 Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2013, 2, 210-216 http://dx.doi.org/10.12677/ojtt.2013.23039 Published Online July 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ojtt.html) Research of Cable-Unseating Prevention Device Hao Wu, Ren Luo School of Traffic, Nanjing University of Technology, Nanjing Email: wuhao20081@163.com Received: May 21st, 2013; revised: Jun. 3rd, 2013; accepted: Jun. 11th, 2013 Copyright © 2013 Hao Wu, Ren Luo. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The upper structure falling is one of the important reasons that cause the bridge collapsed. Beam lowering prevention measure’s main function is to prevent the upper structure falling in a earthquake. This article takes a multi-scale bridge as the analysis object, using the large finite element software ABAQUS simulation to analyze it. This paper studies the effects of beam lowering prevention measure, by the way of increasing the suspended length of the girder and setting the cable-unseating prevention device. Through the analysis results, we can find out that only increase the suspended length of the girder and set the ca- ble-unseating prevention device locality is not necessarily useful. The bridge structure should be viewed as a whole to set the beam lowering prevention measures. Keywords: Upper Structure; Beam Lowering; Anti-Seismic Device; Cable 连梁拉索的防落梁效果研究 吴 昊，罗 韧 南京工业大学交通学院，江苏，南京 Email: wuhao20081@163.com 收稿日期：2013 年5月21日；修回日期：2013 年6月3日；录用日期：2013 年6月11 日 摘 要：桥梁上部结构发生落梁是导致桥梁结构发生倒塌的重要原因之一。防落梁措施的主要功能就 是防止上部结构在地震过程中发生落梁。本文选取某连续桥梁作为分析对象，通过增加梁体搁置长度 和设置连梁拉索装置的方法，结合大型有限元软件 ABAQUS 进行模拟分析，研究防落梁措施的效果。 从分析结果可知，仅增加梁体搁置长度或局部设置连梁拉索并不一定能防止落梁，需要从桥梁结构整 体防落角度来设置防落梁措施。 关键词：上部结构；落梁；防落梁措施；连梁拉索 1. 引言 桥梁结构在地震过程中会发生多种震害现象，通 过对以往地震中桥梁结构的震害现象进行总结和分 析发现，桥梁墩柱结构发生损伤的现象更为常见，但 是上部结构中的落梁震害造成的破坏是毁灭性的。汶 川地震中发生倒塌的某连续桥梁，由于其牛腿处搭接 长度不足，并且未设置防落限位装置，最终导致第 5 联曲线跨发生倒塌。因此合理的选取防落梁措施对于 桥梁结构在地震中的抗震性能是很有必要的。本文利 用有限元软件ABAQUS 对该桥梁仿真建模分析，并 在桥梁不同部位设置了防落梁措施，以研究防落梁措 施在地震过程中的防落梁效果。桥梁整体布置示意图 Copyright © 2013 Hanspub 210  连梁拉索的防落梁效果研究 如图 1所示。 2.桥梁概况 该桥梁长约为500 m，高度约为 30.5 m，是国道 213 线紫坪铺库区淹没段改造工程，距映秀镇约 2 km， 于2004 年12 月建成通车[1-5]。该桥梁是一座高架曲线 桥，边跨曲线段呈 90 度弧形。上部结构除第三联为 简支 T梁外，其余均为连续梁；下部结构为双柱式桥 墩，除 13#墩顶设置盖梁外，其余墩顶均未设置盖梁， 只设置了系梁。