中小跨径梁桥防落梁研究

冯宝平

（陕西交通控股集团运营管理分公司，陕西西安 710065）

0.引言

近年来，我国地震频发，强大地震发生后会对我国桥梁结构造成较大损伤[1]。中小跨径梁桥在我国桥梁类型中占据较大的比例，通过震后调查[2]，主梁因地震直接作用造成的损伤较少，但地震发生后落梁现象确并不少见，主要是因为支承搁置长度不足、支承连接件失效、横向位移过大等造成的。

地震作用下发生落梁破坏会造成交通困难，对人民的日常生活带来不便，同时桥梁震后修复工作会大大增加[3]。落梁发生后常常会伴随发生主梁和桥墩碰撞事故造成桥梁的2次损伤，严重时造成桥梁倒塌。为了降低落梁事故的发生，各国规范根据本国情况进行了相关规定，通过对震后调查表明，防落梁的设置对防止桥梁结构的坍塌是基本有效的，对桥梁结构是十分必要和意义重大的。基于此，国内外专家学者对防落梁装置进行了研究，取得了相应的成果。

本文从落梁产生原因和规范总体规定入手，分别从纵桥向和横桥向进行详细说明防落梁措施和方法，最后得出相关结论。

1.落梁产生原因和规范规定

1.1 落梁产生原因

强震发生时，在地震力作用下，支承连接部件会发生失效现象，势必会改变传力路径，当纵向上下部结构之间的支承长度不能满足地震引起的地震时，主梁就会从桥墩上掉落，造成落梁病害，同时如果横桥向的挡块等限位装置设置的不合理也会造成落梁的发生。落梁原因示意图见图1。

图1 落梁原因示意图

1.2 国内外规范规定

2.纵向防落梁装置的设计

2.1 纵向防落梁构造的布置

搁置长度不足已被认为是已建桥梁发生落梁的普遍原因。《公路桥梁抗震设计规范》规定，简支梁梁端至墩、台帽或盖梁边缘距离的最小值α（cm）按下式计算：

式中：L为一联上部结构总长度；H为支承一联上部结构桥墩的平均高度；Lk为一联上部结构的最大单孔跨径。

AASHTO规范[14]搁置长度的经验公式为:

式中：N为最小搁置长度；L为支座中心处与伸缩缝之间的距离或到另一侧梁端的距离；H为在桥台处时为到两相邻桥墩的平均高度，在桥墩处时为墩高；S为斜交角。

加州规范支承长度的公式为：

式中：Δpls为预应力引起的相对位移；cr+shΔ 为徐变收缩引起的位移；Δtemp为温度引起的相对位移；Δeq为地震作用下的相对位移。

对于最小搭接长度，Caltrans规范采用固定值：（1）桥台处：a≥76cm；（2）中间支点：a≥60cm。

文中涉及的记号与术语可参见[1,10-11]。若X是拓扑空间,F⊆X,F在X中的闭包记为clF,在涉及多个空间时,为区分起见也记作clXF。空间X的全体开集与全体闭集分别记为Ο(x)与Γ(x)。

新西兰规范搁置长度的公式为：

日本规范搁置长度的公式为：

式中：uR为上、下部结构的相对位移；uG为地震引起的地基的相对变形；SEM为最小搁置长度；l为梁的计算跨径；L为下部结构间的距离。

2.2 纵向防落梁限位装置

纵向防落梁装置使用最广泛的为缆索限位器，它可以有效地防止桥梁结构发生落梁。缆索限位器主要又分为墩-梁限位装置和梁-梁连梁装置。限位装置可以很好的限制支承连接构件和上部结构的相对位移，避免主梁从下部结构掉落。

3.横向挡块的设计

3.1 挡块破坏的原因和设置思路

挡块发生破坏的原因如下：

（1）在强震作用下，梁体发生横向位移，对挡块产生较大的碰撞力，使挡块受到剪切作用。

（2）由于挡块的尺寸和配筋不足，地震碰撞力超过其抗剪能力值发生破坏。

（3）在施工和养护阶段由于施工和养护不到位造成的挡块强度不足也会造成地震作用下挡块的损伤。

3.2 挡块的抗剪强度计算

对于挡块的抗剪强度问题，国外规范给出了相关公式和条文解释，国内规范并没有给出具体的公式要求，但也有专家学者进行研究，以下给出国外规范和国内外学者关于挡块抗剪强度规定公式。

AASHTO规范[14]挡块强度计算公式为:

式中：Vok为超强能力；Vn为挡块的抗剪强度；Acv为参与抗剪的混凝土面积；Avf为抗剪钢筋面积；fy为钢筋屈服强度；Pc为垂直剪切面的压力；c为粘结系数；µ为摩擦系数；为混凝土28d抗压强度。

Caltrans抗震设计规范挡块抗剪强度公式：

国内学者得到挡块剪力强度计算公式：

式中：Vc为混凝土提供的剪力；Vs为钢筋提供的剪力；其他具体参数可参考文献。

4.结论

本文针对先简支后桥面连续梁桥的防落梁原因和规范规定进行了介绍，可以得到以下结论。（1）当地震力作用时，纵桥向上先通过支承连接部件来消耗能量，当支承连接部件失效会造成落梁事故发生。（2）通过比较国内外抗震设计规范可以得到我国公路桥梁抗震设计规范在纵向搭接长度上具有较大的安全富余度。（3）桥梁结构在横向移位时，先通过支座抗滑移耗能，再通过挡块来控制移位，通过“多道设防，分级耗能”的思想来防止横向落梁。（4）对于中小跨径梁桥采用如下的防落梁措施：纵桥向在保证具有足够搁置长度的情况下可以增加一些限位装置防止落梁；横桥向设置防震挡块，梁体与挡块之间留有一定间隙，并加装3cm厚的橡胶垫以缓和冲击作用和限制梁的位移。