0 引言

中国幅员辽阔，地处多地震带，地震活动频繁且破坏力巨大。此外，桥梁运营中超载现象普遍存在，极易引发结构倾覆事故。因此，对重要桥梁进行科学、合理的抗震、抗倾覆设计至关重要，以确保其在地震和运营中能够保持稳定。在地震和超载作用下，桥梁上部结构纵向过大的位移和支座脱空是导致落梁、碰撞^[1-2]和倾覆等破坏的主要原因。因此，有效限制、减少桥梁上部结构在地震作用下的过大位移和抑制支座脱空是提高桥梁抗震抗倾覆安全性、可靠性的重要措施和有效手段。

在桥梁抗震规范中，为防止地震中的落梁破坏，国内外均要求采用防落梁装置。常用的防落梁有挡块^[3]和防落链。挡块采用混凝土或钢结构预制，利用刚性阻挡限位，防止梁体过大位移，实现防落梁；防落链在梁体和墩台之间设置链条、钢绞线、钢丝绳、螺纹钢棒等连接装置，利用链、绳索、钢棒等受拉限位，防止落梁。然而，这些措施因结构限制还存在一些问题：混凝土现浇或钢结构现场安装可靠性差；挡块和防落链利用刚性受拉压连接节点容易造成构件损伤甚至破坏；单向设防未兼顾地震作用力方向具有不确定性；施工措施费用高；突出于梁体、墩台的刚性挡块、防落链影响桥梁美观。

近年来，桥梁倾覆案例频繁发生，多由大量超载车辆密集集中于梁体半边导致。这种极端偏载现象，极易造成梁体侧翻倾覆。为了有效防止此类事故的发生，我们采取了多种抗倾覆措施，如墩梁之间增设抗拔约束装置，桥墩采用盖梁多支承，拉大支座间距，以及支座预偏心等。这些措施主要是抑制支座脱空，确保桥梁的稳定和安全。然而，城市桥梁在设计时还需兼顾桥下空间的开阔和景观性，因此在加大支座间距方面存在一定的空间限制。此外，外设抗拉装置虽然能提高桥梁的稳定性，但其景观性和耐久性较差，需要在实际应用中加以权衡。

为解决上述问题，近年来，学术界和产业界对具有限位功能的防落梁板式支座^[4-8]、拉索盆式支座^[9-11]以及拉索摩擦摆支座^[12]进行了深入研究。这些研究主要集中在支座防落梁性能方面，抗倾覆功能尚未涉及，在支座构造上多采用功能分离式设计。然而，关于如何提高抗倾覆性能的研究相对较少。为了进一步完善支座的设计和应用，我们需要在现有研究的基础上，进一步探讨支座的抗倾覆性能，以期为桥梁工程提供更加安全、可靠的支座解决方案。

基于上述考虑，研发一种可以同时防落梁、抗倾覆功能的支座装置十分迫切且必要。本研究以南沙区市南路(一期)改造为工程背景，针对城市大悬臂钢箱梁桥，研发一种新型球钢支座，以期通过本研究，为多向防落梁和抗倾覆装置在桥梁中的拓展应用提供技术支撑。

1 新型防落梁、抗倾覆球钢支座介绍 1.1 构造

图 1所示的普通球钢支座构造，其基础功能已经相当完善。然而，为了进一步提升其性能，我们在其基础上增设了抗剪销、侧向钢挡块和锚固拉杆，如图 2所示的新型支座构造。这种设计不仅考虑了实用性，更兼顾了美观性，体现了我们对工程美学的追求。

经过改进优化的球钢支座优点主要有：多道防线防落梁；柔性缓冲；水平抗力可定制设计；挡块与支座一体工厂制作、质量易保证；结构简单、易维护、更换；成本持平。

1.2 工作机理

在正常工作状态下，限位块在U型限位槽内自由运动，限位装置不起作用。盆式支座通过中间钢板的滑动、转动，球形支座通过球冠衬板滑动、转动，实现支承、位移和转动功能。

在外力(如地震、风、车辆冲击载荷)作用下，支座快修抗剪销被剪断，支座达到屈服位移2~5 mm，梁体发生有限位移。当位移达到防落梁缓冲极限时(即初始间隙)，限位块与U型限位槽接触，限制梁体继续位移，防止落梁。

外力作用后，将梁体复位，用铳子、錾子等工具置入倾斜销孔或操作手孔，敲出剪断的抗剪销，并敲入备用抗剪销，实现快速修复。

抗拉锚栓在正常使用状态与钢梁不接触，钢梁底板预留锚栓空隙考虑梁位移空间，底板顶面通过钢垫片和蝶形弹簧及非紧固螺母形成抗倾覆锚杆体系，锚杆仅在极端偏载工况抗拉时发挥抗倾覆作用。正常使用状态锚杆对支座水平刚度无贡献，保证了力学模型的准确性。

