橋梁支座構(gòu)造設(shè)計(jì)及支座選型資料匯總

公路橋梁板式橡膠支座設(shè)計(jì)選型及計(jì)算摘要：從工程設(shè)計(jì)出發(fā)，論述了公路橋梁板式橡膠支座材料、形狀、尺寸的選用及計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對支座選型時(shí)易范的錯(cuò)誤和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行了集中講解和列舉，還特別提出了支座橡膠層總厚度和四氟滑板支座選型的計(jì)算方法，可供設(shè)計(jì)參考。關(guān)鍵詞：公路橋梁；板式橡膠支座；選型；計(jì)算方法；實(shí)例分析橋梁支座的主要功能是將上部結(jié)構(gòu)反力可靠地傳遞給墩臺(tái)，并同時(shí)完成梁體結(jié)構(gòu)受力所需的變形(水平位移及轉(zhuǎn)角)。與其它類型的橋梁支座相比較，橡膠支座具有構(gòu)造簡單、加工容易、用鋼量少、造價(jià)低、安裝方便、吸震效果好、工作性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。我國自上世紀(jì)60年代開始研發(fā)橋梁板式橡膠支座并大力推廣使用至今，取得良好的實(shí)用效果。公路橋梁橋式橡膠支座按結(jié)構(gòu)型式分為普通板式橡膠支座和四氟滑板式橡膠支座(以下簡稱四氟滑板支座)。普通板式橡膠支座由多層橡膠與薄鋼板鑲嵌、粘合、硫化而成。四氟滑板支座是于普通板式橡膠支座上按照支座尺寸大小粘結(jié)一層厚2-4mm的聚四氟乙烯板而成。其外觀形狀及結(jié)構(gòu)見下圖：目前，橋梁板式橡膠支座制作材料不同、規(guī)格多樣、功能各異，給橋梁設(shè)計(jì)者選型帶來一定的難度。如果選型不當(dāng)，將會(huì)帶來諸多問題，如支座承載力不夠或富余太多、支座太厚或太薄導(dǎo)致變形量太大或不足、選材不當(dāng)引起橡膠過早老化等。這些問題將直接導(dǎo)致各種橋梁病害的發(fā)生，使支座過早破壞而不得不提前更換，其帶來的高額維修費(fèi)用和不良社會(huì)影響不言而喻。所以，從數(shù)以千計(jì)的規(guī)格型號中選擇合適的橋梁板式橡膠支座是設(shè)計(jì)支座的關(guān)鍵。一、了解各種橡膠材料特性常用的橡膠材料有：天然橡膠(NR)、氯丁橡膠(CR)和三元乙丙橡膠。三種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。天然橡膠：具有較高的拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的彈性、良好的耐磨耗性和耐低溫性等多項(xiàng)優(yōu)良性能，是綜合性能較好的膠種。但它的耐老化性能，特別是耐臭氧老化及抗紫外線老化性能較差。氯丁橡膠：具有優(yōu)良的耐天候老化和良好的耐臭氧老化性(抗臭氧老化性能比天然橡膠高12倍以上)，拉伸強(qiáng)度較高，彈性良好，抗腐蝕性良好，并且具有一定的耐油性。是國內(nèi)外橋梁橡膠支座普遍采用的主體材料，但其耐低溫性能較差，這限制了其在北方寒冷地區(qū)的使用。三元乙丙橡膠：是一種高分子材料，具有優(yōu)異的耐老化及耐高、低溫性能，在-55℃下仍有屈撓性，在100℃下能長期工作。此外，其抗沖擊性好，吸水性小，耐酸堿化學(xué)腐蝕性好。主要缺點(diǎn)是與金屬粘結(jié)性能較低，但這一缺點(diǎn)正在逐步得到改善。結(jié)合上述三種橡膠材料的主要優(yōu)缺點(diǎn)，選用橡膠支座材料時(shí)，主要應(yīng)考慮橋位所在地區(qū)的氣溫條件。