，当它们受到剪切变形时，能量就会耗散，典型的VE阻尼器构造如图4所示。Feng等[44-45]研究了在公路桥梁伸缩缝中使用VE阻尼器防止上部结构脱落和相邻桥面撞击的效果，研究结果表明，在降低桥梁上部结构相对位移方面，VE阻尼器比弹性阻尼器更有效。Andrawes 等[46]把VE阻尼器与其他桥梁阻尼器进行比较，研究发现VE阻尼器能更有效减少上部结构相对位移,然而由于VE阻尼器主要与运动速度(频率)相关，与实际位移值无关，因此在设计时很难确定其作用力的大小。刘保东等[47]较早通过理论分析和仿真计算对VE阻尼器应用在桥梁减震控制中的有效性进行了研究，结果表明VE阻尼器可以有效减小桥梁结构的地震响应，而且具有很好的鲁棒性。王东昀[48]提出一种新型VE阻尼器，并研究其在跨断层铁路桥梁减震效果，研究结果表明新型VE阻尼器能有效减小墩梁之间的相对位移，减震率在20%以上。

图4 典型VE阻尼器构造Fig.4 Typical VE damper construction

VE阻尼器的缺点是其阻尼性能随着温度的升高而降低，导致其耗散能力降低，同时单个VE阻尼器的能量耗散能力有限，为了限制墩梁相对位移，常常需要在一个墩梁结合处安装数量较多的VE阻尼器才可以达到限位效果,并且由于VE阻尼器性能主要与速度相关，因此很难确定其作用荷载。

3.3 液体黏滞阻尼器

液体黏滞阻尼器是结构抗震中常用的被动耗能装置，其由一个充满液体(一般使用液态硅油)的空心圆管组成，典型液体黏滞阻尼器如图5所示。地震作用下，管内的活塞杆连及活塞头被冲击液体，液体被迫从活塞头周围或通过活塞头的孔口流动，由此产生的压差通过活塞头可以产生非常大的荷载以抵制相对运动。同时液体以极高的速度流动，导致流体与活塞头之间发生位移，两者的摩擦作用使能量以热的形式耗散。该装置提供的作用力为

图5 典型液体黏滞阻尼器构造Fig.5 Typical liquid viscous damper construction

(1)

Shinozuka等[49]通过大量的非线性研究表明，液体黏滞阻尼器在地震时限制桥梁伸缩缝的张开和减缓碰撞冲击力方面是非常有效果的。在实际工程应用中，流体黏滞阻尼器可限制桥梁底部土的延性要求，同时可以减少45%左右的地震活动[50]。中国对液体黏滞阻尼器进行了大量研究，并在南京大胜关长江大桥上应用了液体黏滞阻尼器，如图6所示。贾毅等[51]研究大跨度斜拉桥采用不同抗震体系时的抗震性能，结果表明在桥塔处安装液体黏滞阻尼器大大减小了主梁的位移响应。李锦华等[52]研究了液体黏滞阻尼器的阻尼系数对桥梁结构振动响应的减振效果，结果表明随着液体黏滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座，阻尼器的减振效果逐渐明显，随着阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座，阻尼器的减振效果略有提升。吴林倩[53]、朱金[54]在现有桥梁液体黏滞阻尼器研究的基础上，根据实际桥梁工程对阻尼器的各部分参数进行设计和优化，提高了液体黏滞阻尼器性能，从而减小桥梁地震响应。

图6 液体黏滞阻尼器应用于南京大胜关长江大桥Fig.6 The liquid viscous damper applied in Nanjing Dashengguan Yangzi River Bridge

