地震高烈度地区桥梁结构防落梁系统数值化分析

林 莉，何 必

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017）

1 概述

最近20余年的震害表明，随着人口向城市大量聚集和经济的高速发展，现代化城市对交通线的依赖性越来越强，一旦发生地震导致交通线遭到破坏，造成的生命财产以及间接损失也将会越来越大[1]。

由于工程场地可能遭受地震的不确定性，以及人们对桥梁结构地震破坏机理的认识尚不全面，因此，桥梁抗震实际上还不能完全依靠定量的计算方法。实际上，历次大地震的震害表明，一些从震害经验中总结出来的以及经过基本力学概念启示得到的构造措施被证明可以有效地减轻桥梁的震害。

黄小国等[2]认为对于连续梁桥应采用墩梁连接的限位装置模式来设计防落梁装置，而采用连梁装置是不能防止落梁的发生。李雪红等[3]研发了一种具有耗能、限位双重作用的新型防落梁装置，新型耗能防落梁装置滞回曲线形状饱满，有很好的耗能能力。设置该装置能有效降低桥梁的地震响应，其中墩（台）梁相对位移减小60%左右，非过渡墩墩底剪力减小40%左右。燕斌等[4]提出一种防落梁装置，与铅芯橡胶支座并联设置，在正常运营及设计地震作用下不发挥作用，仅在罕遇地震作用下限制主梁与桥梁墩台间的相对位移，避免因支座破坏而引起的落梁震害。

2 防落梁（限位装置）理论

在历次破坏性地震中，由于连接构造的设计缺陷引起的落梁震害极为常见。实际上，在随机发生的地震作用下，桥梁的梁、墩之间相对位移是很难准确预测的，因此要避免震害落梁比较困难。在实际抗震设计中，世界各国普遍采用构造措施防止落梁震害，包括两个方面：①限制支承连接部位的支承面最小宽度；②在相邻梁之间安装纵向约束装置[1]。前者可通过增加盖梁或台帽宽度来实现，属于多道设防的最后一道防线，后者则是本文的重点研究内容。

使用横向和纵向限位装置可以实现桥梁结构的内力反应和位移反应之间的协调。一般来讲，限位装置的间隙小，内力反应大，而位移反应小；相反的若限位装置的间隙大，则内力反应小，但位移反应大。横向和纵向限位装置的使用应使内力反应和位移反应之间达到某种平衡。另外，桥轴方向的限位装置移动能力应与支承部分的相适应。

防止落梁构造是在上、下部结构上设置的连梁装置或是突起构造，其作用是在超预期地震作用下将上、下部结构的相对变位限制在搭接长度内，在支座和下部结构可能受损，上下部结构的相对位移未达到搭接长度限值时起作用。防止落梁构造一般设置缓冲材料以缓和地震时的冲击，留有余裕空间以免损坏支座及其他防落梁装置。桥梁限位装置如图1所示。

图1 桥梁限位装置

3 桥址区地质地震评价

G7611线西昌至香格里拉（四川境）高速公路西昌支线是四川省18个地级城市绕城环线中的第5个，即西昌环线。本文研究的桥梁是该线路中较为典型的常规结构。

根据对近场区范围内自公元前780年有地震记载以来的历史地震统计结果，近场区25 km范围内共计发生3.0级以上地震48次，其中超过4.7级的破坏性地震17次，4.7～4.9级地震3次，5.0～5.9级地震6次，6.0～6.9级地震5次，7.0～7.9级地震3次，地震活动频率高，最大地震是1536年3月19日西昌新华7.5级地震和1850年9月12日西昌、普格间7.5级地震，发震构造分别为安宁河东支断裂和则木河断裂。

工程区所在区域地质构造上地处典型活动构造体系之青、藏、滇、缅、印尼“歹”字形构造体系中部的川滇菱形活动块体东南边界附近，具体位于中国西部著名的“Y”字形构造带南段安宁河-则木河断裂带上，该断裂带为川滇地块边界断裂，其在晚第四纪直至全新世仍有强烈的活动，中、强地震发育，区域断裂构造十分发育，以南向北最为发育，北东向次之，北西向较少，总体构造格架主要受南北向川滇构造带控制。

桥址区工程场地内地表未发现全新世活动断裂构造直接通过，拟建桥梁轴线以西最近约1.35 km的沙马窝布断层（F6）为早中更新世活动断裂，拟建桥梁以东最近约25 m的石安村断裂（F7）为中更新世活动断裂。桥址区基本地震动峰值加速度为0.30g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.45 s，相应的基本地震烈度为Ⅷ度。