其中，第 5联和第 6联之间采用牛腿 的连接方式。 3. 落梁震害 该桥梁第 5联在地震中发生了整体倒塌的现象， 主要原因是因为第5联和第 6联的动力特性差异较 大，导致牛腿两侧梁体的相对位移超出了搭接长度， 从而发生落梁；而牛腿处落梁后，第 5联整体发生了 顺桥向的运动，导致在伸缩缝处也发生了落梁，最终 导致第 5联曲线跨整体发生倒塌。 4. 防落梁措施选取 目前，国内外常用的防落梁措施主要有增加梁体 搁置长度，设置限位防落装置等。该桥梁第 13#墩墩 顶盖梁宽度为170 cm，不能满足《公路桥梁抗震设计 细则》(JTG/TB02-01-200 8)[6]中关于梁体搁置长度的要 求；牛腿处的搁置长度不足并且未设置限位防落装 置，因此本文对该桥梁伸缩缝处盖梁进行加宽，并在 桥梁结构中设置限位防落装置，研究防落梁措施的效 果。 Figure 1. Instance of the overall layout 图1. 实例整体布置图 4.1. 梁体搁置长度 我国《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)[7]中 关于梁体的搁置长度取值为a ≥ 50 + L (L为桥梁跨 径)，通过对以往震害资料的研究表明，对于较为常见 的中小型桥梁来说，a值相对不足。因此，《公路桥梁 抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)[6]参照日本桥梁抗 震设计新规范中的取值采用a ≥ 75 + 0.5 L。a值对照 表如表 1所示。 4.2. 连梁拉索 拉索式连梁装置与其他连梁限位装置相比，拉索 式连梁装置对于墩顶宽度没有要求，可以设置在梁体 和梁体之间，也可以设置在梁体和墩柱之间，并且拉 索式连梁装置可以处于松弛状态，从而不影响桥梁正 常工作状态。本文采用 W/2 法对连梁拉索进行设计， W/2法允许主梁在地震中脱离支座，由预应力钢绞线 或钢棒(简称 Cable)悬吊起来，Cable 上的作用力力为 桥跨重量的一半，即上部结构的恒载反力Rd [8]。连梁 拉索的设计过程如下： 4.2.1. 设计承载力 HF 连梁拉索是在超出了预期强度的大地震(即超出 L2 等级的地震)时发生作用，因此在设计拉索时，其 设计地震力应当大于 L2等级的水平地震力，即： Fh H=2 KR d (1) 式中：HF——连梁拉索的设计地震力；β——桥梁 地震荷载的重要性系数；Kh——L2 等级的水平地震 系数；Rd——恒载作用下的支座反力。 4.2.2. 拉索的容许拉力 Pa Pa Py (2) 式中：Py——连梁拉索的屈服拉力。 4.2.3. 拉索数量确定 假定设置的连梁装置平均承担设计地震荷载， Table 1. Comparison table of value a 表1. a值对照表 跨径 L (m) 13 16 20 25 30 《公路工程抗震设计规范》 (JTJ004-89) 63 66 70 75 80 《公路桥梁抗震设计细则》 (JTG/TB02-01-2008) 76.578 80 82.5 85 Copyright © 2013 Hanspub 211  连梁拉索的防落梁效果研究 则： F PHnPa (3) 式中：P——每根连梁拉索承受的地震荷载；n——连 结钢棒或拉索的数量。 4.2.4. 连梁装置的设计移动量 连梁装置设计位移的最大值的设定，主要要求是 对桥梁结构的破坏程度最轻，同时不能大于梁体的搁 置宽度，设计位移最大值公式(4)。在大地震发生时， 采用橡胶支座的桥梁，支座变形超出了自身的变形能 力的最大值，因此，要求连梁装置设计位移的最大值 不能小于橡胶支座自身变形能力的最大值。 FF MaxLSC S E (4) 式中：L——橡胶支座容许剪切变形量；SF——为连 梁装置的设计移动量；对于橡胶支座的允许最大剪切 变形可取 γ = 2.5，即连梁装置的最小移动量为S = 2.5 H；CF——为连梁装置的设计移动系数，一般可取 0.75，但当梁体搁置宽度SE数值较大或者变形可能会 导致支承能力受到影响及维修护理等的困难时，可小 于0.75。 5. 有限元模型 有限元模型的建立过程中，材料本构关系的选取 尤为重要，特别在复杂的地震荷载作用下。为了比较 好的模拟混凝土在地震荷载作用下特有的复杂破坏 过程，本文运用的混凝土本构模型为Jeeho Lee的混 凝土塑性损伤模型[9]，结构中钢筋应力–应变关系采 用三折线模型。 1) 混凝土塑性损伤模型 混凝土损伤塑性模型是使用各向同性损伤弹性 结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土 的非弹性行为。这是一个基于塑性的连续介质损伤模 型。此模型模拟混凝土结构在周期荷载或动荷载作用 下的破坏有比较好的效果。 2) 钢筋材料模型 钢筋本构模型采用应力–应变为三折线模型。由 于计算量比较大，所以本模型选取最右端的三联(第4 联 + 倒塌的第 5联 + 第6联)建立该桥梁有限元计 算模型，桥梁结构有限元模型如图 2所示。 