由于液体黏滞阻尼器内的液体易泄露，因此为了保持装置的密封性需要定期对装置进行检查，这是液体黏滞阻尼器最大的一个局限性。

3.4 磁流变阻尼器

磁流变(magneto-rheological，MR)阻尼器是一种含磁流变液的装置，分为主动控制型、半主动控制型和被动控制型。磁流变液由油和不同比例的铁粒子组成，当铁粒子不活跃时，磁流变液表现为普通的油，但当暴露在磁场中时，分散在整个流体中的铁粒子会沿着磁通量线排列。一旦达到这种排列，铁粒子就会抵抗从它们各自的通量线中被移出，成为流体流动的屏障。当暴露在磁场中时，磁流变液作为一个整体会出现黏度的变化。铁粒子对运动产生的阻力使得磁流变液可以应用于电控制的阻尼器中。

中外许多学者研究了MR阻尼器在桥梁防落中的作用。Ruangrassamee等[55]研究了MR阻尼器在提高桥梁结构抗震性能中的有效性，分析了摩擦式阻尼力方案和两步黏性阻尼力方案，研究发现，两种阻尼方案都能有效地降低桥梁节点的地震响应，两步黏性阻尼力方案中的阻尼力要比摩擦型阻尼力方案中的阻尼力平滑得多，摩擦型阻尼器的荷载随阻尼器速度的变化而变化，阻尼力的突然变化可能会对桥梁产生冲击。Guo等[56-57]研究了在强地震中使用MR阻尼器来减少相邻路段桥梁的冲击，改进了基于预测控制算法的阻尼器控制算法，考虑了控制系统的时延效应，其分析了梁-梁连接和梁-墩连接两种连接方式，结果表明半主动控制系统能有效地降低结构的冲击加速度响应，然而其时延严重影响了控制系统的性能。亓兴军等[58]通过有限元分析了MR阻尼器对双支承曲线连续梁桥的抗震性能，研究发现MR阻尼器主动控制、半主动控制和被动控制三种减震控制方法减震效果差别较小，能够有效地减小曲线梁桥的主梁切向位移和固定墩墩底的弯矩与扭矩，然而不同地震输入下MR阻尼器的减震效果差别较大，因此在设计曲线梁桥减震控制参数时需要重视地震动参数的选择和确定。

上述研究表明，MR阻尼器可以有效地减轻冲击和落梁损害，然而需要注意的是，MR阻尼器需要外接电源，虽然很小，但是这就意味着在地震突发时需要保证电源的工作稳定性。此外，MR阻尼器的性能也很大程度上取决于响应延迟时间，控制算法也比较复杂，阻尼力的突变可能会对主梁产生反向冲击。

4 混合防落梁系统

由于上述提到的限位装置和阻尼器在工作性能上都存在某些缺点，因此许多研究人员提出了结合两种或两种以上装置混合使用的混合防落梁系统，这些装置一般能利用主装置的优点，并利用其他装置弥补主装置的不足。

由于橡胶支座没有明显的限位能力，因此其常与限位装置或阻尼器构成混合系统，例如李建中等[59-60]提出了板式橡胶支座和X形弹塑性挡块组成的隔震系统，如图7所示，研究表明强震作用下通过板式橡胶支座滑动效应和X形板弹塑性挡块屈服能有效减小地震能量输入，控制墩梁相对位移。赵玉坤等[41]研发了一种填充式钢管阻尼器与板式橡胶支座共同作用的桥梁横向减震系统，如图8所示，研究结果表明地震作用下，板式橡胶支座传递竖向荷载并提供一定的横向位移能力，填充式钢管阻尼器通过塑性变形耗散部分地震能量，可以有效减小墩梁相对位移。在国外，Kawashima等[11]和Shrestha等[61]提出将橡胶支座与SMA限位装置或钢制限位装置相结合构成混合防落梁系统，通过研究表明该系统可减小梁间碰撞冲击，防止发生落梁破坏。由于拉索式限位装置无明显耗能能力，因此中国的邢心魁等[62-63]提出了一种以控制管为主要耗能部件的新型耗能拉索式限位装置，该装置在小震时通过拉索和控制管中的弹簧控制主梁位移量，强震作用下通过控制管中扩径管扩径过程吸收大量的地震能量，控制管装置构造如图9所示。