1.3 力学模型

防落梁球钢支座可看作普通球钢支座与剪力销串联，支座与挡块接触后，支座屈服后刚度再与挡块刚度并联，其中普通球钢支座与剪力销串联在水平荷载作用下表现为非线弹性支撑特性，钢挡块在与支座上座板接触前不参与工作，在接触后表现为线弹性，防落梁球钢支座的荷载－位移曲线如图 3所示^[13]，图中，F_max为球钢支座临界水平力; k₁为支座初始剪切合成刚度; k₂为钢挡块刚度; 计算按刚性计算取值1e⁶，u₀为钢挡块与上座板的初始间隙，刚度如式(1)~ (3)计算：

(1)

(2)

(3)

式中，F₁为支座自身临界摩阻力；F₂为剪力销水平抗剪承载力；R为支座恒载反力；u_d为滑动摩擦系数，取0.02；u_y为滑动方向临界位移，取值2~5 mm，计算取3 mm。

支座固定方向水平刚度取值1e⁷ kN/m，抗剪承载力取支座竖向承载力0.15倍。

2 典型案例工程背景及分析模型

本研究以南沙区市南路(一期)工程为依托，深入研究了位于软土地质的桥位。鉴于此地不宜采用减隔震支座设计，以避免结构共振，我们选择了跨径组合为(35+43+35) m的钢箱连续梁作为研究对象, 横断面布置如图 4所示。上部结构的桥面宽度为26.5 m，标准段梁高2.0 m，中支点处横梁高2.5 m。每跨横向由6片分离式钢梁构成，纵梁通过横肋连接成梁格体系。下部结构中墩采用双柱式结构，边墩采用盖梁结构，墩柱标准断面为2.0 m×2.0 m的矩形断面，桩基采用直径为1.5 m的圆形断面。为了方便研究，我们将墩高均取为7.5 m，桩长均取为55 m。各构件的材料等级分别为：主梁Q355C、盖梁C50、桥墩C40、承台与桩基C35。

支座布置采用常规布置方式，支座布置如图 5所示，正常使用阶段滑动方向设计水平位移为100 mm。

用Midas Civil 2023对上述案例进行分析，主梁、盖梁、桥墩均采用空间梁单元模拟，桩基水平约束采用“m”法模拟，模型如图 6所示。

防落梁球钢支座采用滞后系统-非线性弹性支承和非弹性铰并联模拟，分析时仅考虑防落梁球钢支座对桥梁纵桥向抗震性能的影响。

桥位抗震设防烈度为7度, 场地类别为Ⅲ类，基本地震动加速度峰值为0.15g，按城市桥梁抗震设防分类为乙类，场地特征周期为0.45 s，根据地震动三要素的要求，选择输入的地震加速度时程曲线，图 7为罕遇地震下的一条人工地震波，沿桥梁纵向输入。

3 新型支座性能分析 3.1 参数敏感性分析

根据新型防落梁支座特点，支座初始水平刚度k₁和挡块初始间隙是两个可调重要参数，对桥梁抗震性能有重要的影响。为直观分析，假定不考虑材料非线性因素影响，采用边界非线性分析各参数对地震效应的敏感性。剪力销直径d₂决定了初始刚度k₁，初始间隙u₀按15 mm为极差取值，表 1列出了进行分析的参数值。

图 8为参数k₁和u₀对支座钢挡块碰撞压力的影响，可以看出，随着u₀的增大，碰撞力呈下降趋势，这是因为当防落梁球钢支座发生大于u₀的位移后，挡块才开始产生作用，u₀越大，钢挡块可发挥的作用越小; 碰撞力随着k₁的增大而减小，总体来看，u₀=75 mm，k₁=189 257.0 kN/m时，挡块碰撞压力最小。

图 9为参数k₁和u₀对支座纵向位移的影响，可以看出，纵向水平位移与u₀基本保持一致性，表明挡块对纵向位移发挥较好的作用，随着k₁的增大，支座位移有减小趋势。

图 10为参数k₁和u₀对墩底弯矩的影响，可以看出，随着u₀的增大，桥墩自由振动所产生的内力减小，钢挡块碰撞力所产生的桥墩内力增大，且后者占主要原因，墩底弯矩总体趋于减小; 墩底弯矩受k₁影响的规律不明显，其原因在于桥墩自由振动所产生的弯矩和钢挡块碰撞力所产生的弯矩叠加后的弯矩总体上趋于定值。

3.2 抗震防落梁性能分析

根据上述参数敏感性分析，u₀=75 mm，k₁=189 257.0 kN/m时，挡块碰撞压力和墩底内力最优。以最优参数为例，对比分析采用普通球钢支座和防落梁球钢支座2种体系下的地震效应。