一般來說，氣溫在-25~+60℃地區(qū)可選用氯丁橡膠支座，我國長江以南廣大地區(qū)普遍適合這種情況；-40~+60℃地區(qū)可選用三元乙丙橡膠支座或天然橡膠支座。此外，對于高緯度、高海拔地區(qū)，如當(dāng)?shù)刈贤饩€輻射強(qiáng)烈或空氣中臭氧含量較高時(shí)，應(yīng)避免選用天然橡膠支座。二、選定支座外觀形狀橋梁板式橡膠支座按形狀可分為矩形板式橡膠支座、圓形板式橡膠支座、球冠圓板式橡膠支座、坡形橡膠支座等。由于圓形橡膠支座機(jī)械性能在平面上的各向同性，更適用于彎、坡、斜、寬橋梁及其它多向變位的橋梁；矩形橡膠支座長短邊抗剪剛度的大小差別決定其更適用于以縱橋向變位為主的單向變位橋梁，此時(shí)，應(yīng)將支座短邊順橋向擺放，以盡量減小支座對橋梁縱向變位的約束，將梁體變位對墩臺(tái)產(chǎn)生的水平力減至最小。球冠圓板橡膠支座是在圓形板式橡膠支座的基礎(chǔ)上變化而成，其中間層橡膠和鋼板布置與圓形板式橡膠支座完全相同，而在支座頂面用純橡膠制成球形表面，球面中心橡膠最大厚度為4－13mm，球面邊緣15mm，以適應(yīng)3％到5％縱橫坡下，梁與支座接觸面的中心趨于圓形板式橡膠支座的中心。梁端反力通過球面表面橡膠逐漸擴(kuò)散傳至下面幾層鋼板和橡膠層。實(shí)際采用時(shí)，也可根據(jù)不同坡度需要調(diào)整球冠半徑。由于其能適應(yīng)較大的橋梁坡度，不用專門設(shè)置梁靴，極大地方便了設(shè)計(jì)和施工，一度被認(rèn)為是圓形板式橡膠支座的成功改進(jìn)，在各種布置復(fù)雜、縱橫坡較大的立交橋及高架橋上多有采用。與圓形板式支座到球冠圓板式橡膠支座的改進(jìn)嘗試一樣，矩形板式橡膠支座也作了許多改進(jìn)嘗試，以期能適應(yīng)各種橋梁縱坡的情形，坡形板式橡膠支座就是在這種情形下產(chǎn)生的。其斜坡的角度依據(jù)橋梁的縱橫坡而制造，安裝時(shí)無須準(zhǔn)備楔塊或?qū)α旱鬃鱿鄳?yīng)處理，方便了橋梁的設(shè)計(jì)與施工。但是，隨著球冠及坡形支座越來越多地被采用，其在實(shí)用中暴露出來的缺陷也日益明顯。新橋梁通用規(guī)范中明確指出，‘公路橋涵中不宜使用帶球冠的板式橡膠支座或坡形的板式橡膠支座’。所以，在設(shè)計(jì)中對這兩種支座應(yīng)慎用?！豆窐蚝迨较鹉z支座》中還規(guī)定，‘支座的四氟滑板不得設(shè)置在支座底面，與四氟滑板接確的不銹鋼板也不能設(shè)置在橋梁墩、臺(tái)墊石上’，這也就徹底否定了聚四氟乙稀球冠板式橡膠支座的設(shè)計(jì)理念。三、合理安排各墩臺(tái)橡膠支座厚度對于多跨連續(xù)梁橋，為簡化設(shè)計(jì)和施工，各墩臺(tái)可選用相等厚度的支座。當(dāng)一聯(lián)中跨數(shù)較多時(shí)，上述作法并不可取。因?yàn)橐宦?lián)橋長較長時(shí)，所選支座必然較厚。橋梁上部結(jié)構(gòu)在承受汽車制動(dòng)力時(shí)，支座越厚，則產(chǎn)生的縱橋向變形量也會(huì)越大，這就使梁體的下滑變位趨勢更加明顯，尤其當(dāng)橋梁縱坡較大時(shí)，加上汽車沖擊震動(dòng)的影響，梁體變位可能會(huì)超出橡膠支座允許的變形量，造成支座被剪壞。如支座老化較嚴(yán)重，這種大的梁體變位還可能造成支座永久性塑性變形，致使支座變形功能失效。大的梁體變位還會(huì)對橋梁伸縮縫產(chǎn)生更大的壓力。為避免上述情形發(fā)生，可在一聯(lián)中居中的若干橋跨內(nèi)選用較薄的橡膠支座，形成支座不等厚設(shè)計(jì)。這樣雖然會(huì)增加設(shè)計(jì)和施工的麻煩，但中跨薄支座相對起到了固定支座的作用，能有效地減少梁體下滑變位作用。