彈性模量和剪切模量

第六章橋梁的支座

支座布置簡(jiǎn)支梁橋一般一端采用固定支座,一端采用活動(dòng)支座。連續(xù)梁一般每一聯(lián)中的一個(gè)橋墩設(shè)固定支座.支座的設(shè)置應(yīng)有利于墩臺(tái)傳遞水平力。第二節(jié)支座的類型和構(gòu)造支座通常用鋼，橡膠等材料來制造主要類型：簡(jiǎn)易支座弧形鋼板支座橡膠支座板式橡膠支座盆式橡膠支座第二節(jié)支座的類型和構(gòu)造

應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑、支點(diǎn)反力的大小、梁體的變形程度等因素來選取支座類型。中小跨度公路橋一般采用板式橡膠支座大跨度連續(xù)梁橋一般采用盆式橡膠支座鐵路橋采用鋼支座一、簡(jiǎn)易支座采用幾層油毛氈或石棉制成，壓實(shí)后的厚度不小于1cm，可用于跨徑小于10m的板梁橋。第二節(jié)支座的類型和構(gòu)造該種支座變形性能較差，容易引起附加的內(nèi)力。二、鋼支座1、弧形鋼支座適用范圍：跨徑1020m構(gòu)造特點(diǎn)：由上下墊板所組成，下墊板頂面切剝成圓柱體。固定支座需在上墊板上做齒槽（或銷孔），在下墊板上焊以齒板（或銷釘），安裝后使齒板嵌入齒槽(或銷釘伸入銷孔)，以保證上下墊板之間不發(fā)生相對(duì)水平位移

板式橡膠支座按形狀劃分有矩形板式、圓形、球冠圓板式、圓板坡形等幾種系列。由多層天然橡膠與薄鋼板鑲嵌、粘合、硫化而成一種橋梁橡膠支座產(chǎn)品。該種類型的橋梁板式支座有足夠的豎向剛度以承受垂直荷載，且能將上部構(gòu)造的壓力可靠地傳遞給墩臺(tái)；有良好的彈性以適應(yīng)梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)；有較大的剪切變形以滿足上部構(gòu)造的水平位移。支座的橡膠材料以氯丁橡膠為主，也可采用天然橡膠。氯丁橡膠一般用于最低氣溫不超過-250C的地區(qū)，天然橡膠用于-300C

-400C的地區(qū)。三、橡膠支座1、板式橡膠支座

橡膠支座的變形機(jī)理轉(zhuǎn)動(dòng)變形：利用橡膠的不均勻彈性壓縮實(shí)現(xiàn)水平位移：利用橡膠的剪切變形實(shí)現(xiàn)

Δθ轉(zhuǎn)動(dòng)變形水平位移顯然橡膠支座水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)變形的大小與支座的厚度有關(guān)

根據(jù)試驗(yàn)分析，橡膠壓縮彈性模量E、容許壓應(yīng)力[

]和容許剪切角[tgr]的數(shù)值，均與支座的形狀系數(shù)S有關(guān)。形狀系數(shù)為橡膠支座的承壓面積與自由表面積之比，矩形支座為：式中：a

順橋方向橡膠支座的長(zhǎng)度；

b

橫橋方向橡膠支座的寬度；

t

中間橡膠層的厚度。

為滿足橡膠的容許壓應(yīng)力和使支座能適應(yīng)梁端轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，支座的長(zhǎng)度a與寬度b之比取決于主梁下的有效寬度及所需的剪切角

。一般應(yīng)充分利用有效寬度b，而盡可能減小a的尺寸，以降低轉(zhuǎn)動(dòng)阻抗力矩（它與a5成正比）。根據(jù)支座穩(wěn)定的要求，支座的總厚度不得大于平面最小尺寸的30%。bat形狀系數(shù)構(gòu)造特點(diǎn)：常用的板式橡膠支座采用薄鋼板或鋼絲網(wǎng)作為加勁層以提高支座的豎向承載能力。變形機(jī)理：（1）不均勻彈性壓縮實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）剪切變形實(shí)現(xiàn)水平位移；（3）無固定和活動(dòng)支座之分。性能指標(biāo)：（1）容許應(yīng)力；（2）彈性模量和剪切模量（3）容許剪切的正切值。適用范圍：支座反力為70－3600kN的公路、城市橋梁。

