劉 洋

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢430063）

0 引 言

我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震斷裂帶活躍，其中四成以上的國土位于地震烈度7 度及以上地區(qū)[1]。隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)不可避免地會跨越高地震烈度區(qū)，甚至是活動斷裂帶。高地震烈度區(qū)的橋梁（特別是簡支梁橋）在瞬時強震作用下，上構(gòu)和下構(gòu)之間將產(chǎn)生極大的相對位移，若兩者的相對位移量超過防落梁限位裝置的極限或上、下構(gòu)間的防落梁搭接長度，就會造成落梁。

1976 年唐山地震中，震區(qū)橋梁遭到嚴重破壞，其中約18 座橋梁發(fā)生了落梁震害[2]；2008 年汶川地震中，多座橋梁發(fā)生了落梁，其中百花大橋、高樹大橋等橋梁因一孔落梁導(dǎo)致了全聯(lián)倒塌[3]；2021 年青海地震造成野馬灘大橋和野馬灘2 號大橋兩座橋梁發(fā)生落梁坍塌。歷次地震災(zāi)害表明落梁已成為地震發(fā)生時最常見和最嚴重的橋梁破壞形式之一。落梁不僅會造成主梁損壞，還有可能因主梁墜落撞擊橋墩而引起橋梁整體坍塌。除此之外，落梁還會導(dǎo)致交通生命線中斷，救援通道被阻隔，直接阻礙抗震救災(zāi)行動的進行，且發(fā)生落梁震害后橋梁修復(fù)極其困難。因此，如何對橋梁結(jié)構(gòu)進行專門的防落梁設(shè)計，使橋梁在強震時中不發(fā)生落梁顯得尤為重要。

1 工程概況

三清高速公路起于曲靖三寶，止于昆明清水，近場區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，有小江斷裂、萬壽山斷裂等多條活動斷裂。其中小江斷裂是一條全新世活動斷裂，新構(gòu)造時期以來十分活躍，該斷裂帶以左旋運動為主，兼有少量垂直運動。因地形和線位原因，三清高速在王家村附近跨越小江斷裂東支，橋位處場地50 a 超越概率10%水平地震動峰值加速度0.5g，8.0 級地震時水平位錯5.73 m，垂直位錯3.37 m。

道路區(qū)域內(nèi)存在活動斷裂時一般采取避讓或以路基方式穿越，因此在國內(nèi)外已建或在建工程中都很難找到采用橋梁方式跨越活動斷裂帶的實例。因此，本工程在對橋跨布置進行了反復(fù)研究后，最終確定了在小江斷裂帶較窄處采用大角度一孔跨越斷裂帶的方案?？缭綌嗔烟帢蛄簽?×90 m 簡支組合梁，墩高47.7 m/49 m，組合梁橋型布置見圖1。橋位處橋梁與斷裂帶夾角約為90°，斷裂帶寬36 m，橋墩承臺邊緣距斷裂帶的安全距離大于16 m。除本聯(lián)組合梁外，兩側(cè)引橋均采用40 m 跨簡支混凝土梁。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

本聯(lián)組合梁為雙箱等高結(jié)構(gòu)，梁高4.5 m，橋面全寬16.55 m，箱室寬4.0 m，箱室凈距3.85 m，懸臂長2.35 m，組合梁標準橫斷面見圖2。

圖2 標準橫斷面圖（單位：mm）

2 三級防落梁系統(tǒng)

地震具有極大的隨機性和不確定性，難以定量計算。根據(jù)經(jīng)驗[4]，在計算的基礎(chǔ)上結(jié)合橋梁落梁原因，合理地進行橋梁防落梁構(gòu)造設(shè)計往往更加有效。由于本工程橋位處的地震烈度高，水平向和垂直向位錯大，為了避免強震時簡支組合梁橋發(fā)生落梁，在進行抗震計算分析的基礎(chǔ)上，本文對該橋進行了跨斷裂帶簡支梁橋的三級防落梁系統(tǒng)設(shè)計。三級防落梁系統(tǒng)構(gòu)成見圖3。

圖3 三級防落梁系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 一級：支座系統(tǒng)

支座是連接橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的一種重要傳力構(gòu)件，能夠有效地傳遞和調(diào)節(jié)上、下構(gòu)所承受的荷載和變形，且在地震荷載作用下具有減震、隔震作用。當(dāng)上、下構(gòu)的相對位移超過支座允許位移量時，限位裝置才會發(fā)揮作用，因此防落梁系統(tǒng)首先需要確定合適的支座系統(tǒng)。

在選擇跨斷裂帶橋梁的支座類型時，應(yīng)將橋梁看作一個整體綜合考慮。支座除了應(yīng)具有足夠的豎向剛度和一定的變形能力外，還需具有一定的減震或隔震能力。摩擦擺支座特有的弧形滑動面能將上、下部結(jié)構(gòu)隔離，并且能通過滑動界面的滑動摩擦消耗地震能量，實現(xiàn)支座的減震功能。此外，摩擦擺支座還能通過擺動來延長下部結(jié)構(gòu)的振動周期，以便錯開地震波的周期進而來減小地震作用引起的放大效應(yīng)，實現(xiàn)支座的隔震功能。因此，結(jié)合本項目跨越活動斷裂帶的實際情況，支座系統(tǒng)選用摩擦擺支座。

2.2 二級：限位裝置

當(dāng)強震作用所造成的橋梁上、下構(gòu)間的相對位移超過支座允許位移量時，就需要采用限位裝置來限制橋梁的相對位移。限位裝置主要有擋塊式、螺栓連接式、鋼夾板連接式、錨桿式、預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接式等。為限制組合梁縱橋向、橫橋向和豎向的相對位移，本系統(tǒng)分別設(shè)置了縱向限位裝置、橫向限位裝置和豎向限位裝置。

