桥梁抗震防落装置的应用与发展

桥梁抗震防落装置的应用与发展 周海俊,刘海锋, 黄鸿宏 (深圳大学土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,广东 深圳 518060) 摘 � 要: 落桥破坏是桥梁结构在地震灾害作用下的破坏形式之一, 在桥梁伸缩缝处安装防落装置是一种有效 的防落桥方法,在国外已有成功的应用案例; 但在国内的应用与研究则处于起步阶段, 没有具体的设计方法。通过 调研我国以及日本、美国相关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 , 对各国规范中关于防落装置的设计方法进行对比分析, 总结现有国内、外防落 装置的类型、特点及其应用现状。整体来看, 日本、美国已有较成熟的防落装置设计方法及工程应用经验, 我国需 进一步充分吸收国外的相关研究成果,完善规范中有关防落装置的设计思想和方法, 以满足桥梁工程技术发展应 用的需求。 关键词: 桥梁工程; 抗震;防落装置; 设计方法 中图分类号: U442. 55 文献 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 码: A 文章编号: 1671- 7767( 2011) 05- 0023- 04 收稿日期: 2011- 01- 26 基金项目:深圳市公共科技 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目( SY200806270071A) ;深圳市基础研究计划项目( JC201005280580A) 作者简介:周海俊( 1977- ) ,男,副教授, 1999年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业,获学士学位, 2002年毕业于同济大学桥梁与隧道工程 专业,获硕士学位, 2005年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业,获博士学位( E-mail: haijun@ szu. edu. cn)。 1 � 引 � 言 落桥破坏是中、小跨径桥梁在地震作用下常见 的破坏形式之一[ 1] ,它具有破坏突然、修护困难、对 交通影响巨大等突出特点。有鉴于此, 美国、日本等 国家均已在抗震设计规范中明确规定采用相关构造 措施安装防落装置以防止落桥破坏的发生, 并已在 地震灾害中得到了实际工程应用检验。我国是一个 地震多发国家, 但相关桥梁设计规范中对于落桥破 坏防范措施的设置等尚缺乏相关明确指引[ 2] 。在 2008年的四川汶川地震中, 多座大桥由于上部结构 位移过大且又缺乏相关防落装置而引起落桥破坏 (见图 1) ,这说明我国在相关工程技术上尚存在着 较大的提升空间。因此, 学习并吸收其它国家的工 程技术知识,有效地提升我国桥梁的抗震设防水平, 防患于未然,具有重要的工程应用价值。本文在调 研国内、外相关文献资料的基础上,对比分析了各国 现有规范对于防落措施的规定,并对现有国内、外防 落装置的设计方法和性能特点进行分类比较, 总结 其在工程实践中的具体应用与发展现状。 2 � 各国规范对防落措施的规定及对比分析 日本、美国等国家的桥梁规范都有防落措施的 具体构造规定, 实际工程应用中,地震灾害频发地区 的桥梁按规范要求安装了防落装置。虽然各国规范 中关于防落装置的设计思想不尽相同, 但基本上都 采用等效静力分析的手段来进行弹性设计(见表 1)。 图 1 � 落桥破坏 日本规范将防落桥装置作为一个系统进行设计, 系统包含四要素[ 3] (见图 2) : � 最小支承宽度; � 落 桥防止构造; �变位限制构造; �段差防止构造。该 系统的功能是保证在超出预期强度的大震发生时, 桥梁支座可以破坏但不能落桥, 且桥梁仍可通行紧 急救灾车辆。规范要求防落装置的设计力为支座反 力的 1. 5倍;大震时最大相对位移小于梁支承宽度。 我国台湾地区基本参照采用了日本规范相关规定。 � � AASHT O规范从两方面考虑防落措施, 一是 确定桥梁支承宽度;二是防落装置的设计方法。当 桥梁支承宽度小于桥梁最小支承宽度时, 就必须安 装防落装置。防落装置设计力值采用加速度系数乘 以相邻两跨的较轻者的上部结构恒载值。防落装置 应留出足够的移动间隙, 使其在超出设计位移以前 不起作用;装置应易于检查和更换,其布局应对称于 上部结构中心线[ 4] 。 Calt rans规范同样规定了最小的支承宽度和防 落装置的设计方法。