基于预制梁桥防落梁措施的研究探讨

梅　宇，王彦军

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北　武汉 430073；2.中交第三航务工程局有限公司，江苏　南京 210000）

0　引言

在已有的防落梁技术中，防落梁装置与梁体的连接，大多需要在梁板底部预埋连接件或预制牛腿，这一特征适用于模板可调整的现浇箱梁，而对于工厂预制、标准化批量生产的预制梁桥则带来了不便。此外，部分已有的防落梁装置对梁体的约束力较大，一定程度的影响了梁体在正常使用状态下的伸缩变形。因此，结合预制梁桥的结构和施工特征，设计一种适用于预制梁桥且不影响梁体正常使用的纵向防落梁装置是十分必要的。

1　桥梁防落梁背景及技术要求

现行的桥梁抗震相关规范，已对桥梁的防落梁设计提出了明确的规定和要求，对地震基本烈度在8度及以上的区域，必须采用相应的梁墩限位措施，减少或避免发生落梁事故。

在结构抗震领域，我国对不同地域进行了地震区划，并根据区划等级采用相应的抗震设防标准。但由于地震的偶然性和不可预见性，地震的破坏力往往是难以准确预判的，为了尽可能将地震损伤降至最低，在现有的桥梁抗震理念当中通常会设置能力保护构件，通过能力保护构件集中释放地震能量，使得结构的地震反应成延性，避免结构的脆裂或崩塌。

在桥梁结构中，能力保护构件通常设置在墩柱的端部，允许这些部位出现塑性铰并承受一定的非弹性变形，形成一个塑性耗能机制，避免结构过早发生脆性破坏。而与这一理念相辅相成的就是防落梁措施，防止结构在能力保护构件失效之前，由于较大的位移而发生落梁事故。因此，防落梁措施是在抗震计算分析的基础上额外增加的抗震保护措施。防落梁措施并未直接提高桥梁结构的抗震能力，但与能力保护构件一同构建了结构的塑性耗能机制，可有效减轻地震损害。

2　现有防落梁技术

现有防落梁技术主要分为两种：连梁装置和限位装置。连梁装置主要用于限制相邻联端的相对位移，限位装置主要用于限制梁体与桥墩的相对位移。典型的连梁装置有预应力钢绞线连梁，典型的限位装置有挡块型限位、钢板连接式限位。

（1）预应力钢绞线连梁

预应力钢绞线连梁主要由预应力拉索、锚固装置及缓冲弹簧构成，索体可采用低松弛预应力钢绞线。其工作原理在于，通过将钢绞线连梁两端分别锚固在两片纵梁的端部，使得连梁可在纵梁的纵向间隙内伸缩，起到限制梁体位移和防落梁的作用。其结构见图1。

实践经验表明，预应力钢绞线连梁限位作用较好，锚固端的弹簧也可起到减震的作用，可有效防止地震落梁。但该装置构造比较复杂、施工不便且费用较高，且约束力较大，对梁体的正常伸缩变形具有一定的约束。

图1　预应力钢绞线连梁结构简图

（2）挡块型限位装置

挡块型限位装置，即在桥墩上设置挡块限制梁体与桥墩的相对位移。挡块类型根据限位方向可分为横向挡块和纵向挡块。

在目前的应用中，横向挡块无需对梁体额外增加结构件，可适用于各类桥梁。而纵向挡块需要在梁底增加卡位牛腿，使之与挡块共同形成限位装置。因此，纵向挡块装置在现浇砼桥梁或钢桥中是可行的，但其不太适用于预制梁桥，主要原因在于预制梁桥的梁底增加卡位牛腿具有一定难度，与施工工艺存在冲突。挡块装置示意见图2。

图2　挡块限位装置示意图

（3）钢板连接型限位装置

钢板连接型装置，即在桥墩与梁体之间设置钢板连接，通过钢板的转动来限梁体与桥墩的相对位移。钢板连接型装置结构比较简单，适用于大小跨径的桥梁，但其同样需要在梁底预埋连接件，给预制梁桥带来了一定的困难。同时，该限位装置在结构的减震耗能上的效果不佳。钢板连接型限位装置示意见图3。

图3　钢板连接型限位装置示意图

3　预制梁桥防落梁设计研究

3.1　预制梁桥防落梁设计特点分析

混凝土装配式预制梁桥在桥梁建设中的应用非常广泛，适用于中小跨度的桥梁，具有结构简单、施工方便、可批量生产预制的优点。目前，国内成熟的混凝土预制梁桥主要是预制小箱梁桥和预制T梁桥，这两种桥型大量应用在公路桥梁及城市高架桥梁中。预制小箱梁桥和T梁桥的上部结构，是通过一块块工厂预制的标准梁板横向联结而成，与整体现浇式箱梁相比，结构刚度和横向联结较弱，在地震多发区或高烈度地震区更容易受到地震力的冲击而发生落梁的现象，极易带来地震的二次损害，造成巨大损失。