图7 隔震系统Fig.7 Seismic isolation system

图8 横向防落系统Fig.8 Horizontal unseatiing prevention system

图9 主要耗能部件控制管Fig.9 The control tube of the main energy-consuming component

根据上文所述，混合防落梁系统中减震与防落梁部件共同作用能够起到良好的作用，然而众多研究人员提出的混合防落梁系统研究均处于理论分析和试验模拟阶段，应用于实际工程较少，因此混合防落系统的工作性能需经受实际工程应用的考验。

5 结论

概述了中外桥梁结构中用于减轻冲击和防止落梁的措施。近年来，防落梁装置的迅速发展说明工程界对减少地震中桥梁破坏有着共同急切的需求。在总结的基础上，得出以下结论。

(1)橡胶材料是目前应用最为广泛的桥梁减震耗能装置，能够有效减缓桥梁上部结构相邻主梁之间、主梁与墩台之间在地震作用的碰撞和冲击，其使用性能与地震强度和两接触面的摩擦条件有关，因此在桥梁抗震设计时应充分考虑这两个影响因素。由于橡胶材料耐久性较差，因此需要定期检查和更换。可压碎装置(如金属蜂窝材料)通过塑性变形引起的能量耗散效果不明显，因此并未广泛推广。

(2)钢制限位装置因其成本低，一直被广泛应用于工程改造中，然而其设计是保持弹性的，在耗能方面存在严重的不足，从而在强地震作用下导致其限位部件受荷过大，进而导致装置破坏。挡块限位装置通过牺牲自身刚度来限制桥梁横向墩梁的相对位移，在强地震中损坏严重，因此近几年耗能挡块成为一个新的研究方向。SMA限位装置是一种具有能量耗散和再集中能力的限位装置，然而现今应用较广的NiTi SMA不仅对温度依赖性高而且材料成本较高，严重限制了它的应用。近年来，CuAlBe SMA因其成本较低、易于加工、操作温度范围广等优点而备受关注。SMAPR限位装置由于结合了SMA的可恢复性和橡胶的高强弹性，成为SMA限位装置一个新的发展方向。FRP限位装置其限位能力与钢制限位装置相当，其安装方便、性能可靠，可以成为钢制限位器的替代品，但是其设计依旧保证在弹性范围，因此和钢制限位器一样不具有耗能能力。FRP作为桥梁限位器的研究在国外也是处于起步阶段，中国研究稀少，因此对其防落性能还需要大量的研究。

(3)使用具有能量耗散作用的阻尼器可以防止桥梁主梁碰撞和落梁的发生，然而这些装置在强地震中大多为塑性变形，不能重新积聚作用力以形成抵抗余震的能力，同时其设计一般与频率及使用的耗能材料性能相关，因此在设计时很难确定装置的作用荷载，此外流体黏滞阻尼器与磁流变阻尼器需要定期检查以保证装置的工作稳定性。

(4)近年来，众多研究集中了两种或两种以上材料或装置的优点形成混合防落系统。橡胶材料与限位装置的组合、限位装置与阻尼装置的组合、橡胶材料与阻尼装置的组合，这些混合装置减少桥梁地震破坏，提高桥梁的使用性能，因此这是未来桥梁减震及防落梁装置的主要研究方向。虽然在防落梁装置设计方面已经有了重要的研究，但是由于地震动在空间上的变化是不可避免的，防落梁装置性能与输入的地震动特性具有较强相关性,因此应该加强防落梁装置在考虑地震动空间变化的研究。

(5)现阶段，众多研究集中在了直线型连续梁桥，对弯曲型连续梁桥减震和防落措施的研究较少，随着城市环形高架桥建设的高速发展，弯曲型连续梁桥减震与防落措施将逐渐成为研究热点。