抗震构造措施中挡块、防落梁装置的设计问题探讨

桥梁抗震挡块、梁梁、梁墩拉杆（索）等防落梁装置是在出现“超预期地震荷载”情况下桥梁防止落梁的重要措施。

我国现行的公路抗震细则、城市桥梁抗震规范、铁路抗震规范仅在构造措施中提出应设置挡块、防落梁装置的要求，对其 并没有提出设防性能理念或具体量化的规定 。

有同仁提出“不必纠结挡块、防落梁装置承载力”的说法，本人认为值得探讨，现将我的学习心得整理一下，供同仁们商榷，请感兴趣的同仁批评指正。

现代桥梁的抗震设计思想，已经纳入延性设计和减隔振设计技术，容许桥梁在强震时发生局部损坏和较大的位移，同时要求设置“保险丝”构件，保护结构在“超预期地震荷载”下上部结构不能出现破坏性的损害，不致严重影响交通。

桥梁挡块、防落梁装置就是这类“保险丝”构，对于“保险丝构件”，有人认为要“分级设防，超出一定的地震荷载可以适当受损，但要易于修复补强，但具体怎么设计，我们没有规定，可以参考其他规范“。

有人认为要“坚强无比，扛得起、挡得住，要准确计算出挡块荷载，按弹性强度设计方法控制”，有人认为 ”不必纠结该类构件的强度要求，只要有个东西就行” ，总之，众说纷纭，没有定论。

国内桥梁抗震规范研究起步较晚，基本处在学习和消化阶段，大部分精力都放在抗震概念设计、体系选择、理论分析、支座或阻尼器装置参数优化等理论上。

对设计来说 最实用的构造细节研究较少 ，规范的条文基本是延续老规范定型内容或者参考别国规范，没有形成较为权威、完善合理的设计思想和方法，在理论研究体系上尚属盲区空白。

相比之下，其他国家的规范对此有比较系统的研究和比较成熟的设计理念，尤其是日本规范，“他山之石，可以攻玉”，我们不妨以他们的研究成果和规定来检讨一下我们对于该类构件的思维认识？

一、日本规范

日本公路抗震规范是采用L1地震动、L2地震动的两阶段水平设计地震动，从抗震性能层面上分为三类：

第一，地震不损坏桥梁的健全性和适用功能。

第二，限定地震下对桥梁的损害，并可迅速恢复桥梁的使用性能，短期内可恢复交通。

第三，桥梁的损坏是非致命的，不落梁。

对于L1地震动，其要求A类（对应我们国家C、D类）、B类桥梁（对应我们国家A、B类）应确保抗震性能1。

对于L2地震动，其要求A类（对应我们国家C、D类）应确保抗震性能3。

B类桥梁（对应我们国家A、B类）应确保抗震性能2。

同时要求即使发生抗震设计时 预想不到 的地震反应或者地基破坏而产生的结构破坏， 避免落梁发生 ，这是日本规范抗震的核心思想。

日本规范的 防落梁装置是和支座挂上钩的 。

在他的规范中，对支座也进行了A类、B类的区别。

A类支座是指梁体两端由桥台支承，梁长小于50m的桥梁以及支座构造在不得已情况下的桥梁采用的支座，包括橡胶支座和钢支座， A类支座可以独自承担L1地震下的水平力和竖向力 ，但需 和变位限制装置共同承担L2地震产生的水平力 。

A类支座外的所有支座类型全是B类支座，包括免震支座、橡胶支座和钢支座。

B类支座在L1、L2地震水平力和竖直力作用下，均需保证支座的性能。

我们的规范没有类似的区分，也就是说 我们规范要求不管什么桥梁，在E2地震下，支座需要保证水平承载力（城市桥梁中水平力承受构造可单独设计）和竖向承载力 。

说完以上的背景知识，我们来看日本规范对防落梁装置设计的具体要求：

日本防落梁装置一般由四道防线组成，分别是 梁墩搭接长度、防止落梁构造、变位限制装置以及垫石高度控制构造 。

1、梁墩搭接长度

对于梁端而言，其定义为：从上部结构的梁端到下部结构（墩、台）顶部轴向方向边缘或挂梁端部到支撑梁端部的最短距离。

其功能是使上、下部结构间或挂梁连接处发生 超预期位移 时，被支承结构的上部结构不致脱落，它是防止落梁系统中 最基本的保护措施 。

我们国家公路抗震细则或城市桥梁抗震规范对此有明确的条文，基本是参考人家的规定，具体条文这里不多说。

唯一需要指出的是我们的规范对搭接长度的表述是“简支梁梁端至墩、台帽或盖梁边缘应有一定的距离……. ”，造成 有人认为只有简支梁才有搭接长度的要求，连续梁不必考虑。