3) 时程分析 有限元 ABAQUS 软件中ABAQ-US/Explicit可以 进行显式动态分析，适用于求解非线性动力学问题， 特别是模拟短暂、瞬时的动态问题，如跌落、爆炸、 冲击等。另外，对于处理接触条件高度非线性的准静 态问题也非常有效，本模型采用的是国家强地震动台 中心 2008 年5月12 日14 分04 秒汶川地震在汶川卧 龙台获得的加速度记录。动力时程分析法是直接将地 震波作用在结构支撑点(边界 )，可由计算得到结构每 一时刻的地震响应的方法。输入地震波时间为 0~50 s。 6. 分析结果对比 6.1. 梁体搁置长度 该桥梁第 4联梁体长度 25 m，因此，考虑将第 13#墩顶盖梁加宽至 180 cm。盖梁加宽前后，桥梁的 地震反应如图 3所示。 从图 3可以看出：原结构盖梁未加宽，在 33 s 时， 伸缩缝处发生了落梁；对盖梁进行加宽后，33 s 时， 伸缩缝处并未发生落梁，但梁体搁置长度已经所剩无 几，随后即发生了落梁。 Figure 2. Finite element model of the 4th - 6th union of Baihua Bridge 图2 第4~6 联有限元模型 (a) (b) Figure 3. Seismic response of bridge at 33 s; (a) Cap beam not widen- ing; (b) Cap beam widening 图3. 33 s时桥梁地震响应；(a) 盖梁未加宽；(b) 盖梁加宽 Copyright © 2013 Hanspub 212  连梁拉索的防落梁效果研究 小结：实例中对 13#墩顶盖梁进行加宽后，第 14 跨梁体落梁时间有所延迟，但是依旧发生了落梁。可 见，仅仅对梁体搁置长度进行改进，并不一定能满足 防落梁的要求，须结合限位措施或连梁装置来提高桥 梁抗震防落性能。 6.2. 连梁拉索效果 对于该桥梁，由于牛腿处发生了落梁，导致了第 5联曲线跨的整体倒塌。为了研究连梁拉索在防落梁 方面的作用效果，在实例桥梁中设置连梁拉索，具体 工况如下： 工况一：在 13#墩顶伸缩缝处设置连梁拉索； 工况二：在牛腿处设置连梁拉索； 工况三：在伸缩缝左右两片梁间、牛腿处设置连 梁拉索； 工况四：在伸缩缝左右两片梁间、牛腿处以及10# 和20#桥台处设置连梁拉索； 6.2.1. 工况一 在伸缩缝处设置连梁拉索(工况一)前后，该桥梁 地震响应变化如图 4所示。 通过图 4可以看出：原结构的伸缩缝处未设置拉 索，由于牛腿处的落梁，导致第 5联整体产生向顺桥 向运动的趋势，在33 s时，第 14跨梁体位移超过了 梁体的搁置长度，发生了落梁；而第13跨梁体和第 14 跨梁体设置了连梁拉索后，第 14 跨梁体未发生落 梁，连梁拉索起到了防落梁的效果，但是在连梁拉索 作用下第 4联整体也发生顺桥向的运动，最终 10#桥 台处的梁体移位超过了搁置长度限值，产生落梁，并 最终导致第 4联和第 5联整体倒塌。可见，牛腿处的 落梁是导致第 5联发生运动并导致倒塌的主要原因。 因此，尝试在牛腿处设置连梁拉索，研究防落梁拉索 的效果。 6.2.2. 工况二 在牛腿处设置连梁拉索前后，该桥梁地震反应变 化如图 5所示。 通过图 5可以看出：原结构的牛腿处未设置拉索， 20.5 s时，原结构牛腿处发生了落梁，由于牛腿处的 落梁，导致第 5联整体产生向顺桥向运动的趋势，在 33 s时，第 14 跨梁体位移超过了梁体的搁置长度， (a1) (a2) (b1) (b2) Figure 4. The whole bridge seismic response; (a1) Original struc- ture; (a2) Working condition one; (b1) Original structure; (b2) Working condition one 图4. 全桥地震反应变化；(a1) 原结构；(a2) 工况一；(b1) 原结构； (b2) 工况一 (a1) (a2) (b1) (b2) Figure 5. The whole bridge seismic response; (a1) Original struc- ture; (a2) Working condition two; (b1) Original structure; (b2) Working condition two 图5. 全桥地震反应变化；(a1) 原结构；(a2) 工况二；(b1) 原结构； (b2) 工况二 发生了落梁；而在牛腿处设置了连梁拉索后，在20.5 s时，牛腿处并未发生落梁，桥梁整体结构完好，连 梁拉索起到了防落梁的作用。但是33.5 s时，第 20# 桥台处，由于第 5联整体的顺桥向运动，导致第 6联 整体被第 5联牵引，第 20 跨梁体与桥台处的相对位 移超出了搁置长度，发生了落梁最终导致第 5联和第 6联整体发生倒塌。 小结：通过工况一可见，在伸缩缝处设置连梁拉 索后，不能避免牛腿处的落梁；工况二在牛腿处设置 连梁拉索，牛腿处未发生落梁，但是第 20 跨梁体发 生了落梁。仅仅在伸缩缝或者牛腿处设置连梁拉索， 并不能防止落梁。 6.2.3. 