浅析桥梁限位装置的设计与应用
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摘要：目前，对于桥梁工程安全性要求越来越严格，然而地震作用对桥梁的破坏则是非常严重的，因此，在桥梁设计过程中，必须认真考虑地震作用，并选择相应的抗震措施。对于抗震设防烈度为8度及以上的区域，需设置限位装置，常见的为抗震锚栓，利用其自身的抗弯能力限制桥梁在水平地震力作用下产生的侧向位移，而不至于使梁体滑落。
关键词：限位装置 抗震锚栓水平地震力抗弯能力
引言
地震作用对建筑结构的破坏是极其严重的，然而，对于桥梁工程而言，由于设计基准期一般为100年，因此地震对其影响是无法忽视的。在进行桥梁设计时，要求本着“大震不倒，小震不坏”的原则，所以要求桥梁结构在地震作用下必须具备一定的安全可靠性。
目前，对于桥梁的抗震设计，一般要求设防烈度在8度及以上时，需设置相应的限位装置，但是，在进行此限位装置设计时缺乏规范要求以及理论依据，多数都是通过经验来设置的。本文通过分析，提出了一种设计桥梁限位装置的方法，可供其他桥梁工程在设计限位装置时借鉴。
1地震作用分析
地震是通过纵横地震波，使建筑结构产生震动变形，从而产生很大的结构内力，致使建筑结构破坏。桥梁结构在受到横向地震波的作用时，产生较大的横向位移，在无限位装置的情况下，会使梁体滑落而破坏。
1.1地震作用对桥梁的影响
在地震作用下，通常对桥梁会产生以下两个方面的影响：
（1）由于地表破坏而引起桥梁破坏
地表破坏有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等现象。地裂会造成桥梁跨度的缩短、伸长或墩台下沉。在陡峻山区或砂性土和软黏土河岸处，强烈地震引起的塌方、岸坡滑动以及山石滚落，可使桥梁遭到破坏。在浅层的饱和或疏松砂土处，地震作用易引起砂土液化，致使桥梁突然下沉或不均匀下沉，甚至使桥梁倾倒。在坡边土岸或古河道处，地震则往往引起岸坡滑移、开裂和崩坍等现象，造成桥梁破坏。
（2）桥梁受震破坏
桥梁受震破坏是由于地震使桥梁产生水平和竖直振动，造成桥梁构件的损坏和破坏,甚至使桥梁倒坍。此外,有些桥梁虽然在强度上能够承受地震的振动力，但由于桥梁上部、下部结构联结不牢、整体性差，往往会造成桥梁上部和下部结构间产生过大的相对位移，从而导致桥梁破坏。
梁桥受震破坏主要表现为：①墩台开裂、倾斜、折断或下沉；②支座弯扭、断裂、倾倒或脱落；③桥梁上部结构和下部结构间相对位移；④落梁。
拱桥受震破坏主要表现为：①拱圈开裂；②墩台下沉；③多孔时墩身开裂、折断；④落拱。一般说来，桥梁震害在高烈度震区比低烈度震区重，岸坡滑移和地基失效处的桥梁震害比一般地基处严重。
1.2地震力的计算
桥梁上部结构在地震作用下会产生较大的水平作用，亦即水平地震力。而上部结构所产生的水平地震力主要作用于墩台上部，有抗震锚栓所承受。
根据公路桥梁抗震设计细则[1]，桥梁上部结构在地震作用下，所产生的水平地震力按照下式进行计算：
Ehau=CiCsCdAGau/g （1）
式中：Ci为抗震重要性系数；Cs为场地系数；Cd为阻尼调整系数；A为水平向设计基本地震动加速度峰值（g）；Gau一孔梁体总重（KN）；g为重力加速度（m/s2）。
