魏冠华

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

1 横桥向双重挡块构造

在目前的关于桥梁横桥向限位装置的设计与研究中，绝大部分的限位装置采取的形式都是混凝土挡块或者钢挡块，但是在地震动作用下，挡块与主梁会发生激烈的碰撞反应，导致主梁与挡块之间产生巨大的碰撞力，进而导致挡块发生破坏[1]。因此需要考虑一种消散这种巨大能量的耗能方式，减小碰撞力对挡块的影响，因此需要在原先单一挡块的基础上再添加一个耗能装置，通过其在地震动作用下的变形来消耗地震动带来的巨大的能量，从而实现保护挡块不被破坏，耗能减震的效果。

2 双重挡块的设计思路

耗能减震器是放置在结构的某些位置上的耗能构件或者元器件，它的作用机理就是通过耗能构件或者元器件在地震作用下的变形能力来达到消耗因为地震动而引起的能量，从而达到减弱结构因为地震动而引起的相应，起到保护结构在地震动作用下不被破坏，从而达到减震控震的目的[2]。截止目前，许多研究学者都对耗能减震器进行了研究，并且我国也针对耗能减震器编制了设计及施工规范，但是仅仅是针对其提出了一些原则性的要求和指导意见。

关于耗能减震器的设计工作，周云[3]提出了一些自己的意见与设计思路：

(1)耗能构件或者耗能元器件在结构中的耗能机理相同时，可以通过增加耗能构件或者元器件的数量来达到增大耗能性能，利用多个构件或元器件共同耗能。

(2)在同一个耗能构件或者元器件中可以利用多种耗能思路与机制，通过几种不同的耗能思路与机制来达到增大耗能性能的目的。

(3)耗能构件与元器件的设计思路中可以增加多道防线的设计思路，设置多道耗能减震器。

(4)耗能构件和元器件应该具备随着不同等级的地震响应而可以进行自主调节与更换的作用。

(5)新型的耗能减震器应当具备在地震动作用下放大结构的位移的功能、扩大装置的耗能效果的功能、减小结构在地震动作用下的反应的功能。

综合上面的设计思路，将原先仅起到限位作用的挡块结合多道防线的设计思路，设计成新型双重挡块的结构形式[4]，挡块的示意图如图1所示，在原先单一的挡块与主梁之间加入一个耗能挡块，作为耗能构件。原先的挡块在地震作用下的耗能性能可以忽略不计，仅起到限制主梁过大位移，防止主梁落梁的发生的功能；耗能挡块起到在地震作用下消耗能量的作用。

图1 新型双重挡块构造示意

3 横桥向双重挡块地震反应分析

桥梁工程在交通运输领域起着关键性的作用，确保其在地震动作用下仍然能够有效的运行，对于后期灾区的抢险救灾工作起着至关重要的作用。而在桥梁结构中，简支梁是桥梁中最为重要的结构类型，因此保证其在地震作用下结构不被破坏是很重要的。桥梁结构在震害中最为严重的破坏形式就是主梁发生落梁，而引起落梁的最主要的原因就是桥梁结构横桥向挡块的破坏。而在目前的桥梁工程的建设过程中，往往忽略挡块在地震动作用下的限位功能，而且目前国内外的桥梁结构的设计过程中，通常采用刚性防护的设计理念，在构造、性能、设计上都缺乏规范的明确要求，有很大的盲目性，因此需要对其抗震性能作更加深入全面的研究。

3.1 地震动的输入

为了保证结构的安全性，本课题选取了三条实际发生过的地震波进行抗震分析，对峰值加速度进行调整，取为0.4g。地震波详情见表1。

表1 地震波详情

考虑到地震动作用的随机性，根据我国现行桥梁抗震规范的规定,本文中关于横桥向挡块地震动作用下的分析结果，采用挡块三条地震波计算结果中的最大值。

3.2 横向碰撞影响参数分析

挡块的作用是为了限制梁体过大的横向位移，防止梁体因为横向位移过大而产生落梁现象，但是不能限制梁体正常的移动，从而影响桥梁支座的正常使用。因此挡块与梁体之间要预留一定的间隙以便梁体正常的自由移动。