對于高墩或大縱坡的梁式橋，最好能有2~3個(gè)墩與梁固結(jié)，以避免連續(xù)梁體下滑(實(shí)橋觀測表明，上述情形下不采取切實(shí)措施，梁體下滑不可避免)。當(dāng)然，在特殊情形下，還可以利用上述分析，有意加厚或減薄某些墩、臺(tái)上橡膠支座的厚度，以控制墩、臺(tái)水平力分配。實(shí)例分析：有座特大橋的引橋，上部結(jié)構(gòu)為4-30米先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼筋砼小箱梁，采用薄壁墩，肋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，引橋自成一聯(lián)，橋型圖如圖所示。汽車荷載采用公路I級，按最大升溫25°，最大降溫+砼收縮及徐變合計(jì)40°計(jì)算溫度力。一車道制動(dòng)力Fk=165kn。采用彈性基礎(chǔ)-m法求得墩臺(tái)及基礎(chǔ)的抗彎剛度后，按墩臺(tái)與支座組合剛度進(jìn)行水平力分配，結(jié)果如下表所示：墩臺(tái)號3#4#5#6#7#支座型號(每墩臺(tái)單排16個(gè)個(gè))GYZF4φ2550×65GYZφ375××66GYZφ375××55GYZφ375××66GYZF4φ2550×65全部支座剛度((kn/m))2094440011471244001120944墩臺(tái)抗推剛度((kn/m))1446511913814645148743000000支座與墩臺(tái)組合抗抗推剛度(kn/m))1829512946111731084320799最大支座摩阻力(kn)263.82576.92133.92576.9263.8升溫度力(knn)279.8100.93.3-78.1-305.9降溫度力(knn)447.7161.45.3-125.0-489.4二車道制動(dòng)力0.0±122.2±105.5±102.30.0需要說明的是，由于3#墩和7#臺(tái)承受的溫度力大于最大支座摩阻力，四氟滑板支座將發(fā)生滑動(dòng)，故汽車制動(dòng)力將進(jìn)行重分配，造成制動(dòng)力全部由4、5、6#墩承擔(dān)，3#墩和7#臺(tái)分配到的制動(dòng)力均為0。從計(jì)算結(jié)果可以看出，作為中間墩的5#墩，承受的溫度力幾為0，如減薄5#墩上的支座厚度，可增大其組合剛度，從而分配到更多的制動(dòng)力，為其它墩減負(fù)，使得各墩承擔(dān)的水平力更加均衡。故在任何橋長情況下，采用各墩臺(tái)支座不等厚設(shè)計(jì)均是經(jīng)濟(jì)、合理的作法。四、橡膠支座計(jì)算中應(yīng)注意的若干問題其實(shí)際最大支座變形也必將大大小于4#和6#墩，1．支座有效承壓面積Ae計(jì)算支座壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)采用支座有效承壓面積（即承壓加勁鋼板面積）。同樣，計(jì)算支座形狀系數(shù)時(shí)，亦應(yīng)采用加勁鋼板尺寸進(jìn)行計(jì)算。老橋規(guī)是以支座外觀尺寸代入計(jì)算的，應(yīng)注意調(diào)整我們的計(jì)算習(xí)慣。2．剪變模量Ge常溫下橡膠支座的剪變模量Ge=1.0MPa。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，Ge值應(yīng)注意按橋位所在地區(qū)氣溫條件進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)累年最冷月平均溫度的平均值為0~-10℃時(shí)，Ge值應(yīng)增大20%；當(dāng)?shù)陀?10℃時(shí)，Ge值應(yīng)增大50%；當(dāng)?shù)陀?25℃時(shí)，Ge值采用2.0MPa。