基于預制梁橋防落梁措施的研究探討

梅　宇，王彥軍

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北　武漢 430073；2.中交第三航務工程局有限公司，江蘇　南京 210000）

0　引言

在已有的防落梁技術中，防落梁裝置與梁體的連接，大多需要在梁板底部預埋連接件或預制牛腿，這一特征適用于模板可調整的現澆箱梁，而對于工廠預制、標準化批量生產的預制梁橋則帶來了不便。此外，部分已有的防落梁裝置對梁體的約束力較大，一定程度的影響了梁體在正常使用狀態下的伸縮變形。因此，結合預制梁橋的結構和施工特征，設計一種適用于預制梁橋且不影響梁體正常使用的縱向防落梁裝置是十分必要的。

1　橋梁防落梁背景及技術要求

現行的橋梁抗震相關規范，已對橋梁的防落梁設計提出了明確的規定和要求，對地震基本烈度在8度及以上的區域，必須采用相應的梁墩限位措施，減少或避免發生落梁事故。

在結構抗震領域，我國對不同地域進行了地震區劃，并根據區劃等級采用相應的抗震設防標準。但由于地震的偶然性和不可預見性，地震的破壞力往往是難以準確預判的，為了盡可能將地震損傷降至最低，在現有的橋梁抗震理念當中通常會設置能力保護構件，通過能力保護構件集中釋放地震能量，使得結構的地震反應成延性，避免結構的脆裂或崩塌。

在橋梁結構中，能力保護構件通常設置在墩柱的端部，允許這些部位出現塑性鉸并承受一定的非彈性變形，形成一個塑性耗能機制，避免結構過早發生脆性破壞。而與這一理念相輔相成的就是防落梁措施，防止結構在能力保護構件失效之前，由于較大的位移而發生落梁事故。因此，防落梁措施是在抗震計算分析的基礎上額外增加的抗震保護措施。防落梁措施并未直接提高橋梁結構的抗震能力，但與能力保護構件一同構建了結構的塑性耗能機制，可有效減輕地震損害。

2　現有防落梁技術

現有防落梁技術主要分為兩種：連梁裝置和限位裝置。連梁裝置主要用于限制相鄰聯端的相對位移，限位裝置主要用于限制梁體與橋墩的相對位移。典型的連梁裝置有預應力鋼絞線連梁，典型的限位裝置有擋塊型限位、鋼板連接式限位。

（1）預應力鋼絞線連梁

預應力鋼絞線連梁主要由預應力拉索、錨固裝置及緩沖彈簧構成，索體可采用低松弛預應力鋼絞線。其工作原理在于，通過將鋼絞線連梁兩端分別錨固在兩片縱梁的端部，使得連梁可在縱梁的縱向間隙內伸縮，起到限制梁體位移和防落梁的作用。其結構見圖1。

實踐經驗表明，預應力鋼絞線連梁限位作用較好，錨固端的彈簧也可起到減震的作用，可有效防止地震落梁。但該裝置構造比較復雜、施工不便且費用較高，且約束力較大，對梁體的正常伸縮變形具有一定的約束。

圖1　預應力鋼絞線連梁結構簡圖

（2）擋塊型限位裝置

擋塊型限位裝置，即在橋墩上設置擋塊限制梁體與橋墩的相對位移。擋塊類型根據限位方向可分為橫向擋塊和縱向擋塊。

在目前的應用中，橫向擋塊無需對梁體額外增加結構件，可適用于各類橋梁。而縱向擋塊需要在梁底增加卡位牛腿，使之與擋塊共同形成限位裝置。因此，縱向擋塊裝置在現澆砼橋梁或鋼橋中是可行的，但其不太適用于預制梁橋，主要原因在于預制梁橋的梁底增加卡位牛腿具有一定難度，與施工工藝存在沖突。擋塊裝置示意見圖2。

圖2　擋塊限位裝置示意圖

（3）鋼板連接型限位裝置

鋼板連接型裝置，即在橋墩與梁體之間設置鋼板連接，通過鋼板的轉動來限梁體與橋墩的相對位移。鋼板連接型裝置結構比較簡單，適用于大小跨徑的橋梁，但其同樣需要在梁底預埋連接件，給預制梁橋帶來了一定的困難。同時，該限位裝置在結構的減震耗能上的效果不佳。鋼板連接型限位裝置示意見圖3。

圖3　鋼板連接型限位裝置示意圖

3　預制梁橋防落梁設計研究

3.1　預制梁橋防落梁設計特點分析

混凝土裝配式預制梁橋在橋梁建設中的應用非常廣泛，適用于中小跨度的橋梁，具有結構簡單、施工方便、可批量生產預制的優點。目前，國內成熟的混凝土預制梁橋主要是預制小箱梁橋和預制T梁橋，這兩種橋型大量應用在公路橋梁及城市高架橋梁中。預制小箱梁橋和T梁橋的上部結構，是通過一塊塊工廠預制的標準梁板橫向聯結而成，與整體現澆式箱梁相比，結構剛度和橫向聯結較弱，在地震多發區或高烈度地震區更容易受到地震力的沖擊而發生落梁的現象，極易帶來地震的二次損害，造成巨大損失。