对于预制梁桥的防落梁措施，很多实际已建桥梁工程只采用了横向挡块，该挡块位于桥墩或盖梁的两个端部，可以防止梁板从横向滑落，但无法防止梁板的纵向滑落。一旦结构发生较大的纵向位移，可能导致梁板脱离支座约束后发生纵向落梁现象。现有纵向防落梁技术不适合预制梁桥的施工工艺，可能是大多数预制梁桥未设置纵向防落梁措施的原因。现有的挡块型限位装置和钢板连接式限位装置，需要在梁板底部预埋连接件或预制牛腿，这一特征适用于模板可调整的现浇箱梁，而对于工厂标准化批量生产的预制梁桥则带来了不便。现有的预应力钢绞线连梁装置可有效防止纵向落梁，但其构造复杂且施工不便，在预制梁桥中的应用也较少。

3.2　新型防落梁挡块限位装置

基于预制梁桥的结构特征和施工工艺，本文提出一种不影响预制梁预制工艺，又能有效防止纵向落梁的新型挡块限位装置，并增加了挡块装置的减隔震设计，可起到减震耗能和防止落梁的作用。

本新型防落梁挡块限位装置由预制端横梁1、纵向挡块2、橡胶圈3、橡胶圈4、压力弹簧5、连接钢管 6、钢板7、钢垫板 8、高强螺栓 9、高强螺栓10、普通螺栓11及限位螺栓12共同构成。以下结合附图将其细部连接构造及具体实施方式进行说明如下：

如图4和图5所示，在墩台顶面与端横梁1位置对应处设置纵向挡块2，纵向挡块2与墩台的侧边线齐平，起到限位装置的作用。纵向挡块2可与桥墩一起浇筑，或待桥墩完工后再浇筑。如图6所示，纵向挡块2应具有一定的高度，且纵向挡块2与端横梁1之间应具有一定的空间距离，以便在纵向挡块2与端横梁1之间布设防落梁装置。

图4　预制梁桥新型防落梁装置立面布置图

图5　预制梁桥新型防落梁装置平面布置图

图6　新型防落梁装置侧面布置图

图7是本新型防落梁装置细部连接构造图。其主要结构件为纵向挡块2、橡胶圈3、橡胶圈4、压力弹簧5和连接钢管6，其他构件为辅助结构件，用来固定和连接主要结构件，保证防落梁装置能作为一个联动的整体结构来运行。

图7　新型防落梁装置细部构造图

高强螺栓9、高强螺栓10和连接钢管6分别预埋在端横梁1和纵向挡块2之中，用来连接防落梁装置。压力弹簧5嵌套在连接钢管6上，压力弹簧5的首尾两端分别通过钢板7和钢垫板8固定，受压后可沿连接钢管6产生变形。钢板7中间开孔，套在连接钢管6上，可沿连接钢管6滑动，并通过限位螺栓12来限位。钢垫板8中间夹一层橡胶垫块，可起到缓冲变形的作用。连接钢管及弹簧均位于橡胶圈3和橡胶圈4的内部，可防止其锈蚀和氧化。

本新型防落梁装置根据功能可划分为两个区段，第一区段为橡胶圈3的长度区段，第二区段为橡胶圈4的长度区段。两个区段的功能分述如下：

（1）在正常使用状态下，梁体的变形和位移较小，梁体的温度变形、收缩变形可通过第一区段橡胶圈3的自由伸缩来实现，基本不会触发到第二区段。

（2）在地震作用下，梁体的变形和位移较大，此时第一区段会受到很大的压缩变形，挤压触发到第二区段，推动钢板7朝纵向挡块2的方向滑动，进而挤压到橡胶圈4和压力弹簧5，使得橡胶圈4和压力弹簧5产生缓冲变形和阻尼力，从而起到效能减震的缓冲作用，并最终通过纵向挡块2来限制梁体的位移，避免和减少梁体纵向脱落的现象。

4　结语

本文结合规范对桥梁抗震措施的要求，分析了现有桥梁防落梁装置的技术特点及其在预制梁桥的应用中所存在的问题。基于预制梁桥的工艺特征，提出了一种既不影响预制梁桥的标准化预制程序，又能起到减震作用和防落梁作用的新型挡块限位装置。该装置能很好的结合预制梁桥的结构特点，构造简易，施工方便，对于该类型的预制梁桥的防落梁设计与施工具有一定的参考价值。防落梁装置的详细设计参数，应该根据桥梁结构特征及所处的场地条件进行抗震计算后得到。