楊鵬

橋梁抗震擋塊設(shè)計研究

楊鵬

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅蘭州730030）

擋塊作為橋梁重要的橫向限位裝置，在地震過程中，可有效限制上部結(jié)構(gòu)位移，防止落梁的發(fā)生，但上部結(jié)構(gòu)與擋塊間的碰撞也會增加傳至下部結(jié)構(gòu)的作用力，增大下部結(jié)構(gòu)的損傷。論文首先介紹了各國規(guī)范中對擋塊的設(shè)計要求，針對規(guī)范中擋塊設(shè)計規(guī)定欠缺的情況，論文進一步介紹了國內(nèi)外關(guān)于擋塊試驗研究進展，總結(jié)了試驗類型及力學模型，為實際工程設(shè)計提供參考。

橋梁抗震；擋塊；力學模型；試驗研究

1　概述

中、小跨徑梁橋中，常在蓋梁和臺帽的兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土擋塊，用于限制地震作用下主梁在的側(cè)向位移。但國內(nèi)外對于擋塊的設(shè)計并沒有足夠重視，通常是作為一種構(gòu)造的形式進行處理，以至于在地震中并沒有起到理想的作用。2008年汶川地震中，多達5560座公路橋梁遭到毀壞，其中最明顯的震害之一是大量擋塊發(fā)生斜截面脆性剪切破壞，簡支梁橋中擋塊破壞數(shù)量多達720組［1］。

鑒于擋塊在橋梁抗震中的重要性及我國抗震設(shè)計規(guī)范對其設(shè)計規(guī)定的欠缺，論文對近年來國內(nèi)外關(guān)于擋塊的較全面的試驗研究進行了闡述，總結(jié)了試驗類型及力學模型，研究成果可供實際工程設(shè)計參考。

2　規(guī)范中擋塊設(shè)計

1）美國AASHTO規(guī)范［2］。AASHTO規(guī)范要求擋塊在設(shè)計地震作用下作為犧牲性單元，而在多遇地震地震下保持彈性。規(guī)定擋塊超強能力：

Vok=2Vn（1）式中：Vok為用于保護相鄰構(gòu)件時的擋塊超強能力；Vn為擋塊名義抗剪能力，按相關(guān)規(guī)范計算。

同時，AASHTO規(guī)范還對橋臺處擋塊、墩柱上擋塊、非整體性擋塊和鋼構(gòu)件的擋塊等不同部位擋塊的設(shè)計做了規(guī)定。

2）美國加州規(guī)范［3］。對于座式橋臺擋塊的能力取0.75×ΣVpile和0.3×pdlsup的較小值，其中ΣVpile為樁的橫向能力之和，pdlsup為橋臺的軸向恒荷載效應(yīng)，當采用擴大基礎(chǔ)時，則為0.3pdlsup。

3）歐洲規(guī)范［4］。歐洲規(guī)范規(guī)定：擋塊一類的抗震連接件，在非地震荷載作用下，連接件應(yīng)允許結(jié)構(gòu)的位移而不傳遞荷載，在地震作用下，連接件起作用，作為力傳遞路徑將荷載傳至下部結(jié)構(gòu)，此時連接件應(yīng)正確模擬，最少采用等效線性力-位移關(guān)系來處理。

4）新西蘭規(guī)范。新西蘭規(guī)范中沒有專門對擋塊設(shè)計計算進行規(guī)定，而是對橫向連接措施進行了說明。為了防止強震作用下墩梁發(fā)生過大的相對位移，要求在橋跨與支座之間提供可靠的連接系統(tǒng)，包括擋塊、連接螺栓以及專門設(shè)計的支座，其中“緊”連接系統(tǒng)保證使用荷載和地震荷載作用下要求無相對橫向位移，“松”連接系統(tǒng)的設(shè)計強度不應(yīng)小于設(shè)計地震荷載，并設(shè)置橡膠緩沖墊，具體根據(jù)設(shè)計要求選用。同時連接系統(tǒng)應(yīng)為延性構(gòu)件，在較大的相對位移下不會斷裂［5］。

由上述可知，除美國規(guī)范外，其他規(guī)范一般只對擋塊設(shè)計提出了設(shè)計建議，而沒有給出擋塊設(shè)計計算方法。然而橋梁擋塊在地震中對上部結(jié)構(gòu)有很好的限制作用，減少了落梁的可能性，一些延性擋塊還可以耗散部分地震能量，減輕結(jié)構(gòu)損傷。因此，國內(nèi)外學者對擋塊進行了大量試驗研究。

3　橋梁擋塊設(shè)計方法

3.1國外試驗研究

對擋塊較早進行且較系統(tǒng)研究的是Megally團隊，項目在加州交通局的資助下進行了大量試驗研究［6］。Megally等在試驗前確定了3目標：其一，確定擋塊承載能力，作為犧牲構(gòu)件，在限制上部結(jié)構(gòu)位移的同時，又不能太強，否則會增大下部結(jié)構(gòu)荷載，引起損傷；其二，確定其達到峰值荷載前后的滯回性能，以提供一定耗能作用；其三，對擋塊進行細部設(shè)計，確保擋塊損傷位置易于檢查和修復(fù)。根據(jù)試驗?zāi)Ｐ推茐奶卣骷霸囼灲Y(jié)果，Megally等根據(jù)不同破壞形式提出了三種計算模型。