挡块在地震作用下的性能主要由挡块自身尺寸，最主要的为挡块与主梁间的间隙的大小，即初始间隙，挡块自身的刚度所影响[5]。因此探讨挡块的刚度、初始间隙的大小等挡块自身性能对挡块在地震动作用下的抗震性能有着至关重要的作用。挡块的破坏主要是因为其受力过大，或者变形过大而破坏，而主梁与挡块的相对位移即为挡块与主梁的间隙与挡块压缩量之和。因此本课题主要讨论不同挡块性能对挡块在地震动作用下与主梁的碰撞力、挡块的内力、挡块的压缩量的影响。

3.2.1 刚度对挡块抗震性能的影响

通过大量的文献调研工作发现，在关于挡块抗震的数值模拟分析、工程实例、实验研究中发现，挡块刚度的取值绝大部分分布在104～107N/m之间，根据课题研究需要取9个等级的刚度值，分别为2.5×104N/m、4×104N/m、2.5×105N/m、4×105N/m、2.5×106N/m、4×106N/m、2.5×107N/m、4×107N/m、2.5×108N/m。为了保持单一变量，挡块厚度取为0.4m，挡块与主梁的间距取为0.3m。

不同刚度挡块的抗震性能分析结果见表2～表4、图2～图4。

表2 挡块刚度与挡块内力的关系

表3 挡块刚度与挡块压缩量的关系

表4 挡块刚度与挡块和主梁碰撞力的关系

图2 刚度对混凝土挡块内力的影响

图3 刚度对挡块压缩量的影响

图4 刚度对混凝土挡块与主梁碰撞力的影响

从图2与表2中可以看出随着土挡块刚度的增大，混凝土在地震作用下的内力也呈增大趋势。当挡块刚度不大时，挡块的内力随着挡块刚度增长的趋势较为缓慢，当挡块刚度较大时，挡块内力随着刚度快速增长。从图3与表3可以看出，挡块在地震作用下的压缩量与挡块的刚度的关系很复杂，不是简单地正负相关关系。这是因为挡块刚度的增大，挡块在地震动作用下受到的能量会增大，进而导致内力增大，而压缩量为受力与刚度的比值，则变化并不规律。从图4与表4中可以看出，随挡块刚度的增大，地震作用下挡块与主梁间的碰撞力也呈增大趋势。

3.2.2 初始间隙对挡块抗震性能的影响

根据课题要求选取5种不同的初始间隙探讨挡块与主梁的初始间隙对挡块抗震性能的影响，初始间距分别为0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m。为了保持单一变量，挡块厚度取为0.4m，挡块的刚度取为2.5×104N/m。

不同初始间隙挡块的抗震性能分析结果(表5～表7、图5～图7)。

表5 挡块初始间隙与挡块内力的关系

表6 初始间隙与挡块压缩量的关系

表7 初始间隙与挡块和主梁碰撞力的关系

图5 初始间隙对混凝土挡块内力的影响

从表5与图5中可以看出随着挡块与主梁初始间隙的增大，挡块的内力呈现减小的趋势，从表7与图7中可以看出初始间隙的增大，混凝土与挡块的碰撞力呈现减小的趋势，从表6和图6中可以看出随着初始间距的增大，混凝土挡块的压缩量呈现减小的趋势。说明当挡块的初始间隙较大时，地震动作用下挡块与主梁之间的碰撞效应较小。

图6 初始间隙对混凝土挡块压缩量的影响

图7 初始间隙对混凝土挡块与主梁碰撞力的影响

4 结束语

对于新型双重挡块来说，增大挡块的刚度虽然能在一定范围之内限制主梁与挡块的相对位移，减小挡块的压缩量，但是其他范围之内其关系并不统一，而且较大的挡块会导致挡块自身受力过大、挡块与主梁的碰撞力过大，从而导致挡块的破坏，产生落梁的风险。适当的增大主梁与挡块的初始间隙，可以起到减小地震作用下主梁与挡块的碰撞效应的作用，起到保护抗震挡块装置的效果，但是当初始间隙较大时，挡块的限位作用为减弱，导致主梁在地震作用下过大的位移，并且这个值还会受到构造要求的影响，使其数值较小。因此总的来说挡块与主梁的初始间隙不宜太大。