工况三 在伸缩缝处和牛腿处均设置了连梁拉索以后，百 Copyright © 2013 Hanspub 213  连梁拉索的防落梁效果研究 Copyright © 2013 Hanspub 214 (a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2) (d1) (d2) Figure 6. The whole bridge seismic response; (a1) Original structure; (a2) Working condition three; (b1) Original structure; (b2) Wor k ing condition three; (c1) Original s tructure; (c2) Working condition three; (d1) Original structure; (d2) Working condition three; 6. 全桥地震反应变化；(a1) 原结构；(a2) 工况三；(b1) 原结构；(b2) 工况三；(c1) 原结构；(c2) 工况三；(d1) 原结构；(d2) 工况三 图 花大桥的地震反应变化如图 6所示。 由图 6可知：1) 由于在牛腿处设置了连梁拉索， 牛腿处在20.5 s 时并未发生落梁；2) 伸缩缝处设置了 连梁拉索后，也起到了防落梁的作用，33 s 时，工况 三的伸缩缝处并未发生落梁；3) 由于第 5联和第 6 联的质量及动力特性相差很大，设置了连梁拉索以 后，第 6联发生了向第 5联运动的趋势，最终第 6联 的位移超出了20#桥台的搭接长度，在35 s时发生了 落梁；4) 第6联落梁以后，桥梁整体有向外侧转动的 小结：通过工况三可见，在牛腿和伸缩缝处设置 趋势，最终导致上部结构整体向外侧运动，发生倒塌。 了连 和牛腿处以及 10#和20#桥台处设置 了连 梁拉索之后，对牛腿处和伸缩缝处的落梁时间有 所延缓，但是由于第 6联质量相对第 5联较小，最终 导致第 20#桥台处发生了落梁，最终导致桥梁整体倒 塌，可见，设置连梁拉索不能仅仅对牛腿处及伸缩缝 处进行布置，需要针对桥梁整体来布置连梁拉索。 6.2.4. 工况四 在伸缩缝处 梁拉索以后，该桥梁的地震反应变化如图 7所示。  连梁拉索的防落梁效果研究 (a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2) Figure 7. The whole bridge seismnal structure; (b2) Working 图7可见 7. 总结 1) 对该桥梁 13#墩顶盖梁进行加宽设计后，虽然 落梁 置了连梁拉索之后，伸缩缝处未 发生 腿处未发生落 梁， ，但与仅在牛腿处设置连梁拉 索类 索后，牛腿处和伸缩缝处未发生落梁，10#和 20#桥 [1] 庄卫林, 刘振宇, 蒋劲松等. “5.12”汶川地震公路桥梁震害分 : 129-138. [2] 蒋劲松. 害调查分析[J]. 桥梁建设, 震设计对策[J]. 公 ic response; (a1) Original structure; (a2) Working condition four; (b1) Origi condition four; (c1) Original structure; (c2) Working condition four 图7. 全桥地震反应变化；(a1) 原结构；(a2) 工况四；(b1) 原结构；(b2) 工况四；(c1) 原结构； (c2) 工况四 由：在伸缩缝和牛腿处及10#和20#桥台处 质量不宜相差过大。 设置了连梁拉索之后，桥梁伸缩缝及牛腿并未发生落 梁，10#与20#桥台处也未发生落梁，20#桥台处梁体 和桥台发生了相对位移，但是未超出搭接长度，未发 生落梁，桥梁整体结构完好。 时间有所延缓，但是效果并不明显，并不能防止 落梁的发生，可见仅仅增加梁体搁置长度的方法并不 一定能防止落梁。 2) 在伸缩缝处设 落梁，但由于牛腿处落梁产生的顺桥向牵引作 用，10#桥台处发生了落梁，可见，牛腿处的落梁是 导致伸缩缝处发生落梁的主要原因。 3) 对牛腿处设置连梁拉索之后，牛 伸缩缝处也未发生落梁，但是由于第 6联质量远 小于第 5联，最终导致 20#桥台处发生落梁，第 5联 和第 6联发生整体倒塌。可见，连梁拉索两侧梁体的 4) 在牛腿处和伸缩缝处均设置连梁拉索后，牛腿 和伸缩缝处未发生落梁 似，20#桥台处发生落梁，最终桥梁整体发生倒 塌。 5) 在牛腿和伸缩缝处及 10#和20#桥台处均设置 连梁拉 台处也未发生落梁，20#桥台处的梁体和桥台产 生了相对位移，但是未超过搭接长度，桥梁结构整体 完好，未发生落梁和倒塌的现象。可见，连梁拉索的 设置须从桥梁结构整体防落的角度出发，不能只在桥 梁结构局部设置防落梁措施。 参考文献 (References) 析及对策研究[J]. 公路, 2009, 5 汶川大地震百花大桥震 2008, 6: 41-44. [3] 范立础, 李建中. 汶川桥梁震害分析与抗 路, 2009, 5: 122-128. 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