1）剪切摩擦模型。這一計算模型適合于擋塊與根部（蓋梁或橋臺根墻）形成剪切破壞面，如圖1所示，其承載力由該剪切面的摩擦力決定，計算式如下：

VN=μ（Avfyf+Avs+fys）（2）式中：μ為接觸面摩擦系數(shù)，取1.4λ，當為整體澆筑時λ為1.0；Avf和fvf分別為剪切面處豎向抗剪鋼筋面積和屈服強度；Avs和fvf分別為伸入根部的豎向受拉鋼筋面積和屈服強度。

圖1　剪切摩擦破壞模式

2）斜剪破壞計算模型。試驗破壞一般均為斜剪破壞形式，由擋塊與根部首先形成裂縫，并逐漸延伸至根部底面，如圖2所示，其承載力計算如式：

式中，VC和VS分別為混凝土和鋼筋的抗剪強度；是根部的高度；h為根部的寬度；b為混凝土受壓強度；fc1是由根部頂面受拉鋼筋計算的拉力，如圖2中所示；T2=AS，2fy，s是由通過破壞面的第一排鋼筋計算得到。

圖2　斜剪破壞模式

3）彎矩-曲率計算模型。對于彎曲破壞型擋塊，如圖3所示，其承載力應(yīng)通過截面力平衡進行分析，計算式如下：

截面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示，ΣCC為受壓區(qū)混凝土所受壓力；ΣC′S為受壓區(qū)鋼筋所受壓力ΣTS；為受拉區(qū)鋼筋所受拉力。

圖3　彎曲破壞模式

圖4　彎曲破壞模式下截面應(yīng)力、應(yīng)變圖示

3.2國內(nèi)試驗研究

國內(nèi)擋塊沒有專門的設(shè)計，且實際工程中的擋塊與國外擋塊的結(jié)構(gòu)不一致，借鑒國外研究成果，同濟大學的徐略勤通過試驗［7，8］，如圖5所示，提出適合國內(nèi)工程實際的擋塊強度預(yù)測公式，如下式：

式中，b為擋塊的厚度；w擋塊的寬度；a為加載點距底座頂面的高度；s為水平構(gòu)造筋的間距；At和fyt分別為水平拉筋總面積及屈服強度；Av和fyv分別為剪切鋼筋總面積及屈服強度；As和fys分別為穿過開裂面的單根水平分布筋的截面積及屈服強度。

由于斜剪破壞為脆性破壞，不利于抗震。為此，徐略勤等基于限制擋塊破壞范圍和提高擋塊塑性變形能力的目標，提出了一種新型擋塊（如圖6所示）：在擋塊與蓋梁/臺帽間設(shè)置光滑的干施工縫，形成剪切薄弱面。擋塊的構(gòu)造鋼筋不可伸入蓋梁/臺帽，即不參與受剪；剪切鋼筋單獨布置為一排，且盡量靠近擋塊的內(nèi)側(cè)面，以保證水平拉筋充分發(fā)展強度；剪切鋼筋伸入蓋梁/臺帽后須滿足最小錨固長度要求。蓋梁/臺帽上表面布置一層數(shù)量足夠的水平拉筋，且延伸至蓋梁/臺帽的端部，并采用90o的長彎鉤，以避免蓋梁/臺帽的開裂受損。此外，在實際工程中，擋塊的尺寸不宜過小。對此新型抗震擋塊，其承載力計算如下：

圖5　斜剪擋塊計算圖示

圖6　新型滑移擋塊

式中，pv為剪切鋼筋率；Ac為擋塊底面積；fvf為剪切鋼筋的極限強度。

該公式引入了混凝土粘聚力修正項來表征接觸面的粗糙程度及其對剪切強度的影響，可大大拓寬滑移剛體模型的適用范圍，且計算精確，形式簡單，便于工程設(shè)計。

4　結(jié)論

地震作用下，橫向擋塊作為限位裝置，在設(shè)計時既要有足夠強度來抵擋上部結(jié)構(gòu)的碰撞，并限制其位移，防止落梁。但若設(shè)計得過于強大，則可能傳遞更大地震力到下部結(jié)構(gòu)，會進一步擴大下部結(jié)構(gòu)的破壞。論文通過對國外試驗研究成果進行闡述，從力學性能上介紹了擋塊的強度預(yù)測。然后針對國內(nèi)擋塊實際工程，介紹了普遍使用強度預(yù)測方法及一種新型抗震擋塊，該新型擋塊預(yù)測模型計算精確，形式簡單，便于工程設(shè)計。

［1］ 莊衛(wèi)林，陳樂生.汶川地震公路震害分析［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［2］American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic BridgeDesign［S］.Washington，DC，USA：AASHTO，2011.

［3］ DivisionofstructuresofCALTRANS.SeismicDesignCriteria：v1.6［S］.California：Caltrans，2010.

［4］Eurocode 8-design of structures for earthquake resistance-Part2：Bridges［S］.BSEN1998-2：2005.

［5］ 貢金鑫，張勤，王雪婷.從汶川地震中橋梁震害看現(xiàn)行國內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計方法［J］.公路交通科技，2010，27（10）：35－46.

［6］Megally S.H，Silva P F，Seible F.Seismic response of sacrificial shear keys in bridge abutments［R］.Structural SystemsResearchRep.UniversityofCaliforniaSanDiego，La Jolla，California，2001.

［7］ 徐略勤，李建中.基于修正滑移剛體模型的擋塊抗震強度預(yù)測及其應(yīng)用［J］.振動與沖擊，2014，33（17）：55-61.

［8］ 徐略勤，李建中.新型滑移擋塊的設(shè)計、試驗及防震效果研究［J］.工程力學，2016，33（2）：111-118.

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