縱向限位裝置：為防止地震時斷裂帶的順橋向位錯和兩側(cè)橋墩的不同相運動而導(dǎo)致縱向落梁，主梁需設(shè)置縱向限位裝置?？v向限位裝置主要有梁- 梁連接裝置、梁- 墩（臺）連接裝置和縱向擋塊等三種。本聯(lián)梁為1×90 m 簡支組合梁，相鄰聯(lián)為40 m 跨簡支混凝土梁，由于兩者的結(jié)構(gòu)形式、梁高等差別較大，地震時兩者的固有周期和相位不同，不宜采用梁-梁連接裝置。另外過渡墩和梁端附近亦無合適位置設(shè)置縱向擋塊。因此，本系統(tǒng)縱向限位裝置最終選用防落梁緩沖鏈，通過在主梁和過渡墩蓋梁間設(shè)置柔性連接裝置來減小主梁和橋墩間的相對位移，進而防止主梁脫落。此外，還需要在過渡墩L 型蓋梁高側(cè)粘貼30 mm 厚橡膠條，橫橋向位置與組合梁腹板位置對齊，以緩沖地震時組合梁與L 型蓋梁可能產(chǎn)生的撞擊。防落梁緩沖鏈構(gòu)造見圖4。

圖4 防落梁緩沖鏈構(gòu)造圖

橫向限位裝置：橫向限位裝置多采用構(gòu)造簡單，防落梁效果好的橫向擋塊，一般有混凝土擋塊和鋼擋塊兩種。擋塊設(shè)置時需著重考慮其剛度匹配問題[5]：若擋塊剛度過大，主梁將地震荷載產(chǎn)生的慣性力全部傳遞給橋墩，橋墩難以承受，猛烈的撞擊會損壞主梁或橋墩；若擋塊剛度過小，則難以起到橫向限位的作用。本系統(tǒng)橫向限位裝置主要由兩道橫向擋塊組成，擋塊布置見圖5。第一道橫向擋塊為擋塊1，擋塊1 位于兩支座墊石之間。第二道橫向擋塊由擋塊2 和擋塊3 組成，其中擋塊2 位于組合梁箱室外側(cè)，擋塊3 錨固于蓋梁上。擋塊與墊石間、擋塊與擋塊間均設(shè)置30 mm 厚橡膠條，能夠緩沖地震荷載下的撞擊力，并消耗部分地震能量。

圖5 擋塊布置圖

豎向限位裝置：高地震烈度區(qū)，特別是跨斷裂帶橋梁，為防止豎向位錯和豎向地震作用力引起的落梁，需要設(shè)置豎向限位裝置。本系統(tǒng)的豎向限位裝置由擋塊2 和擋塊3 組成，擋塊2 和3 間亦需粘貼30 mm 厚橡膠條，擋塊3 錨固于蓋梁上需具有足夠的抗拔能力。

2.3 三級：防落梁長度系統(tǒng)

防落梁長度系統(tǒng)由足夠的主梁擱置長度和防落梁鋼托架兩部分組成。主梁的擱置長度是指在超預(yù)期地震作用下，假定未設(shè)置限位裝置，為防止主梁從下構(gòu)頂部脫落而需要確保的主梁梁端到下構(gòu)邊緣的距離。《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[6]中對擱置長度做了如下規(guī)定：主梁擱置長度的最小值a（cm）應(yīng)按式（1）計算，且不小于60 cm。

式中：L為一聯(lián)橋梁的總長度，m；H為一聯(lián)橋梁的橋墩平均高，m；Lk為一聯(lián)橋梁的最大單孔跨徑，m。

通過計算得到本橋分聯(lián)墩擱置長度的最小值：

a≥50+0.1×90+0.8×48.4+0.5×90≈143 cm。

本聯(lián)組合梁除了滿足主梁擱置長度的要求外，還在過渡墩墩頂蓋梁的近斷裂帶側(cè)設(shè)置了防落梁鋼托架，進一步增加了主梁與橋墩的搭接長度。蓋梁鋼托架布置見圖6。鋼托架的縱橋向尺寸需大于斷裂帶順橋向位錯量。同時，還需在鋼托架頂設(shè)置橡膠墊塊，避免主梁在超預(yù)期地震下從墊石上脫落時撞擊蓋梁和鋼托架。此外，橡膠墊塊厚度應(yīng)與支座墊石厚度相同，橫橋向位置應(yīng)與支座墊石對齊。

圖6 防落梁鋼托架布置圖

3 結(jié) 語

跨斷裂帶簡支梁橋的橋位處地震烈度高，且斷裂帶兩側(cè)存在水平向和垂直向相對運動，落梁風(fēng)險極高。因此跨斷裂帶橋梁設(shè)計時，必須要在充分進行橋梁抗震分析的基礎(chǔ)上進行防落梁設(shè)計。本文結(jié)合王家村特大橋提出了跨斷裂帶簡支梁橋的三級防落梁系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由三部分組成：一級為支座系統(tǒng)；二級為限位裝置系統(tǒng)，包括縱向、橫向和豎向限制裝置；三級為防落梁長度系統(tǒng)，包括足夠的主梁擱置長度和防落梁鋼托架。本系統(tǒng)綜合考慮了跨斷裂帶橋梁的多種落梁原因，采取了“三級設(shè)防”的策略來防止主梁墜落，措施簡單有效，可為高烈度區(qū)，尤其是跨斷裂帶簡支梁橋的防落梁設(shè)計提供借鑒和參考。