从式（1）中可以看出，在地震作用下，上部结构受到的地震力与上部结构的自重以及抗震设防烈度等因素有着密切的关系，并随之增大而增大。然而这些因素都是很难避免的，因此当地震力达到一定程度时，（公路桥梁抗震设计细则规定，在抗震设防烈度大于等于8度时，需设置限位装置）就必须要采取相应的抗震设计。
2抗震锚栓的设计
桥梁在地震作用下，上部结构产生了较大的水平方向的滑移，严重时使梁体滑落，桥梁上部结构破坏，因此，必须设置相应的抗滑移装置，即抗震锚栓。
2.1抗震锚栓的型式
目前，对于桥梁抗震锚栓的常见型式是钢套筒与螺纹钢筋相结合的方式，即将两根螺纹钢筋一端放入钢套筒，一端预埋在桥梁桥台中，钢套筒与螺纹钢筋之间的缝隙采用沥青膏充填。见图1。
图1抗震锚栓常见型式
2.2抗震锚栓的参数计算
在地震作用下，由于桥梁上部结构的不同，因此，上部结构所产生水平地震力也有所不同，而用于限制桥梁上部结构水平位移的抗震锚栓，在具体的参数方面也是不相同的。
（1）抗震锚栓的直径
对于抗震锚栓的直径一般通过以下两种方法进行确定：
a．根据锚栓的常规做法，采用直径为22mm的螺纹钢筋，然后代入式（2）、（3）、（4）、（5）和（6）计算，将结果与水平地震力在桥台表面位置处产生的弯矩进行比较，从而验证锚栓的抗弯能力是否满足要求，若不满足然后调整锚栓直径继续计算。
b．通过式（6）计算锚栓若要承受因地震作用产生的水平地震力所需要的锚栓截面面积，进而确定抗震锚栓的直径。
（2）抗震锚栓的长度
在地震作用下，上部结构所产生的水平地震力作用于支座顶面，因此抗震锚栓在桥台外的长度应该大于支座的高度，但太长的话会造成浪费，如果刚好大于支座高度不多，则会在梁底与钢套筒接触部位产生应力集中，而使得这部分混凝土破坏，所以，通常将抗震锚栓桥台外部分的长度定为支座高度与梁体重心位置到梁底距离之和。
3抗震锚栓的抗弯能力分析
根据以上的分析，抗震锚栓作为一种限位装置，它是否能够起到相应的作用，就主要取决于锚栓本身的截面抗弯能力。
3.1抗震锚栓截面抗弯系数计算
根据材料力学理论，抗震锚栓的截面抗弯系数主要取决于锚栓截面惯性矩。
（1）锚栓截面惯性矩计算
锚栓截面惯性矩可以根据下式进行计算：
（2）
式中：d为锚栓的计算直径。
（2）抗弯截面系数计算
结合式（2），锚栓截面惯性矩可以根据下式进行计算：
（3）
3.2抗震锚栓截面抗弯能力计算
由截面法可知，杆件上的任一横截面上将只有弯矩M，其数值等于外力矩M。杆件横截面上正应力的计算公式：
（4）
式中： ―横截面上任意一点的正应力；
―横截面上的弯矩；
―所求应力点到中性轴z的距离；
―横截面对中性轴z的惯性矩。
在上式中，若将各个数值取杆件截面上的最大值，则横截面上的最大正应力为：
（5）
若令
则
即 （6）
式中：―锚栓截面抗弯承载力；为锚栓截面最大正应力，取锚栓钢筋的屈服强度值。
4.小结
通过理论分析，本文得出以下几点结论：
（1）由于地震作用和桥梁上部结构本身特性，对于空心板桥，通过设置抗震锚栓可以有效的防止桥梁上部结构在地震作用下产生过大的滑移，导致桥梁整体结构的破坏。
（2）通过计算抗震锚栓的抗弯能力，可以确定抗震锚栓的截面面积。
参考文献
[1]公路桥梁抗震设计细则（JTGT B02-01-2008）[S].
[2]自旋锚管的抗弯性能分析研究[J]陕西煤矿,2010,(04).
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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