表 2为2种体系下不同墩位处主梁和支座位移的对比，相比于采用普通球钢支座，采用防落梁球钢支座后位移显著减小，采用普通球钢支座体系下，有落梁及与相邻联碰撞的风险，同时引起桥面系附属结构的损坏。

表 3为2种体系下各墩底内力的对比，可以看出，采用ASS体系后，主墩的地震响应明显增大，其中以固定墩最为明显，支座滑动墩也有较大程度增加，这是因为，在SS体系中, 主梁与桥墩之间依靠摩擦连接，主梁传至主墩的剪力小，而在ASS体系中，支座挡块参与受力并将其传递给主墩，造成其内力显著增大，总体来看，桥墩内力虽有不同程度增大，但其数值仍在截面的承载能力之内，可满足验算要求。

图 11为ASS体系中球钢支座的荷载-位移曲线^[14]，可以看出，防落梁球钢支座表现出理想弹塑性的性质，作用机理是在设定间隙处引入较大刚度以限制位移；同时，支座通过牺牲内力来实现减小位移的目的。

图 12为ASS体系中球钢支座挡块的荷载－位移曲线，可以看出，挡块表现出多折线弹性的性质，与计算假定挡块弹性无限大刚度一致^[15]。

3.3 抗倾覆性能分析

取固定支座做抗倾覆性能分析，考虑主梁可能受到的最不利因素有：(1)恒载横向误差10%；(2)百年一遇横向风荷载；(3)城-A级车辆荷载偏载布置；(4)竖向地震力。分析结果见表 4。

从表 4看到，防落梁球钢支座抗拔承载力特征值为168.8 kN，满足抗拔要求。而普通的球钢支座由于无锚栓结构设计，当支座在地震作用下出现拉力时，对主梁无约束作用，产生落梁的风险。

4 新型支座应力仿真分析 4.1 荷载及工况

(1) 取型号KFQZ-15GD固定支座作为分析对象，建立的部件共11个。数值分析重点分析聚四氟乙烯滑板、中间钢衬板、下支座板以及锚栓的应力大小及分布。

(2) 混凝土的非线性行为采用Abaqus中专门用于混凝土的损伤塑性模型(CDP模型)来模拟。钢材均采用理想弹塑性模型，其中f_y取钢材抗拉强度标准值为345 MPa，弹性模量E取2e⁶ MPa。

(3) 导向板与限位块、上下支座板各部件以及锚栓与下支座板均采用绑定约束类型。导向板和上支座板、下支座板和混凝土块之间采用表面与表面接触类型，其中法向接触属性设置硬接触，切向接触属性设置为无摩擦。锚栓与混凝土采用内嵌类型。

(4) 混凝土块底部采用固定约束类型。将上支座板顶板与参考点耦合，在耦合点施加水平位移荷载。分析步共设置两步，第1步对参考点施加竖向向下10 000 kN集中力荷载，第2步对参考点施加水平位移荷载800 kN，与试验工况相对应进行等效模拟分析。单元均采用C3D8R一维减缩积分单元。

4.2 局部应力

为考察新型球钢支座在防落梁和抗倾覆极限状态下的受力状态，分别对支座锚栓/限位块/支座主体进行空间应力分析^{[13, 15-18]}。

防落梁支座分析结果见表 5，其中锚栓应力如图 13所示，锚栓、限位块、支座主体最大应力均未达到屈服状态，锚栓最大应力位置发生在1/3高度处；限位块和支座主体最大应力位置发生在与下支座板接触位置。

从上述结构应力分布可以看到：在上支座板施加水平剪力后，传力路径由上支座板传至球面聚四氟乙烯滑板，通过接触传递至下支座板，进而通过锚栓传至混凝土块，因此最大塑性应力发生在两次重要接触上：球面聚四氟乙烯滑板与下支座板、锚栓与桥墩。

针对最大塑性应力的发生位置，通过增大锚栓的直径和球面聚四氟乙烯滑板的厚度可以有效解决应力过大的问题。

5 结论

通过对新型防落梁球钢支座的力学性能分析，得到以下结论：

(1) 普通球钢支座在罕遇地震作用下有可能发生落梁和与相邻联碰撞的震害风险。

(2) 采用新型防落梁球钢支座装置后，通过选取合理的挡块初始间隙和抗剪销栓等参数，主梁位移和主墩内力均控制在合理区间，避免了主梁碰撞和落梁风险，满足结构抗震性能要求。

(3) 新型防落梁球钢支座通过抗拉锚栓连接主梁和桥墩，显著提升了桥梁抗倾覆性能。

新型球钢支座已授权实用新型专利两项，并应用于实际工程，为多向防落梁、抗倾覆球钢支座装置在桥梁中的应用提供了技术支撑。