桥梁抗震挡块研究进展

张 凌

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院, 四川 成都 610000)

桥梁抗震挡块研究进展

张 凌

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院, 四川 成都 610000)

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，以期为今后国内桥梁抗震挡块设置提供参考。

桥梁；抗震；挡块研究

0 前言

通过对前人的桥梁震害调研结果总结分析发现，地震过程中公路桥梁遭到严重破坏，而挡块破坏更为普遍、更为严重。主要表现为： 剪裂、剪断、撞裂、撞断、撞碎等。其中，曲线桥较直线桥破损严重，斜交桥比正交桥破损严重，伸缩缝位置处抗震挡块较非伸缩缝位置抗震挡块破损严重。尽管，从保护下部结构的角度讲，桥梁挡块破坏对于减小桥墩及基础的地震损伤是有利的，但若挡块设计得过弱，则在地震作用下破坏而使得梁体发生较大移位，加上梁格间整体性能差则可能引起横向落梁，也给震后的修复和加固带来很大不便，而挡块设计的刚度过大，又会导致下部结构承受弯矩和剪力过大，增大下部构件遭受二次震害的风险。所以挡块设计问题值得深入思考。

1 滑移挡块作用机理

挡桥梁防震挡块的设置，其作用机制可概括为限制上部结构与墩台顶的相对位移，以防止上部结构产生过大的位移或落梁。挡块的防震效果不仅与挡块的强度相关，而且与挡块的类型、刚度、挡块与梁体的间隙等存在密切的关系。设置不同刚度的挡块时，挡块刚度减小，挡块抗力峰值减小，且挡块与上部结构相互作用的时间也增大，即冲击力减小。如在普通的混凝土挡块内侧加垫橡胶挡块，其防震效果会得到明显改善，从橡胶挡块与混凝土挡块的隔震响应上考虑，由于橡胶挡块初始刚度较低，起到了一定的缓冲作用，橡胶挡块的内力和设有橡胶挡块的墩台所承担的惯性力同混凝土挡块相比显著降低，但其对上部结构与墩台顶相对位移的约束也有所减弱，对抗震不利。

2 国外规范中的挡块设计方法

2.1 AASHTO 抗震规范

AASHTO 抗震规范把挡块分为外部挡块和内部挡块2 种。内部挡块的刚度、间隙等不同因素导致每个挡块承受荷载也不尽相同，但由于它不易检查和修复，因此基本不提倡应用内部挡块而采用外部挡块。挡块的最低要求是在多遇地震事件中依然保持弹性，在设计地震作用下设计为牺牲性挡块。

2.1.1 桥台处挡块： 为了保护桩基，通常将挡块设计成牺牲性挡块，并应当考虑由此引起的内力重分布效应。

2.1.2 墩柱上挡块： 由于桩柱超强弯矩影响墩柱上的挡块轴力和剪力并，且应同时需要考虑倾覆弯矩的影响，所以挡块中的配筋应尽可能地布置在临近墩柱中心线处，进而把集中力矩减至最小。

2.1.3 钢构件的挡块： 对于上下部结构为弹性，支座和挡块为牺牲性的钢构件，应考虑其超强能力，并且其最小的横向设计荷载应采用0. 4g 加速度乘以上部结构质量与弹性抗力的较小值。2.2 Caltrans 抗震设计规范

Caltrans 抗震设计规范通过挡块的设计和构造措施来控制桥台处地震力的传递，通常线性分析不能正确反映挡块的地震响应，故座式桥台不能通过弹性设计来满足最大可信地震作用下的需求，也不能用获取的弹性荷载来评估桥台挡块，这就很难考虑地震力对挡块的需求。

3 延性减震挡块的研究

3.1 牺牲性挡块

有研究将挡块分为 4 种模型进行分析和试验研究，按高厚比挡块分为： 滑动剪切摩擦型( α ＜ 0． 5) ，压- 拉杆型( 0． 5 ＜ α ＜ 1． 0) ，弯曲梁型( α＞ 1． 0) ，而第 4 种为基于混凝土开裂强度的分析模型。对内部牺牲性挡块的试验研究和模型分析发现：