防落装置采用简化的等效双自 23桥梁抗震防落装置的应用与发展 � � 周海俊, 刘海锋,黄鸿宏 表 1� 防落装置设计方法的比较 规范 设计思路 最小支承宽度/ m m 设计力(位移) 特点 AASH T O(美国国家公 路与运输协会规范) 考虑较多影响桥梁地震 响应因素的等效静力分 析方法 N = ( 200+ 0. 001 7L + 0. 006 7H ) � ( 1+ 0. 000 15S 2) 设计力等于加速度系 数乘以相邻两跨较轻 者的上部结构恒载 简单, 等效静力分析 方法忽略相关桥梁的 自振周期等因素影响 Calt ran s (加州交通厅规范) 基于反应谱分析方法得 到位移需求, 采用简化 的等效双自由度模型进 行弹性设计 需进行简化的线弹性模型动力分 析确定,计算值不得小于 600( 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 桥梁) ,桥台处不小于 760 设计防落装置的刚度 控制预期相邻桥联的 最大相对位移 与控制位移的设计思 想吻合 日本规范 大震时支座可以破坏,但不能落桥 N = 700+ 0. 005L (直桥) 设计力为支座反力的 1. 5 倍, 且大震时上、 下部结构间的最大相 对位移小于支承宽度 简单,静力设计 我国规范 规定了防落措施的构造要求 N = 700+ 0. 005L (直桥) 无具体规定 - � 注: N 为垂直于支座中心线量出的最小支承宽度( mm ) ; L 为相邻伸缩缝间桥面长度( mm ) ; H 为相邻伸缩缝间下部结构的平均高度( mm) ; S 为支承的斜交角(�) ; AASHT O 规范中的最小支承宽度是标准支承宽度,即无任何防落装置时所需的支承宽度。 图 2� 日本防落桥系统 由度模型进行弹性设计。先采用弹性谱分析方法求 出框架位移,由相邻框架的周期比等参数求出两者 的相对位移,由此可设计防落装置的刚度并控制预 期相邻桥联的最大相对位移[ 5~ 7] 。 日本规范中基于构造规定的方法来防止落桥破 坏的发生,采用了经验系数确定防落装置的设计荷 载。美国 AASHT O规范和 Calt rans规范都是先计 算支承宽度需求, 再进一步设计计算防落装置。显 然,日本规范和美国规范之间在设计理念上存在着 较大的区别,日本规范条文简单明了, Calt rans规范 与控制位移的设计思想相吻合。 我国规范中关于防落系统的规定参照了日本规 范的相关最小支承长度的条款, 对防落装置的设计 也提出了一些要求,但细则中没有具体规定防落装 置的设计方法[ 8] 。鉴于我国桥梁结构普遍采用钢筋 混凝土材料,与美国、日本等国家大量采用钢或组合 结构桥梁存在一定的差异, 同时也考虑到经济承受 能力,仍需采取谨慎的态度吸收国外规范中相关防 落装置的规定。 3 � 防落装置的应用现状 根据各种防落装置的受力特点可分为受拉型防 落装置、拉压型防落装置和弯剪型防落装置。此外, 也已有相关带有防落功能的组合型支座, 其功能为 防落装置和支座功能的组合,本文中限于篇幅暂不 涉及。 3. 1 � 受拉型防落装置 ( 1) 连接板式、高强钢缆索和高强钢棒。该类 型装置均为很成熟的产品,国内已有相关装置的供 应厂家。� 连接板式装置一般用于钢桥, 其通过螺 栓安装在 2片主梁的边上, 防止落梁。在地震作用 下连接板可提供较大的塑性变形。� 在众多的防落 装置中, 高强钢缆索装置应用最为广泛。高强钢缆 索由隔离防腐的高强钢绞线组成, 其两端锚具采用 将多根钢绞线集中在一起整束挤压锚固的方法制 成。两端锚具主要由弹簧、缓冲器、偏向器和保护罩 4个部件组成。图 2中所示的即为高强钢缆索与纵 向挡块(变位限制构造)、支承宽度增补块共同使用 的案例。� 高强钢棒装置广泛用于多跨简支梁, 防 止纵向落梁。上述装置一般用于纵向的防落,需与 横向挡块同时使用,以避免装置受横向剪切作用。 ( 2) 缓冲链防落装置。缓冲链防落装置 (见图 3)主要由抗拉支撑、高强度橡胶链环、高强度链条 3 个构件组成,其主要优点是可以通过使用橡胶覆盖 的缓冲链环来缓和冲击。 ( 3) 新型受拉型防落装置。新型受拉型防落装 24 世界桥梁 � � 2011 年第 5 期 图 3 � 缓冲链防落装置 置主要有以下 2种: � 纤维复合材料 ( F iber-Rein- forced Polymer, FRP)防落装置 [ 9] [见图 4( a) ]轻质 高强,便于安装。由于粘胶材料易于纤维材料破坏, 需确保 FRP材料与梁体的可靠粘结,同时需要设置 横桥向的限位措施。 �形状记忆合金( Shape M em- o ry Alloy, SMA)与传统材料的区别是具有大变形 超弹性、高阻尼等特性,能够重复屈服而不产生永久 变形,因此 SMA防落装置[ 10] [见图 4( b) ]可以有效 地限制梁桥的相对位移, 且震后易于修复。 图 4 � 新型受拉型防落装置 3. 2 � 拉压型防落装置 ST U( Shock T ransmission Units)防落装置(也 称速度锁定器)主要运用于连续梁桥上,其装置主体 为与活塞运动速度相关的流体阻尼耗能器, 它将上 部结构和下部结构相互连接, 当桥梁上部结构发生 温度伸缩或在预应力作用下的混凝土徐变等微小运 动时, ST U 不起作用, 允许上部结构自由运动而不 产生任何附加应力; 当地震出现时, ST U 则通过内 部粘滞流体的运动耗能, 同时将上部结构和下部结 构锁住,以避免发生落桥破坏。图 5所示为孟加拉 国某桥和台湾捷运某桥中安装的 STU 防落装置。 图 5� STU防落装置 3. 3 � 弯剪型防落装置 ( 1) 抗震挡块。抗震挡块是应用最广泛的防落 装置之一,可分为纵向挡块和横向挡块 2种形式(见 图 6) ,我国常用横向挡块。设置挡块时为缓和地震 冲击力,可适当加大挡块与桥梁之间的间距且在挡 块的碰撞面上附缓冲橡胶。 图 6 � 抗震挡块 ( 2) 锚固钢棒。锚固钢棒可竖直埋设在下部结 构顶部,在上部结构一侧埋入的钢箍里安装缓冲橡 胶,利用钢棒的抗弯剪能力实现限位功能。 3. 4 � 各类防落装置的比较 受拉型防落装置与其它装置相比, 其优点在于 不需要特别预留空间, 可以适用于不同形式的上部 结构,但其中的连接板式装置一般只适用于比较规 则的简支钢梁直桥, 且连接板对所连接的两部分在 垂直桥轴方向的相对移动的适应能力较差。拉压型 的装置有一定的耗能能力, 但相对成本较高。弯剪 型装置适用于有一定设置空间的场合。需特别注意 的是防落装置的锚固连接需可靠, 防落装置安装后 极可能会增大墩柱在地震作用下的受力, 在抗震加 固设计中需谨慎选用。各类防落装置特点见表 2。 表 2 � 各种防落装置特点 类型 特点 受拉型 连接板 技术成熟、成本低、适应主梁相对位移能力差 高强钢棒 技术成熟、成本低、无耗能 高强钢缆索 技术成熟、成本低、无耗能 缓冲链 技术成熟、施工方便 FRP 轻质高强、安装方便、需确保 FRP 的可 靠粘结 SMA 维修保养方便、提高阻尼、成本高 拉压型 STU 减震阻尼大、成本高 弯剪型 挡块 构造简单、需预留设置空间锚固钢棒 构造简单、需预留设置空间 4 � 结 � 语 美国、日本等国已有成熟的防落装置的设计指 导规定及装置应用, 防落装置研发在国内尚处于起 步阶段,在理论与工程实践应用上与其它国家相比 有较大的差距。鉴于美国和日本等国家的桥梁结构 形式与我国有一定的差别,因此在借鉴其相关技术 时,需考虑桥梁结构形式的不同影响充分吸收相关 研究成果,并且在充分考虑国内经济发展现状的基 础上,根据实际需要进一步完善规范中有关防落装 25桥梁抗震防落装置的应用与发展 � � 周海俊, 刘海锋,黄鸿宏 置的设计指导思想和方法, 以满足桥梁工程技术发 展应用的需求。 参 � 考 � 文 � 献: [ 1] 周海俊, 莫智娥,刘 � 俐, 等. 美国近期桥梁失效案例分 析[ J] . 世界桥梁, 2009, ( 2) : 57- 60. [ 2] 王军文,李建中, 范立础. 桥梁中抗震限位装置设计方法 的研究[ J] . 土木工程学报, 2006, ( 11) : 90- 95. [ 3] 日本道路协会. 道路桥示方书� 同解说: V 耐震设计编 [ S] . [ 4] AASH TO LRFD Bridge Design Specifications[ S] . [ 5] Califo rnia Depart ment o f T ranspo rtat ion. Memo To De- signers, 20- 3, 20- 4( Caltrans) [ S] . [ 6] Califo rnia Department of T r ansport ation. Br idge Design Aids, 14- 1( Caltrans) [ S] . [ 7] California Depart ment of T ranspo rtat ion. Seismic Design Cr iter ia( Calt rans) [ S] . [ 8] JT G/ T B02- 