桥位区地处强震区，地震时可能诱发中部冲沟泥石流灾害，工程场地属于抗震危险地段，桥位区所处的地质构造单元内新构造运动强烈，区域构造稳定性差。综上工程地质条件分析得出，拟建桥梁桥位区场地稳定性差，需采取适宜工程措施后方可修建桥梁。

4 计算实例

4.1 桥型布置

桥梁采用5 m×30 m预应力混凝土简支T梁，桥面连续；下部结构采用柱式墩，墩台采用桩基础。桥型布置和桥梁断面分别如图2、图3所示。T梁梁高2.0 m、采用C50混凝土，0#、5#桥台桩径1.8 m，1#、4#桥墩柱径1.8m，桩径2 m；2#、3#桥墩柱径2.0 m，桩径2.2 m；1#～4#桥墩墩高分别为7.5 m、20.2 m、19.6 m、9.3 m，采用C35混凝土，0#～5#墩台桩长分别为25 m、25 m、30 m、30 m、25 m、25 m，采用C30水下混凝土。桥梁墩台支座均采用GBZJ400 mm×450 mm×114 mm板式橡胶支座。

图2 桥型布置

图3 桥梁断面

4.2 计算过程

（1）上部结构、铺装、护栏合计重量M如表1所示。

表1 上部结构、铺装、护栏合计重量M

（2）支座总纵桥向抗推刚度kb计算如下。

（3）桥墩抗推刚度k1如表2所示。

表2 桥墩抗推刚度k1

（4）桥墩和支座组合抗推刚度ks计算如式（2）所示。

（5）限位装置作用的等效周期T计算如式（3）所示。

（6）水平设计加速度反应谱最大值Smax计算如下。本桥桥梁抗震设防分类为B类[5]。抗震设防目标为在E1地震作用下，B类桥梁在弹性范围工作，结构强度和刚度基本保持不变。在E2地震作用下，B类桥梁要求不倒塌，且结构强度不能出现大幅降低，对于钢筋混凝土桥梁墩柱，其抗弯承载能力降低幅度不应超过20%。桥梁抗震重要性系数Ci=1.7。水平向场地系数Cs=1.00。结构的阻尼比取0.05。阻尼调整系数水平向设计基本地震动峰值加速度峰值A=0.3g。

（7）限位装置设计过程如下。

假设发生地震时，偏安全的假设支座完全失效，全部依靠限位装置抵抗地震位移。假定桥墩在地震作用下的相对位移Dt1=0.0312 m，限位装置的抗拉刚度kr1=204 000 kN/m，限位装置的不工作间隙Gr=0，等效限位装置刚度krej=204 000 kN/m，考虑限位装置作用时，结构等效抗推刚度kpj=194.64 kN/m，考虑限位装置作用的等效周期Ti=866.95 s，相应于等效周期T水平方向等效加速度反应谱值Si=0.000 89，计算得桥墩在地震作用下的相对位移。

（8）桥墩容许位移计算如下。

取最高墩2#墩进行计算，墩高20.2 m，墩径2.0 m，主筋采用HRB400钢筋，直径32 mm，其等效塑性铰长度为LP=min(LP1，LP2)。

截面等效屈服曲率如式（9）所示。

截面极限曲率如式（10）所示。

桥墩容许位移如式（11）所示。

（9）最小限位装置设置数量计算如下。

由以上计算，当桥墩所有支座处均设置限位装置时，桥墩在地震作用下的相对位移Dsi=10.6 cm，小于双柱墩容许位移Δu=24.47 cm，限位装置有效。

经计算，限位装置所需最小截面积A=0.0811 m2，单个限位装置截面积为0.0016 m2，由此可得最小限位装置设置数量为0.0811/0.0016=50.7个，该桥梁设置60个，满足要求。因此，可根据工程预算适当减少限位装置数量，以节省造价。

5 结语

我国处于世界两大地震带——环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是一个强震多发的国家。我国地震的特点是发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡大、灾害严重。桥梁结构地震反应越强烈，就越容易发生落梁等严重破坏现象，构造措施就越重要，因此处于地震高烈度区的桥梁结构需特别重视构造措施的使用。

本文以一种较为简便的方法得到限位装置的设置数量，但计算方法基于支座完全失效的假设，偏于安全也偏于保守，实际工程中可参照取用。