3.1.1 挡块的实际能力主要受混凝土的开裂强度影响;

3.1.2 当施加的荷载达到极值时，挡块的强度和刚度并没有大幅度降低，其退化值在一定程度上取决于柱的刚度，说明挡块破坏后不能为上部结构提供额外横向支承的假设是保守的;

3.1.3 弯梁型挡块具有良好的弯曲性能，而剪切摩擦型挡块在设计中通常扮演保险丝的角色。对外部牺牲性挡块的研究发现：桥台上单个外部挡块所能承受的最大荷载应该根据压—拉杆模型来估计; 弯梁型挡块具有较高的延性和很好的耗能性能，只在挡块与桥台交界面的一个小区域内破坏; 建议在桥台前墙与挡块之间设置冷施工缝，并在桥台前墙后张预应力，这种构造的牺牲性挡块可作为结构的保险丝，且震后容易修复。

3.2 橡胶减震挡块

某机构设计了“钉型”和“碗型”两种新型橡胶减震挡块，其实现方法是将其粘在原钢筋混凝土挡块上，该橡胶减震挡块面向梁体的一侧顶部为向外凸的钉状或者向内凹的碗状，背向梁体一侧的底部为平面状，这种结构减少了橡胶减震挡块与梁体的接触面积，增加了变形能力，使地震引起的墩帽水平振动对梁体撞击力成为软撞击，并被挡块吸收和耗散掉，大大减小了撞击力。通过对这两种新型挡块的撞击试验和压缩滞回性能试验，提出了恢复力模型和刚度取值，并通过分析验证新型挡块的减震效果。值得一提的是，将该项技术以及高墩和非规则桥梁抗震设计技术应用于四川多座桥梁，这些桥梁在2008 年的汶川大地震中完好无损。

3.3 新型延性挡块

有研究机构在普通混凝土挡块的基础上，将部分竖向钢筋在挡块中部截断，形成人为薄弱层，在挡块顶部设计一个面向主梁侧的外突起，并在突起部位安放缓冲橡胶。地震时挡块的上部会先与主梁发生碰撞，当撞击力超出挡块薄弱层的最大抗剪能力时，挡块在薄弱层处发生剪切滑移破坏，随后薄弱层以下的挡块继续与主梁发生碰撞作用，最终起到防止落梁的作用。与普通挡块在相同条件下分析表明，在不显著增大桥墩的地震需求时，该抗震挡块可以有效地降低最大撞击力，减小桥梁因横向碰撞破坏和落梁的危险。

基于能量耗散理论及地震动力响应分析，提出滑移挡块的概念，通过研究滑移挡块的作用机理，发现滑移挡块在地震荷载下依靠其滑移产生摩擦阻力而消耗一部分地震能量，不会将巨大地震碰撞力传递到下部结构; 同时该挡块将桥梁破损程度控制在一定范围内，能量大部分由挡块承担，使得桥梁主体结构的破坏均在可接受范围。为了防止梁体横向落梁，有学者研发了三种双层抗震挡块，其组成形式、安装方法和抗震机理见表1所示。

表1 双层抗震挡块

4 结束语

挡块作为桥梁横向支承的主要构件，在地震中的横向限位作用至关重要; 但若设计得过于强大，则可能使地震力直接传递到下部结构，而且挡块与梁体间碰撞产生的巨大冲击力可能会进一步扩大破坏。因此，对挡块的合理设计与施工方法，以及梁体与挡块间缓冲装置和延性减震挡块的研究具有深远的意义。美国、新西兰等国对伸缩装置和防落梁措施( 如挡块) 的设计方法已有比较系统的规定，国内桥梁工作者对挡块的认识还处于感性认识阶段，并存有很大的盲区，迫切需要通过完善相关规范来指导设计和施工。

[1]石岩,秦洪果. 地震下城市高架桥横向偏心碰撞响应与防撞效果分析[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2011(04)

[2]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(二)——抗震设计与构造[J]. 公路交通科技. 2010(10)

U45

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1007-6344（2017）09-0024-01

张凌（1985-）男，汉族,工程师，主要从事桥梁设计工作。