桥梁抗震挡块设计研究

杨鹏

桥梁抗震挡块设计研究

杨鹏

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃兰州730030）

挡块作为桥梁重要的横向限位装置，在地震过程中，可有效限制上部结构位移，防止落梁的发生，但上部结构与挡块间的碰撞也会增加传至下部结构的作用力，增大下部结构的损伤。论文首先介绍了各国规范中对挡块的设计要求，针对规范中挡块设计规定欠缺的情况，论文进一步介绍了国内外关于挡块试验研究进展，总结了试验类型及力学模型，为实际工程设计提供参考。

桥梁抗震；挡块；力学模型；试验研究

1　概述

中、小跨径梁桥中，常在盖梁和台帽的两侧设置钢筋混凝土挡块，用于限制地震作用下主梁在的侧向位移。但国内外对于挡块的设计并没有足够重视，通常是作为一种构造的形式进行处理，以至于在地震中并没有起到理想的作用。2008年汶川地震中，多达5560座公路桥梁遭到毁坏，其中最明显的震害之一是大量挡块发生斜截面脆性剪切破坏，简支梁桥中挡块破坏数量多达720组［1］。

鉴于挡块在桥梁抗震中的重要性及我国抗震设计规范对其设计规定的欠缺，论文对近年来国内外关于挡块的较全面的试验研究进行了阐述，总结了试验类型及力学模型，研究成果可供实际工程设计参考。

2　规范中挡块设计

1）美国AASHTO规范［2］。AASHTO规范要求挡块在设计地震作用下作为牺牲性单元，而在多遇地震地震下保持弹性。规定挡块超强能力：

Vok=2Vn（1）式中：Vok为用于保护相邻构件时的挡块超强能力；Vn为挡块名义抗剪能力，按相关规范计算。

同时，AASHTO规范还对桥台处挡块、墩柱上挡块、非整体性挡块和钢构件的挡块等不同部位挡块的设计做了规定。

2）美国加州规范［3］。对于座式桥台挡块的能力取0.75×ΣVpile和0.3×pdlsup的较小值，其中ΣVpile为桩的横向能力之和，pdlsup为桥台的轴向恒荷载效应，当采用扩大基础时，则为0.3pdlsup。

3）欧洲规范［4］。欧洲规范规定：挡块一类的抗震连接件，在非地震荷载作用下，连接件应允许结构的位移而不传递荷载，在地震作用下，连接件起作用，作为力传递路径将荷载传至下部结构，此时连接件应正确模拟，最少采用等效线性力-位移关系来处理。

4）新西兰规范。新西兰规范中没有专门对挡块设计计算进行规定，而是对横向连接措施进行了说明。为了防止强震作用下墩梁发生过大的相对位移，要求在桥跨与支座之间提供可靠的连接系统，包括挡块、连接螺栓以及专门设计的支座，其中“紧”连接系统保证使用荷载和地震荷载作用下要求无相对横向位移，“松”连接系统的设计强度不应小于设计地震荷载，并设置橡胶缓冲垫，具体根据设计要求选用。同时连接系统应为延性构件，在较大的相对位移下不会断裂［5］。

由上述可知，除美国规范外，其他规范一般只对挡块设计提出了设计建议，而没有给出挡块设计计算方法。然而桥梁挡块在地震中对上部结构有很好的限制作用，减少了落梁的可能性，一些延性挡块还可以耗散部分地震能量，减轻结构损伤。因此，国内外学者对挡块进行了大量试验研究。

3　桥梁挡块设计方法

3.1国外试验研究

对挡块较早进行且较系统研究的是Megally团队，项目在加州交通局的资助下进行了大量试验研究［6］。Megally等在试验前确定了3目标：其一，确定挡块承载能力，作为牺牲构件，在限制上部结构位移的同时，又不能太强，否则会增大下部结构荷载，引起损伤；其二，确定其达到峰值荷载前后的滞回性能，以提供一定耗能作用；其三，对挡块进行细部设计，确保挡块损伤位置易于检查和修复。根据试验模型破坏特征及试验结果，Megally等根据不同破坏形式提出了三种计算模型。