其实这句话应该改成 “梁体简支端端部至墩、台帽…..” 才能准确表达这条规定的所要表达的意思；

2、变位限制装置

变位限值装置是对A类支座（只对L1地震水准设防）在L2地震水准下的补充。

当A类支座在L2地震水准下遭到损坏时 限制上、下部结构间的相对变位 ，是采用A类支座桥梁防落梁系统中的 第2道防线 。

变位限制装置的 设计荷载为3K _h R _d ，K _h 为设计水平震度系数，R _d 为恒载支反力。

变位限制装置的 设计移动装置间隙 要大于 支座在L1地震等级下的变形量 ， 即小震或正常使用下变位限制装置不起作用。

挡块和梁墩锚筋等构造均属于变位限制装置。

3、防止落梁构造

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， 对A类支座起到第3道防线、对B类支座起到第2道防线的作用。

梁梁、梁墩拉索均属于防止落梁构造。

日本规范要求防止落梁构造承载力的设计荷载要求是 1.5倍的支座恒载反力。

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。

4、垫石高差控制构造（日本叫段差防止构造）

较高的支座 发生破坏时，为了防止桥面发生较大的沉降或者造成梁体脱离支座 砸坏墩身或梁体所做的规定，其通过在垫石边上设置橡胶支垫实现。

我们国家的规范目前已经加入了限制支座垫石高差的条文，也是出于同样的目的，但日本规范没有明确规定支座垫石高度必须控制在多少以下，只是 通过橡胶支垫构造实现防止垫石与墩顶的高差过大引起的损坏隐患 ，这样可以解决更换支座空间的问题。

综上所述，日本防落梁系统的设计理念可概括为 “多级防线、分级破坏” 。

对于A类支座桥梁，防落梁系统包括3道防线3重设防标准：

第1道防线 主要由 支座 提供，此道防线下 最大位移不超过支座容许剪切变形的150% ， 变位制限构造不超过其承载力的1/3，伸缩缝、支座、变位制限构造可正常工作，对应设防水准为小震和中震。

第2道防线 主要由 变位制限装置 提供，此道防线下变位制限构造完全发挥其限位作用， 最大剪力达到设计承载力，开始发生塑性变形但尚未完全破坏，支座、伸缩缝损坏，对应设防水准为大震。

第3道防线主要有落梁防止装置构造和搭接长度 提供，此道防线下变位制限构造已经失效，落梁防止构造开始起作用， 控制上部结构与下部结构的相对位移小于0.75的搭接长度，对应设防水准为超预期地震。

对B类支座桥梁，防落梁系统包括2道防线2重设防标准：

第1道防线主要由支座提供 ，此道防线下最大位移不超过支座容许剪切变形的250%，伸缩缝破坏、对应设防水准为大震；

第2道防线主要由落梁防止构造和搭接长度提供 ，此道防线落梁防止构造开始起作用，控制上下部结构的相对位移小于0.75的搭接长度，对应设防水准为超预期地震。

B类支座桥梁比A类支座桥梁少1道防线 ，是因为 B类支座桥梁的第1道已直接设防到大震 ，对小震和中震自动满足。

但当小震和中震作用下，仅靠支座无法确保伸缩缝正常工作，可设置伸缩缝保护器，其构造可与变位制限构造一致，相应承载力要小，其主要目的是保护伸缩缝，故未归入防落梁系统中。

在 “多道防线、分级破坏”的设计理念 指导下，日本研究人员对防落梁措施进行了细化工作，提出了很多新的构造措施，包括耗能型的变位制限构造、耗能型的落梁防止构造等。

日本桥梁建设学会及时总结归纳了这些研究成果，于2005年颁布了《在役桥梁落桥防止构造设计指南》，该规范详细规定了防落梁系统的设计原则和设计方法，给出了典型防落梁的设计计算示例，提供了常见的防落梁构造措施施工详图。