使用壽命短，一般10~15年，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)用期間一般需要多次更換，更換費(fèi)用較高且更換過程中影響結(jié)構(gòu)的使用功能；不能承載過大的豎向荷載，不能釋放過大的水平位移；橡膠在提煉、加工、使用過程中均對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，不環(huán)保；正常使用過程中對(duì)溫度變化比較敏感，過冷或過熱支座均無法正常工作。

該支座有足夠的豎向剛度以承受豎向荷載；有良好的彈性以適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)；有較大的剪切變形以滿足水平位移的釋放。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)高度小、加工安裝方便、節(jié)省鋼材、價(jià)格低廉、具有良好的防震性能。此種支座可以實(shí)現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動(dòng)和多向位移釋放。

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

板式橡膠支座代號(hào)表示方法

名稱代號(hào)（GJZ表示公路橋梁矩形支座；GYZ表示公路橋梁圓形支座；TBZ表示鐵路橋梁板式支座）

形式代號(hào)（F4表示四氟滑板支座；不加代號(hào)為普通支座

外形尺寸（矩形La*Lb*δ（mm）,圓形d*δ（mm））

橡膠分類（氯丁橡膠、天然橡膠、三元乙丙橡膠）武漢理工大學(xué)交通學(xué)院板式橡膠支座

常見矩形板式橡膠支座的平面尺寸：12x14cm14x18cm15x20cm

豎向支撐反力100~10000kN

材料有氯丁橡膠、天然橡膠、三元乙丙橡膠三種

矩形板式橡膠支座的應(yīng)用情況

盡可能地保證梁底與墊石頂面平行、平整，使其與橡膠支座上下面全部密貼，避免偏心受壓、脫空、不均勻受力的現(xiàn)象發(fā)生。板式橡膠支座的安裝注意事項(xiàng)2、四氟滑板式橡膠支座

將板式橡膠支座表面粘復(fù)一層1.5mm-3mm厚的聚四氟乙烯板,就能制作成聚四氟乙烯滑板式橡膠支座它除具有普通板式橡膠支座的豎向剛度與彈性變形,能承受垂直荷載及適應(yīng)梁端轉(zhuǎn)動(dòng)外,因四氟乙烯與梁底不銹鋼板間的低摩擦系數(shù)（μ≤0.08）,可使梁端在四氟板表面自由滑動(dòng),可使橋梁上部構(gòu)造的水平位移不受限制,特別適宜中、小荷載,大位移量的橋梁使用。橋梁球冠圓板式橡膠支座3、其它類型板式橡膠支座

制作頂面用純橡膠制成球形表面（最大4~10mm),使支座傳力均勻，改善或避免支座底面產(chǎn)生偏壓、脫空等不良現(xiàn)象。適于縱橫坡較大（3%~5%）的立交橋及高架橋。坡型板式橡膠支座以往對(duì)梁體縱坡1%～≤3%的橋梁，橡膠支座安裝使用時(shí)，在梁底與支座之間安置與橋梁縱坡一致的楔形鋼板（或楔形混凝土墊塊），或?qū)α憾说撞孔飨鄳?yīng)處理，以使支座平置，防止垂直反作用力的分力對(duì)支座的剪切作用?，F(xiàn)在可以采用新型坡型板式橡膠支座，坡度1-4%，根據(jù)特殊要求，坡度可做到6-8%。鉛芯橡膠支座4、橋梁盆式橡膠支座

盆式橡膠支座是鋼構(gòu)件與橡膠組合而成的橋梁支座。與板式橡膠支座相比具有承載能力大、水平位移量大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，其它優(yōu)缺點(diǎn)與板式橡膠支座類似。此種支座可以實(shí)現(xiàn)萬向轉(zhuǎn)動(dòng)、不釋放位移、單項(xiàng)釋放位移和多項(xiàng)位移釋放。適用于支座承載力為1000KN以上的大跨徑橋梁。盆式橡膠支座分固定支座與活動(dòng)支座。活動(dòng)盆式橡膠支座由上支座板、聚四氟乙烯板、承壓橡膠塊、橡膠密封圈、中間支座板、鋼緊箍圈、下支座板以及上下支座連接板組成。組合上、中支座板構(gòu)造或利用上下支座連接板即可形成固定支座。1）工作原理利用半封閉鋼制盆腔內(nèi)的彈性橡膠塊，在三向受力狀態(tài)下具有流體的性質(zhì)，來實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)依靠中間鋼板上的聚四氟乙烯板與上座板上的不銹鋼板之間的低磨擦系數(shù)來實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的水平位移。從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，橡膠處于三向約束狀態(tài)時(shí)的抗壓彈性模量為5X104kg/cm2,比無側(cè)向約束的抗壓彈性模量增大近20倍，因而支座承載能力大大提高，解決了普通橡膠支座承載能力的局限。所以，盆式橡膠支座能滿足大的支承反力，大的水平位移，大的轉(zhuǎn)角的要求。