3．支座橡膠層總厚度te進(jìn)行橡膠支座厚度計(jì)算時(shí)，容易將te誤認(rèn)為是支座的總厚度t，實(shí)際上te應(yīng)為支座橡膠層總厚度，即te=t-nt0。其中n為支座中加勁鋼板的層數(shù)；t0為每層加勁鋼板的厚度。在一些支座參考資料（特別是一些老的參考資料）中，并沒有直接列出每種規(guī)格支座的te值，設(shè)計(jì)選型時(shí)多有不便。這時(shí)就需要根據(jù)支座形狀系數(shù)S（資料中均會(huì)給出）的計(jì)算公式矩形支座：S=圓形支座：S=__矩形支座加勁鋼板短邊尺寸__矩形支座加勁鋼板長邊尺寸d0__圓形支座加勁鋼板直徑t1__支座中間單層橡膠片厚度，常用的t1值有5、8、11和15mm四種。反算出t1。再根據(jù)公式t=tf+te+nt0=tf+2th+(n-1)t1+nt0tf__四氟滑板厚度，或≤500mm時(shí)，tf=2mm，否則tf=3mmth__上、下保護(hù)膠層厚度，一般為2.5mmt0__每層加勁鋼板的厚度，或≤500mm時(shí)，t0=2mm，否則t0≥2.5mm，一般為3mm試算出n及te(n≥2層，各型號支座tf、th及t0值可能會(huì)與以上列出的常用值有出入，所以需試算)。4．形狀系數(shù)S取值在實(shí)際選型時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，同種平面尺寸的橡膠支座一般會(huì)有幾種支座形狀系數(shù)可供選擇。這是因?yàn)橥N平面尺寸支座一般會(huì)采用幾種不同的中間單層橡膠片厚度t1來生產(chǎn)，實(shí)際上這是不同型號的支座，其加勁鋼板的層數(shù)往往會(huì)相差1~3層。S值小則t1相對較厚，其允許轉(zhuǎn)角正切值相應(yīng)較大，比較適合大跨徑橋梁或梁端撓曲變形較大的情形，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選用。還有，新橋規(guī)規(guī)定支座形狀系數(shù)應(yīng)在5≤S≤12范圍內(nèi)取用，這就使得一些按老的《公路橋涵板式橡膠支座》規(guī)范制造的橡膠支座S值可能會(huì)超出這一范圍。選用時(shí)應(yīng)注意核實(shí)，避免選用到不合要求的支座型號，造成日后變更設(shè)計(jì)。及時(shí)更新手頭的橡膠支座參考資料能有效避免上述情形發(fā)生。5．四氟滑板支座尺寸及厚度計(jì)算橋規(guī)中僅對四氟滑板支座的摩擦力提出了要求，并未直接說明該如何確定四氟滑板支座的平面尺寸和橡膠層厚度。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)人員會(huì)將四氟滑板支座的平面尺寸和厚度取得與相鄰墩的普通板式橡膠支座等厚或干脆偏大取值，這都是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ā?shí)際上，通過逐一分析普通板式橡膠支座的計(jì)算公式，就能發(fā)現(xiàn)除摩擦力要求外，四氟滑板支座還需要驗(yàn)算以下項(xiàng)目：①支座有效承壓面積計(jì)算公式Ae=Rck__支座壓力標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載應(yīng)計(jì)入沖擊系數(shù)__支座使用階段平均壓應(yīng)力限值，取10.0MPa該式對四氟滑板支座同樣適用，可用于確定四氟滑板支座的平面尺寸。