對于預制梁橋的防落梁措施，很多實際已建橋梁工程只采用了橫向擋塊，該擋塊位于橋墩或蓋梁的兩個端部，可以防止梁板從橫向滑落，但無法防止梁板的縱向滑落。一旦結構發生較大的縱向位移，可能導致梁板脫離支座約束后發生縱向落梁現象。現有縱向防落梁技術不適合預制梁橋的施工工藝，可能是大多數預制梁橋未設置縱向防落梁措施的原因。現有的擋塊型限位裝置和鋼板連接式限位裝置，需要在梁板底部預埋連接件或預制牛腿，這一特征適用于模板可調整的現澆箱梁，而對于工廠標準化批量生產的預制梁橋則帶來了不便。現有的預應力鋼絞線連梁裝置可有效防止縱向落梁，但其構造復雜且施工不便，在預制梁橋中的應用也較少。

3.2　新型防落梁擋塊限位裝置

基于預制梁橋的結構特征和施工工藝，本文提出一種不影響預制梁預制工藝，又能有效防止縱向落梁的新型擋塊限位裝置，并增加了擋塊裝置的減隔震設計，可起到減震耗能和防止落梁的作用。

本新型防落梁擋塊限位裝置由預制端橫梁1、縱向擋塊2、橡膠圈3、橡膠圈4、壓力彈簧5、連接鋼管 6、鋼板7、鋼墊板 8、高強螺栓 9、高強螺栓10、普通螺栓11及限位螺栓12共同構成。以下結合附圖將其細部連接構造及具體實施方式進行說明如下：

如圖4和圖5所示，在墩臺頂面與端橫梁1位置對應處設置縱向擋塊2，縱向擋塊2與墩臺的側邊線齊平，起到限位裝置的作用。縱向擋塊2可與橋墩一起澆筑，或待橋墩完工后再澆筑。如圖6所示，縱向擋塊2應具有一定的高度，且縱向擋塊2與端橫梁1之間應具有一定的空間距離，以便在縱向擋塊2與端橫梁1之間布設防落梁裝置。

圖4　預制梁橋新型防落梁裝置立面布置圖

圖5　預制梁橋新型防落梁裝置平面布置圖

圖6　新型防落梁裝置側面布置圖

圖7是本新型防落梁裝置細部連接構造圖。其主要結構件為縱向擋塊2、橡膠圈3、橡膠圈4、壓力彈簧5和連接鋼管6，其他構件為輔助結構件，用來固定和連接主要結構件，保證防落梁裝置能作為一個聯動的整體結構來運行。

圖7　新型防落梁裝置細部構造圖

高強螺栓9、高強螺栓10和連接鋼管6分別預埋在端橫梁1和縱向擋塊2之中，用來連接防落梁裝置。壓力彈簧5嵌套在連接鋼管6上，壓力彈簧5的首尾兩端分別通過鋼板7和鋼墊板8固定，受壓后可沿連接鋼管6產生變形。鋼板7中間開孔，套在連接鋼管6上，可沿連接鋼管6滑動，并通過限位螺栓12來限位。鋼墊板8中間夾一層橡膠墊塊，可起到緩沖變形的作用。連接鋼管及彈簧均位于橡膠圈3和橡膠圈4的內部，可防止其銹蝕和氧化。

本新型防落梁裝置根據功能可劃分為兩個區段，第一區段為橡膠圈3的長度區段，第二區段為橡膠圈4的長度區段。兩個區段的功能分述如下：

（1）在正常使用狀態下，梁體的變形和位移較小，梁體的溫度變形、收縮變形可通過第一區段橡膠圈3的自由伸縮來實現，基本不會觸發到第二區段。

（2）在地震作用下，梁體的變形和位移較大，此時第一區段會受到很大的壓縮變形，擠壓觸發到第二區段，推動鋼板7朝縱向擋塊2的方向滑動，進而擠壓到橡膠圈4和壓力彈簧5，使得橡膠圈4和壓力彈簧5產生緩沖變形和阻尼力，從而起到效能減震的緩沖作用，并最終通過縱向擋塊2來限制梁體的位移，避免和減少梁體縱向脫落的現象。

4　結語

本文結合規范對橋梁抗震措施的要求，分析了現有橋梁防落梁裝置的技術特點及其在預制梁橋的應用中所存在的問題。基于預制梁橋的工藝特征，提出了一種既不影響預制梁橋的標準化預制程序，又能起到減震作用和防落梁作用的新型擋塊限位裝置。該裝置能很好的結合預制梁橋的結構特點，構造簡易，施工方便，對于該類型的預制梁橋的防落梁設計與施工具有一定的參考價值。防落梁裝置的詳細設計參數，應該根據橋梁結構特征及所處的場地條件進行抗震計算后得到。