2）盆式橡膠支座代號(hào)表示方法

名稱代號(hào)（GJZ表示公路橋梁矩形支座；GYZ表示公路橋梁圓形支座；TBZ表示鐵路橋梁板式支座）

支座設(shè)計(jì)承載力（以MN計(jì)）

使用性能分類代號(hào)SX、DX、GD適用溫度分類代號(hào)F表示耐寒型，常溫型不表示

GPZ35DX：表示GPZ系列中設(shè)計(jì)承載力為35MN的單向活動(dòng)的常溫型盆式支座。

GPZ50GD：表示GPZ系列中設(shè)計(jì)承載力為50MN的固定的常溫型盆式支座。

3）盆式橡膠支座構(gòu)造

單向活動(dòng)支座

固定支座

四氟板構(gòu)造

盆式橡膠支座構(gòu)造示意單向滑動(dòng)支座雙向滑動(dòng)支座固定支座盆式橡膠支座盆式橡膠支座構(gòu)構(gòu)造要點(diǎn)1.鋼盆2.承壓橡膠板3.鋼襯板4.聚四氟乙烯板5.上支座板6.不銹鋼滑板7.鋼緊箍圈8.密封膠圈5、其它支座

QGZ球型鋼支座QGZ球型鋼支座

四、成品盆式橡膠支座的選配

１、成品盆式橡膠支座的系列

成品盆式橡膠支座的主要系列有：GPZ、TPZ-1等。其中，GPZ表示由我國(guó)交通部中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的系列盆式橡膠支座；TPZ-1則表示我國(guó)鐵道部科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的系列盆式橡膠支座。另外，還有其它科研院所設(shè)計(jì)的類同系列的盆式橡膠支座。這些系列支座，適用于各類橋梁及類似受力與變形特性的工程結(jié)構(gòu)，并非有明確的公路、鐵路或其它工程結(jié)構(gòu)之分。各種系列的盆式橡膠支座噸位一般從1000起至50000，最多分為近40個(gè)級(jí)；并以DX、SX、GD分別表示單向、雙向活動(dòng)支座及固定支座，而GDZ則為抗震型固定支座的代號(hào)。

２、成品盆式橡膠支座的地區(qū)適用性

成品盆式橡膠支座的適用地區(qū)應(yīng)考慮溫度和地震兩個(gè)因素。以確定適配常溫型或耐寒型支座和采用何種震型支座或抗震措施。

3、各種類型成品盆式橡膠支座的合理選配

盆式橡膠支座能否適用于所設(shè)計(jì)的橋梁，當(dāng)然首先考慮的是其容許轉(zhuǎn)角及水平能承受的推力能否滿足要求。一般來說，GPZ、TPZ-1等系列的支座對(duì)這兩個(gè)要求均能滿足。若轉(zhuǎn)角和水平推力超出容許范圍，則需要改變支座的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)角特大，可采用球型支座。

關(guān)于在橋梁設(shè)計(jì)中支座如何合理選用問題，即究竟選用何種類型的支座，則需根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)圖式的要求決定。當(dāng)然，在一般情況下，固定端選用固定支座，活動(dòng)端選用活動(dòng)支座。但若橫橋向伸縮值不容忽視的時(shí)候，結(jié)構(gòu)圖式的固定端就不能單一采用GD類型的支座。這是由于現(xiàn)代橋梁的橋面越來越寬，超過20米已屢見不鮮，這時(shí)由溫度等因素引起的橫橋向伸、縮量便不可忽略了，有的可達(dá)到中等跨徑橋梁縱向的伸縮量。為保證梁不發(fā)生縱向位移，又能滿足多梁式寬橋的橫橋向位移，這時(shí)可將單方向活動(dòng)支座轉(zhuǎn)過90°橫置梁下(如圖2-7-9)，使其順橋向起固定支座的作用下，而橫橋向則起活動(dòng)支座的作用。

