有关公路桥梁拉索式连梁装置设计参数化的研究

摘要：在全球，每年发生地震的次数是惊人的，强烈的地震会对人们造成经济和财产的损失，甚至严重威胁着人们的生命安全。桥梁对抗震减灾起着非常重要的作用，将桥梁的抗震能力提高有利于减少地震带来的损失，而连梁装置是在大地震爆发时避免落梁发生的最有效的装置，连梁装置的防落梁效果又与很多参数有关，如拉索长度、位移量等等。研究表明设计参数越大，防落梁效果越差，但是如果减小设计参数，连梁装置的内力又会增大，可能超出连梁装置的承受力。因此，科学、合理地设置连梁装置的参数是非常重要的。

关键词：公路桥梁；连梁装置；设计参数

中图分类号：U448.14 文献标识码： A 文章编号：

地震是一种很普遍的自然现象，其发生与地球的构造运动存在着紧密的联系，强烈的地震会产生巨大的破坏，还可能威胁到人们的生命。

1.落梁震害分析

在地震爆发时，相邻桥跨的运动是存在一定的差异的，这样就使节点的相对位移增加了，自由节点处的位移过大会使桥跨的纵向相对位移超过支座的长度，最终造成桥梁的破坏。尤其是在高墩柱的多跨桥梁中比较常见。虽然有的桥梁安装了螺栓，但是其强度是无法与纵向相对位移相抗衡的。

若桥梁的基地是软土或者易液化土，则其发生落梁的概率就更高了，主要是由于软土会使结构的震动效应大大增强。基地的液化也很容易引起桥梁的破坏，因为它会减弱桩的承受力，最终产生很大的横向或者竖向位移。

2.防落梁系统的组成

根据防落梁系统的每个组成部分的作用，可以将其分为3个部分：梁搁置长度、限位装置、连梁装置。

2.1梁的搁置长度

梁的搁置长度是指在强烈的地震爆发时，假设没有限位装置，避免上部结构从下部结构脱落而要保证的梁端与下部结构支承边缘的距离，如下图所示。为了避免梁与下部结构的相对位置变化太大而造成落梁，则必须要使墩台的支承长度增大。通过增加支承长度的方式来避免由于上下部结构的相对位置变化较大而引起落梁。此方法在曲线桥、斜桥中应用广泛。

2.2限位装置

限位装置的主要作用是在强震下防止支座处以及桥梁伸缩缝产生的变位太大，是防落梁的第一道防线，依据限位机制，可以将其分为两种类型：耗能型、非耗能型。

2.3连梁装置

连梁装置是防落梁的最后一道防线，尤其在可能发生特大地震的地区比较常见，连梁装置是在支座没有支承能力之后，桥梁上下部可能会发生很大的相对位移时，避免落梁的重要装置。

3连梁装置选用以及模拟

连梁装置通常是设立于桥联边跨的梁端，有以下几种连接方式：主梁与桥台连接、主梁与桥墩连接、梁与梁之间的连接。其主要有四种类型，即钢板式、高强钢棒式、连接杆式、拉索式等等，相对于其它类型来讲，拉索式连梁装置具有良好的适用性，还可以对其设计位移量进行控制。下面主要研究梁墩拉索式连梁装置，其模型如左图所示。

一般而言，对于小型地震的发生，连梁装置是不起任何作用的，上部结构的振动和伸缩不受约束；但是当大地震爆发的时候，连梁装置的作用就突显而出了，它可以对上部结构的振动和伸缩进行控制，避免上下部结构的相对位置变化太大，如右图所示。

图中的S是连梁装置间隙的初始值，它实质是指对连梁装置起动进行控制的设计位移量，其大小大于等于橡胶支座的允许剪切变形量，而小于等于连梁装置的设计移动系数与梁的搁置长度的积，通常情况下，其值为0.75，如果梁的搁置长度太大或者因为变位而引起维修困难时，可以将其减小，以避免对支承能力造成影响。图中的d是指桥梁上下部的相对位置变化，k是连梁装置的刚度，f是指连梁装置的作用力。

