本发明涉及一种新型的防落梁装置，适用于既有公路桥、城市高架桥以及各种中、小跨径连续梁、简支梁桥结构的抗震加固。能够在地震作用下有效限制桥墩和主梁的相对位移，减少地震中的落梁震害，属于桥梁结构减、抗震领域。
背景技术：
我国是一个地震多发的国家，地震频率高，强度大，并且分布范围广。近几年发生的几次特大地震灾害，都对我国人民造成了重大的生命财产损失。在我国现有永久性公路桥梁中，绝大数为中、小跨径梁式桥，但根据桥梁抗震、减震要求的连梁装置很少且没有具体的国家标准。桥梁作为交通生命线工程之一，对抗震救灾和灾后重建起着至关重要的作用。
在破坏性地震中，桥梁上部结构的位移过大和落梁震害比较常见。在汶川地震中，落梁震害极为严重，主梁发生落梁时撞击桥墩和桥台，会对下部结构产生二次破坏，可能造成更大的震害。美国、日本等国在桥梁规范中对防落梁装置都有所规定。而国内现缺乏相应的设计规范，防落梁装置只作为桥梁抗震的一种构造措施。
为降低桥梁上部结构的震害，提高其整体抗震性能，对于已建桥梁要进行防落梁加固，减少其在地震来临时发生落梁震害，由于对已建桥梁的加固存在施工难度较大的问题，能用于加固的防落梁装置也较少。常用的防落梁装置主要有在横桥向设置防撞梁挡块与纵桥向设置限位装置，通过横、纵桥向相互配合达到防落梁的目的。上述采用防落梁挡块的方法，存在施工质量差，可靠性不高，在地震中容易破坏，并且不易修复和更换等问题；纵桥向防落梁装置成本昂贵，施工困难，抗震效果不明显。基于以上所述不足，本发明提出一种新型的基于缠绕索的防落梁装置，通过缠绕索与摩擦轴的摩擦消耗地震能量，减小上部结构地震反应。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种基于摩擦索的防落梁装置，用于桥梁加固，利用本发明，可以克服常规防落梁装置既有技术上存在的上述缺点和不足，有效控制地震作用下墩梁相对位移，减少地震时落梁灾害发生的概率，为既有桥梁的抗震加固提供一种新思路和新技术。
摩擦索防落梁装置，由于已建城市公路桥的主梁与盖梁之间的可用空间很小，防落梁装置无法布置在梁体和盖梁之间，所以本发明将其固定在盖梁侧壁的底部固定板上；该防落梁装置固定在盖梁侧壁的底部固定板上；上述防落梁装置呈竖直布设，与盖梁侧壁垂直，且摩擦索两端在一个竖直平面内，与盖梁侧壁平行；每个装置的组成部分如下：底板通过膨胀螺栓固定于盖梁侧壁上；摩擦轴支架固定于底板上，摩擦轴固定在底板与支架之间；两个梁体限位块固定在主梁上；摩擦索在摩擦轴上缠绕若干圈，并施加预紧力后，两端分别连接在两个梁体限位块上。
应用所述装置的方法，其特征在于：
正常状态下，摩擦索与摩擦轴之间因施加的预应力而产生的静摩擦力能够满足因车辆制动引起的墩梁相对位移以及温度引起梁体的伸缩。梁体包括主梁和盖梁；地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索与摩擦轴之间的最大静摩擦力时，摩擦索与摩擦轴之间发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生过大的相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。
本发明的工作机理为：
正常状态下，摩擦索4与摩擦轴3之间因施加的预应力而产生的静摩擦力能够满足因车辆制动引起的墩梁相对位移以及温度引起梁体的伸缩。地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵向地震荷载大于摩擦索4与摩擦轴3之间的最大静摩擦力时，摩擦索4与摩擦轴3之间发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生过大的相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。同时，限位块起到限制梁体发生过大位移的作用，并且对支座也有保护作用。极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，梁体限位块与装置发生碰撞，限制梁体与桥墩发生过大位移，并且对支座起到保护作用。
摩擦索防落梁装置设计方法，其特征在于：
1)在正常状态下，摩擦索与摩擦轴之间产生的静摩擦力能满足正常使用需求，摩擦索的初始长度为
s(α0)＝2l/cosα0+nπd
fe2πnμ>pz
2)地震作用下，桥墩与梁体发生相对位移，摩擦索与摩擦轴发生相对滑动，随着墩梁相对位移的增大，摩擦索长度逐渐增加，索力增大。其在某一位置处的长度为
h＝l·tanα0
摩擦索伸长量为
摩擦索索力为
f＝f0+f+δf(k,α)-δf
化简得：f＝[f0e2πnμ+δf(k,δs)]e-2πnμ
3)极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，横桥向梁体限位块与摩擦轴支架发生碰撞，纵桥向梁体限位块与加固后的防撞梁挡块发生碰撞，限制桥墩与梁体发生过大的相对位移。要求横桥向装置支架与梁体限位块的水平距离小于边缘t梁距盖梁边缘的距离，纵桥向装置支架与防撞梁挡块的距离小于梁体在盖梁上的搭接长度。