4、成品盆式橡膠支座承載能力的合理選擇

支座承載力大小的選擇，應(yīng)根據(jù)橋梁恒載、活載的支點(diǎn)反力之和及墩臺(tái)上設(shè)置的支座數(shù)目來計(jì)算。合適的支座一般為：最大反力不超過支座容許承載力的5%，最小反力不低于容許承載力的80%。規(guī)定最小反力的目的是保證支座具有良好的滑移性能，因?yàn)榫鬯姆蚁┌宓哪ゲ料禂?shù)與壓力成反比，如果低于規(guī)定的數(shù)值，則磨擦系數(shù)將會(huì)增大。

支座選配時(shí)，一般不必過多擔(dān)心支座的安全儲(chǔ)備，比如計(jì)算得到一個(gè)支座的最大反力為4100，最小反力為3700，那就選用承載力為4000的支座，這是因?yàn)?000支座的允許支反力變化范圍是3200～4200，不要從更安全的角度考慮加大支座的承載力而選用5000的支座。因?yàn)?000支座最低合適的承載力是4000，而最小支反力3700已小于此值，故不適宜選用。雖然我們規(guī)定最大反力，不超過容許承載力的5%，但支座實(shí)際的安全系數(shù)一般在5以上。第三節(jié)、支座計(jì)算一、支座受力特點(diǎn)作用在支座上的豎向力有結(jié)構(gòu)自重的反力。在計(jì)算汽車荷載支座反力時(shí)，應(yīng)計(jì)入沖擊影響力。當(dāng)支座可能出現(xiàn)上拔力時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算支座的最大豎向力和最大上拔力。直線橋梁的支座，一般僅需計(jì)入縱向水平力。斜橋和彎橋的支座，還需要考慮由于汽車荷載的離心力或其它原因如風(fēng)力等產(chǎn)生的橫向水平力。汽車荷載產(chǎn)生的制動(dòng)力，應(yīng)按照公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范要求，根據(jù)車道數(shù)確定。剛性墩臺(tái)各種支座傳遞的制動(dòng)力，按規(guī)范中的規(guī)定采用。其中，規(guī)定每個(gè)活動(dòng)支座傳遞的制動(dòng)力不得大于其摩阻力；當(dāng)采用厚度相等的板式橡膠支座時(shí)，制動(dòng)力可平均分配至各支座。對(duì)于梁橋，地震地區(qū)橋梁支座的外力計(jì)算，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的地震烈度，按<<公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范>>的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和組合。二、板式橡膠支座的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）支座尺寸確定

根據(jù)橡膠支座和支承墊石混凝土的壓應(yīng)力不超過它們相應(yīng)容許承壓應(yīng)力的要求，確定支座平面面積。在一般情況下，面積由橡膠支座控制設(shè)計(jì)：

支座平面尺寸對(duì)于橡膠板對(duì)于混凝土

支座高度

梁式橋的主梁由溫度變化等因素在支座處產(chǎn)生的縱向水平位移

，依靠全部橡膠片的剪切變形

t來實(shí)現(xiàn),

與

t的關(guān)系為：

ah

由

有--橡膠片容許剪切角的正切，可取用0.5～0.7，不計(jì)活載制動(dòng)力時(shí)用0.5；計(jì)及活載制動(dòng)力時(shí)取用0.7，則上式可寫成：--由上部結(jié)構(gòu)溫度變化、橋面縱坡等因素，引起支座頂面相對(duì)于底面的水平位移。當(dāng)跨徑為L(zhǎng)的簡(jiǎn)支梁橋兩端采用等厚橡膠支座時(shí)，因溫度變化每個(gè)支座承擔(dān)的水平位移可取簡(jiǎn)支梁向溫變變形的一半，--活載制動(dòng)力在一個(gè)支座上的水平力；--由制動(dòng)力引起在支座頂面相對(duì)于底面的水平位移，可按下式計(jì)算A

--橡膠支座的面積。G--橡膠的剪切模量，《橋規(guī)》規(guī)定：（二）支座偏轉(zhuǎn)與平均壓縮變形驗(yàn)算

主梁受荷撓曲時(shí)，梁端將產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)角為(如下圖)，但不允許其與支座間產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。梁端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支座就受到一個(gè)偏心豎向力的作用，表面將產(chǎn)生不均勻的壓縮變形，一端為另一端為，其平均壓縮變形，根據(jù)下式計(jì)算N

h式中：E--橡膠支座的彈性模量。當(dāng)無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可查閱<<公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范>>JTJ023-85，其值與支座的形狀系數(shù)有關(guān)，也可按下式計(jì)算

所以

《橋規(guī)》規(guī)定：