日本在防落梁设计方面已经形成了一个较为完善的体系， 不仅考虑了设计地震（小震、中震、大震）作用，同时也考虑了超预期地震作用，降低了落梁的风险。

二、美国规范

美国的Caltrans 和AASHTO 规范中都有对防落梁系统的规定，对可能发生落梁的上部结构给出了约束装置的设计方法：

1、等效静力法(Caltrans)

Caltrans 方法是一种等效静力设计方法，通过手算即可以完成设计。

该方法既可以应用于连续刚构桥跨间铰处的约束装置的设计，也可以应用于简支梁上部结构约束装置设计。

该方法大体步骤如下：

（1）根据伸缩缝处的构造确定墩-梁或梁-梁的允许相对位移；

（2）利用反应谱计算伸缩缝处墩-梁或梁-梁的最大相对位移；

（3）设计限位器的数量及长度；

（4）重复2-3 步，直到墩-梁或梁-梁的最大相对位移达到设防目标内

在进行限位器设计时有如下规定，即在地震作用下限位器需要保持弹性状态，以防止限位器在地震下产生残余应变而影响其效果；

另一方面，假设跨间铰相对位移到达允许位移时限位器刚好达到屈服状态，这样便可以在保证不发生落梁破坏的情况下安装最小数量的限位器，以降低安装成本。

研究证明，对于简支梁桥防落梁系统，Caltrans 方法是一种有效的设计方法；

然而，根据 该方法设计的限位器往往过于保守，即按方法计算所需限位器的数量往往大于实际所需。

而过量的限位器的安装会加大桥梁加固的成本，同时也会延长工期，不利于交通的正常维持。

另外，Caltrans 方法在简支梁桥设计中假设支座完全破坏，不考虑支座对上部梁体的约束作用。

而在实际地震中有很多支座不会完全破坏，即使支座发生破坏，仍能作为结构的一部分承担地震力的作用。

然而，对 震害的调查研究证明，地震作用下支座无法完好无损。

1995 年的阪神地震中，大量桥梁支座破坏，即说明支座是地震中的薄弱环节。

Caltrans 方法建议设计者们进行限位器设计时，对多跨简支梁桥的支座的效用进行地震下的评估；

然而，这一点在实际操作中却很难实现，因此大都较保守地认为支座完全失去作用。

2、AASHTO（美国国家公路与运输协会标准）

AASHTO（美国国家公路与运输协会标准）规定把桥梁分为A、B、C、D 四个抗震等级：

1、 对于 A、B 类抗震等级的桥梁，只需要使其伸缩缝处的最小支撑宽度 满足下式即可，不需要设置约束装置：

N=(203+1.67L+6.66H)×(1+S2/8000) (3.9)

其中，N—垂直于支座中心线量出的最小支撑长度（单位：mm）

L—到相邻伸缩缝或到桥面端头的桥面长度，如果是跨间铰，则L 应为到相邻两侧铰接缝距离之和；如果是单跨结构，L 则为桥面长度（单位：mm）

S—从垂直于跨度的线量出的支撑的斜度（°）

H—桥台处，H 为桥台至相邻铰接缝间桥墩的平均高度，如果是单跨，则取为0；桥墩处，H 为桥墩的高度；跨间铰接缝，H 为铰接缝两侧相邻桥墩的平均高度（单位：m）。

2、 对于 C、D 类抗震等级的桥梁，伸缩缝处的最小支撑宽度 需满足下式：

N=(305+2.5L+10H)×(1+S2/8000) (3.10)

在满足最小支撑宽度的同时，此类桥梁 还需要设置限位器，限位器 的设计步骤如下：

（1）确定纵向约束装置的地震力：

F = ARS ×W

其中，ARS—规范反应谱中与周期相对应的加速度系数，单位为g。

W —对于跨间铰伸缩缝，为相邻两个框架中较轻的重量；对于简支梁，为上部梁体的重量。（2）确定约束装置数量：

AASHTO 规范中的支撑宽度公式是一种经验公式，研究表明，该 宽度取值偏于保守 。

其限位器的设计是基于力的设计，没有考虑相对位移的验算。

设计方法取静力设计，不考虑结构动力特性，较为简略，更没有考虑摩擦、伸缩缝间隙、约束装置的松弛系数等非线性因素。

参考及摘录文献：

[1] 日本桥梁抗震中的防落梁设计，王德钧；

[2] 日本桥梁防落梁系统设计，韦韩等；

[3] 公路桥梁纵向防落梁体系研究，王兹刚，同济大学硕士论文。