4.连梁装置设计算例

下面以一实际工程为例，有一4*28m的连续桥梁，其宽度为16m，高度为1.5m，墩的高度为10m，墩径是1.7m，边墩是运用滑板支座，而中墩运用的是板式支座，主梁的材料是C50混凝土，盖梁，桥墩运用C30混凝土，8厘米C50与11厘米沥青混凝同组成桥面铺张。

一般而言，落梁震害都是发生在顺桥向，所以选择大震时程波只在顺桥方向激励结构，此地震时程是某地方90年超过概率是2%的地震时程，峰值的加速度是0.36米每二次方秒，周期是0.8秒，地震持续时间为40秒。运用直接分析法进行分析，选择瞬态时程类型，利用质量和刚度因子法对结构阻尼进行计算，质量输入因子是0.04，刚度因子是0.02，第一阶阻尼是第三阶阻尼的0.006倍。

依据地震时程结果，支座的高度是0.052米，位移量是0.24米，已经在允许剪切变形量的范围之外，主梁已经脱落，所以，为了对上部结构的位置变化进行控制，必须要设置连梁装置。统计结构自重与二期恒载共同作用下的结构反力，可以得出上部结构的支座反力Rd，最后可以算出连梁装置的设计承受力为2528.34KN，采用抗拉强度为1680MPa的拉索，连梁装置的总破断索力为3800KN。

5.连梁装置防落梁效果分析

5.1连梁装置参数选择

在设计连梁装置时要将初始间隙与拉索的长度考虑进来，文章中的连梁装置的初始间隙在6厘米与28厘米之间变动，拉索长度的变化范围是0.6米至2米。并对连梁装置设置多组初始间隙与拉索长度，在地震的影响下，对计算结果进行比较、分析。

5.2防落梁效果与连梁装置初始间隙的关系

设计连梁装置的主要控制参数是桥梁上下部的相对位置变化，相对位置变化的减小量可以直接来衡量连梁装置的防落梁效果，连梁装置的变形和桥梁上下部的相对位置变化密切相关。

如下图所示，是相对位移与初始间隙的关系图，从图中可以看出，当初始间隙在8厘米与25厘米之间时，随着初始间隙的增大，相对位移在不断减小，但是减小的速度越来越慢，当初始间隙在25厘米以上时，连梁装置已失去作用。由此可知，在连梁装置的作用范围内，初始间隙越小，连梁装置的作用效果越显著，抗震能力越强。

5.3防落梁效果与拉索长度的关系

如下图所示，是相对位移与拉索长度的关系图，由图分析可知，桥梁上、下部结构的相对位置变化随着拉索长度的变化有所减小。

5.4连梁内力与设计参数的关系

在连梁装置作用范围内，连梁内力与变形是线性相关的，内力随着变形的增大而增大，如下图所示，是连梁内力与设计参数的关系图。

由图a可知，初始间隙越大，左连梁装置的内力越小，当初始间隙在16厘米以上时，连梁装置已经失去作用。而对于右连梁装置而言，内力随着初始间隙的增大而先增大后减小，当初始间隙为15厘米左右时，内力达到最大值。

当拉索长度为0.8米时，出现了连梁的内力都超出了拉索的承受力的现象，左边是在初始间隙很小的情况下出现的，而右侧是在初始间隙处于13厘米与20厘米之间出现的。

如图b所示，当拉索的长度增大时，内力在减小。对左连梁而言，初始间隙为8厘米时，在拉索长度很小的情况下，内力超出了承受力，而对于右连梁而言，初始间隙在8厘米与20厘米之间时，在拉索长度很小的情况下，内力超出承受力。

由于拉索长度不是影响防落梁效果的主要因素，为了保持连梁的最终抗震能力，要将拉索长度增大，同时减小初始间隙，增强防落梁效果。

图a

图b

结束语

综上所述，连梁装置的防落梁效果与桥梁上下部相对位移以及拉索长度等参数有关，因此，必须要科学、合理地设计参数，以增强防落梁效果，从而增强抗震能力。

参考文献

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