1）剪切摩擦模型。这一计算模型适合于挡块与根部（盖梁或桥台根墙）形成剪切破坏面，如图1所示，其承载力由该剪切面的摩擦力决定，计算式如下：

VN=μ（Avfyf+Avs+fys）（2）式中：μ为接触面摩擦系数，取1.4λ，当为整体浇筑时λ为1.0；Avf和fvf分别为剪切面处竖向抗剪钢筋面积和屈服强度；Avs和fvf分别为伸入根部的竖向受拉钢筋面积和屈服强度。

图1　剪切摩擦破坏模式

2）斜剪破坏计算模型。试验破坏一般均为斜剪破坏形式，由挡块与根部首先形成裂缝，并逐渐延伸至根部底面，如图2所示，其承载力计算如式：

式中，VC和VS分别为混凝土和钢筋的抗剪强度；是根部的高度；h为根部的宽度；b为混凝土受压强度；fc1是由根部顶面受拉钢筋计算的拉力，如图2中所示；T2=AS，2fy，s是由通过破坏面的第一排钢筋计算得到。

图2　斜剪破坏模式

3）弯矩-曲率计算模型。对于弯曲破坏型挡块，如图3所示，其承载力应通过截面力平衡进行分析，计算式如下：

截面应力-应变关系如图4所示，ΣCC为受压区混凝土所受压力；ΣC′S为受压区钢筋所受压力ΣTS；为受拉区钢筋所受拉力。

图3　弯曲破坏模式

图4　弯曲破坏模式下截面应力、应变图示

3.2国内试验研究

国内挡块没有专门的设计，且实际工程中的挡块与国外挡块的结构不一致，借鉴国外研究成果，同济大学的徐略勤通过试验［7，8］，如图5所示，提出适合国内工程实际的挡块强度预测公式，如下式：

式中，b为挡块的厚度；w挡块的宽度；a为加载点距底座顶面的高度；s为水平构造筋的间距；At和fyt分别为水平拉筋总面积及屈服强度；Av和fyv分别为剪切钢筋总面积及屈服强度；As和fys分别为穿过开裂面的单根水平分布筋的截面积及屈服强度。

由于斜剪破坏为脆性破坏，不利于抗震。为此，徐略勤等基于限制挡块破坏范围和提高挡块塑性变形能力的目标，提出了一种新型挡块（如图6所示）：在挡块与盖梁/台帽间设置光滑的干施工缝，形成剪切薄弱面。挡块的构造钢筋不可伸入盖梁/台帽，即不参与受剪；剪切钢筋单独布置为一排，且尽量靠近挡块的内侧面，以保证水平拉筋充分发展强度；剪切钢筋伸入盖梁/台帽后须满足最小锚固长度要求。盖梁/台帽上表面布置一层数量足够的水平拉筋，且延伸至盖梁/台帽的端部，并采用90o的长弯钩，以避免盖梁/台帽的开裂受损。此外，在实际工程中，挡块的尺寸不宜过小。对此新型抗震挡块，其承载力计算如下：

图5　斜剪挡块计算图示

图6　新型滑移挡块

式中，pv为剪切钢筋率；Ac为挡块底面积；fvf为剪切钢筋的极限强度。

该公式引入了混凝土粘聚力修正项来表征接触面的粗糙程度及其对剪切强度的影响，可大大拓宽滑移刚体模型的适用范围，且计算精确，形式简单，便于工程设计。

4　结论

地震作用下，横向挡块作为限位装置，在设计时既要有足够强度来抵挡上部结构的碰撞，并限制其位移，防止落梁。但若设计得过于强大，则可能传递更大地震力到下部结构，会进一步扩大下部结构的破坏。论文通过对国外试验研究成果进行阐述，从力学性能上介绍了挡块的强度预测。然后针对国内挡块实际工程，介绍了普遍使用强度预测方法及一种新型抗震挡块，该新型挡块预测模型计算精确，形式简单，便于工程设计。

［1］ 庄卫林，陈乐生.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］ 贡金鑫，张勤，王雪婷.从汶川地震中桥梁震害看现行国内外桥梁抗震设计方法［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.基于修正滑移刚体模型的挡块抗震强度预测及其应用［J］.振动与冲击，2014，33（17）：55-61.

［8］ 徐略勤，李建中.新型滑移挡块的设计、试验及防震效果研究［J］.工程力学，2016，33（2）：111-118.

U442.5+5