0l- 2008,公路桥梁抗震设计细则[ S] . [ 9] Johnson R, Saiidi S, Maragakis E. A Study o f F iber Re- info rced P lastics for Seismic Bridge Restr ainer s[ R] . Re- no: Center for Civ il Eng ineer ing Ear thquake Resear ch, Depar tment of Civil Engineering , Univ ersity o f Nevada, 2005. [ 10] Johnson R, DesRoches R, Saiidi M , et al . Large Scale Testing of N it ino l Shape Memory A lloy Devices for Retr ofitt ing of Bridges[ J] . Smart M at erials and Struc- tures, 2008, ( 17) : 1- 10. Application and Development of Ant-i Beam-Falling Devices for Seismic Resistance of Bridges ZHOUHai-j un, LIUHai-f eng, HUANGHong-hong ( Co llege of Civ il Eng ineering, Shenzhen Univer sity, Shenzhen 518060, China) Abstract: T he beam-falling is one of the failure modes of bridge st ructures st ricken by earth- quake, an ef fect iv e method is to install ant-i beam-falling devices at br idge expansion joints. T here ar e successful applicat ion cases abro ad, but the application and study in China are just start ing and no ready specif ic design methods have been available. T hrough invest ig ation of the related specificat ions of China, Japan and America and comparison and analy sis of the design methods a- bout the ant-i beam-falling devices in the specificat ions of these countries, the types, char acteris- t ics and the applicat ion status of the current ant-i beam-fall ing devices at home and abroad w ere summarized. On the w ho le, Japan and America have relat ively mature design methods and eng-i neering applicat ion exper iences, China needs to ful ly take up the related resear ch achiev ements in other countr ies and perfect the design concept and methods about ant-i beam-falling devices in the specificat ions, so as to meet the demands o f the development and applicat ion o f bridge engineering techniques. Key words: bridge engineering; seism ic r esistance; ant-i beam-falling dev ice; design method 26 世界桥梁 � � 2011 年第 5 期