②豎向平均壓縮變形條件__支座豎向平均壓縮變形__上部結(jié)構(gòu)撓曲在支座頂面引起的傾角，以及支座直接設(shè)置于不大于1%縱坡的梁底面下，在支座頂面引起的縱坡坡角(rad)。實(shí)測資料顯示，tan值對于混凝土橋≥1/300；鋼橋≥1/500。實(shí)際值應(yīng)根據(jù)梁的撓度進(jìn)行計(jì)算。Ee__支座抗壓彈性模量，Ee=5.4GeS2。Eb__橡膠彈性體體積模量，Eb=2000MPa。該式可用于確定滑板支座的橡膠層總厚度te。除此以外，“從滿足剪切變形考慮，應(yīng)符合的條件”不符合四氟滑板支座的變形原理，故無需驗(yàn)算?！皬谋ＷC受壓穩(wěn)定考慮，應(yīng)符合的條件”和“加勁鋼板厚度要求”也無需驗(yàn)算，因?yàn)樗泻细癯鰪S的橡膠支座都能滿足這兩個(gè)條件(當(dāng)然板式橡膠支座也無需驗(yàn)算這兩條)。6．橡膠支座承載力取值選用板式橡膠支座時(shí)，支座的最大承載力應(yīng)與橋梁支點(diǎn)反力相吻合，其容許偏差范圍宜為±10%左右。所選支座承載力太小固然不行，但承載力過大也不可取。支座承載力越大，其平面面積也越大，相應(yīng)的剪切變形強(qiáng)度也越大。就是說，同一座橋梁，采用的橡膠支座越大，上部結(jié)構(gòu)變形對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力也越大，這對下部結(jié)構(gòu)是不利的。當(dāng)橡膠支座足夠大時(shí)，支座與梁體間或支座與墊石間還會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致抗滑穩(wěn)定性破壞。支座承載力非但不宜取大，還應(yīng)略小為好，即應(yīng)控制在計(jì)算需要的承載力的-10%的范圍內(nèi)。原因有三：①廠家給出的支座承壓力有富余；②設(shè)計(jì)荷載出現(xiàn)的機(jī)率總是很小，大量時(shí)間支座的承壓力大有富余；③實(shí)際中幾乎沒有被“壓壞”的橡膠支座。對于順梁底縱坡直接傾斜安裝的支座，為滿足橋規(guī)相關(guān)驗(yàn)算要求，支座壓應(yīng)力在限值范圍內(nèi)宜取高，同樣平面承壓面積下短邊宜取小，支座厚度在限值范圍內(nèi)宜取大。橫向傾斜安裝的支座可不考慮其影響。實(shí)例分析：對于前述特大橋的引橋，僅改變其4-6#墩上的支座大小(不考慮其實(shí)際中的合理性)，該變化對墩臺(tái)水平力的影響列表如下：墩臺(tái)號3#4#5#6#7#支座承載力減小112.9%支座型號(每墩臺(tái)單排16個(gè)個(gè))GYZF4φ2550×65GYZφ350××66GYZφ350××55GYZφ350××66GYZF4φ2550×65全部支座剛度((kn/m))2094434854410503485420944墩臺(tái)抗推剛度((kn/m))1446511913814645148743000000支座與墩臺(tái)組合抗抗推剛度(kn/m))1829512354107941042520799升溫度力(knn)280.296.63.4-74.9-305.4降溫度力(knn)448.4154.55.5-119.8-488.6二車道制動(dòng)力0.0±121.4±106.1±102.50.0支座承載力增大113.8%支座型號(每墩臺(tái)單排16個(gè)個(gè))GYZF4φ2550×65GYZφ400××66GYZφ400××55GYZφ400××66GYZF4φ2550×65全部支座剛度((kn/m))2094445523536174552320944墩臺(tái)抗推剛度((kn/m))1446511913814645148743000000支座與墩臺(tái)組合抗抗推剛度(kn/m))1829513473115