δx≤δl
其中：
α—距摩擦轴较远一端摩擦索与水平向所成角度，rad；
α0—初始状态摩擦索与水平向所成角度，rad；
d—摩擦轴直径，m；
h—梁体限位块与摩擦索连接孔到桥墩摩擦轴的中线垂直距离，m；
l—梁体限位块与装置中线之间的距离，m；
n—摩擦索缠绕的圈数；
μ—摩擦索和摩擦轴之间的摩擦系数；
f0—摩擦索预应力，kn；
f—摩擦索与摩擦轴产生的滑动摩擦力；kn
δf(k,α)—由摩擦索伸长引起的索力；kn
δf—为摩擦力损失值；
pz—车辆制动力，kn。
k—缠绕索刚度，kn/m；
δsa—摩擦索伸长量，m；
δx—梁体与桥墩纵向相对位移，m；
δl—纵桥向主梁在盖梁上的搭接长度，横桥向主梁两端t梁距离盖梁边缘的距离；
本发明的优点在于：
1)在正常车辆制动荷载以及温度荷载作用下，摩擦索与摩擦轴之间的静摩擦力限制墩梁间的相对位移，满足正常使用需求。
2)在地震作用下，当上部结构梁体产生的地震力大于摩擦索与摩擦轴之间的最大静摩擦力时，墩梁发生相对位移，摩擦索与摩擦轴之间发生相对滑动，摩擦索被拉长，摩擦索力增大，很好的限制了墩梁相对位移。
3)该装置在桥梁纵、横向均可以使用，都可以有效地起到防落梁作用。
4)该装置在地震发生时通过摩擦索与摩擦轴的滑动摩擦消耗地震输入结构的能量，减小上部结构的地震响应，可以有效避免落梁灾害的发生。
5)本发明装置具有施工方便、结构简单、受力清晰、造价低廉、检查维修方便等优点。
本发明的技术方案：
本装置的安装过程概括如下，对于城市公路桥，横桥向常在盖梁两端各安装一个装置，底板和支架固定在盖梁竖直面上，限位块与相邻两片t梁连接；纵桥向固定在主梁伸缩缝处的防落梁挡块的竖直面上，摩擦索的缠绕圈数和预紧力根据具体情况设定。
所述装置的工作原理如下：
原理一：正常状态下，摩擦索4与摩擦轴3之间因施加的预应力而产生的静摩擦力大于车辆制动荷载以及温度荷载，能够限制梁体与桥墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。
原理二：地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的地震荷载大于摩擦索4与摩擦轴3之间的最大静摩擦力时，摩擦索4与摩擦轴3发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生太大相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。
原理三：极限状态下，摩擦索索力小于梁体地震荷载作用，横桥向梁体限位块与摩擦轴支架发生碰撞，纵桥向梁体限位块与加固后的防撞梁挡块发生碰撞，限制桥墩与梁体发生过大的相对位移。
本发明的积极效果是：本发明提出一种摩擦索防落梁装置，对现有桥梁进行防落梁抗震加固，该装置既能满足正常使用需求；在地震作用下又能有效防止桥墩和梁体发生过大相对位移，造成落梁破坏，提高结构的整体抗震性能。同时，本发明装置具有施工方便，受力清晰，结构简单，造价低廉，检查维修方便等优点。适用于公路桥、城市高架桥以及各种既有桥梁结构的抗震加固。
附图说明:
图1(a)、(b)、(c)分别是本发明在横桥向正常工作状态的主视图、俯视图以及侧视图；
图2是本发明在横桥向使用状态参考图；
图3(a)、(b)、(c)分别是本发明在纵桥向正常工作状态的主视图、俯视图以及侧视图；
图4是本发明在纵桥向使用状态参考图；
图5是本发明三维示意图；
具体实施方式
以下结合实例及附图作进一步详述，但不作为对本发明的限定。
本实例的结构如附图1、2、3、4、5所示，摩擦索防落梁装置，其中：1、梁体限位块；2、支架；3、摩擦轴；4、摩擦索；5、底板；6、底板螺栓；7、主梁；8、盖梁。
一种摩擦索防落梁装置，由两个梁体连接件与摩擦轴支架，一个摩擦轴和摩擦索组成。摩擦轴支架2垂直固定于盖梁8侧壁上；摩擦轴3固定在支架上；梁体限位块1固定在主梁7上；摩擦索4在摩擦轴3上缠绕若干圈，并施加预应力(具体缠绕圈数和预应力根据控制条件确定)后，两端分别连接在梁体限位块1上；摩擦索4与摩擦轴3的轴线相互垂直，摩擦索4两端在一个竖直平面内，与盖梁8侧壁平行。
本实施例中，缠绕索与梁体限位块斜向连接，在实际施工中根据施工方便，将缠绕索与梁体限位块水平连接。梁体限位块与地脚的碰撞面也可以做成竖直，具体根据实际施工需要调整。
正常状态下，摩擦索4与摩擦轴3之间因预应力而产生的静摩擦力能够限制因车辆制动荷载以及温度引起的梁体与桥墩之间的相对位移，以满足正常使用需求。地震作用下，随着桥墩和梁体相对位移的增大，当梁体的纵(横)向地震荷载大于摩擦索4与摩擦轴3之间的最大静摩擦力时，摩擦索4与摩擦轴3发生相对滑动，摩擦索随着桥墩和梁体相对位移的增大越来越紧，索力逐渐增大，限制桥墩和梁体发生太大相对位移。摩擦索通过与摩擦轴的摩擦滑动，消耗地震输入结构的能量，发挥减、抗震作用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同变化与修饰，都应视为本发明方案的技术范畴，均应包含在本发明的保护范围内。