1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上公路橋梁板式橡膠支座設(shè)計選型及計算張忠效 鄭秀琦(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司駐贛辦，江西 南昌 )摘要：從工程設(shè)計出發(fā)，論述了公路橋梁板式橡膠支座材料、形狀、尺寸的選用及計算方法，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對支座選型時易范的錯誤和一些經(jīng)驗數(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算方法，可供設(shè)計參考。關(guān)鍵詞：公路橋梁；板式橡膠支座；選型；計算方法；實例分析中圖分類號：U443.36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ASpecification Choice and the Computational Method of Plate Type Elastomeri

2、c Pad Bearing for Highway Bridges in DesignZHANG Zhong-hao，ZHENG Xiu-qi(Beijing jianda road and bridge consulting companys Office in JiangXi，Nanchang ，China)Abstract: Embarking from the engineering design, the article discusses how to select the material, the shape, the size of the plate type elasto

3、meric pad bearing and calculate them. It also introduces some mistakes easy to commited and some experience value of selecting the plate type elastomeric pad bearing from actual project. The article especially elaborates the computational method of the thickness of latex's plate type elastomeric

4、 pad bearing and the choice of polytetrafluoroethylene slide plate type pad bearing. It is hoped that it can provide some references for the bridge design.Key words: Highway bridges；Plate type elastomeric pad bearings；Specification choice；Computational method；Analyze the typical example橋梁支座的主要功能是將上部

5、結(jié)構(gòu)反力可靠地傳遞給墩臺，并同時完成梁體結(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、造價低、安裝方便、吸震效果好、工作性能可靠等諸多優(yōu)點。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

6、能各異，給橋梁設(shè)計者選型帶來一定的難度。如果選型不當(dāng)，將會帶來諸多問題，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用和不良社會影響不言而喻。所以，從數(shù)以千計的規(guī)格型號中選擇合適的橋梁板式橡膠支座是設(shè)計支座的關(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

7、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。主要缺點是與金屬粘結(jié)性能較低，但這一缺點正在逐步得到改善。結(jié)合上述三種橡膠材料的主要優(yōu)缺點，選用橡膠支座材料時，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

8、-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，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，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

9、臺產(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413mm，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。實際采用時，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

10、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)計中對這兩種支座應(yīng)慎用。公路橋涵板式橡膠支座中還規(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)計理念。三、合理安排各墩臺橡膠

11、支座厚度對于多跨連續(xù)梁橋，為簡化設(shè)計和施工，各墩臺可選用相等厚度的支座。當(dāng)一聯(lián)中跨數(shù)較多時，上述作法并不可取。因為一聯(lián)橋長較長時，所選支座必然較厚。橋梁上部結(jié)構(gòu)在承受汽車制動力時，支座越厚，則產(chǎn)生的縱橋向變形量也會越大，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，加上汽車沖擊震動的影響，梁體變位可能會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。這樣雖然會增加設(shè)計和施工的麻

12、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23個墩與梁固結(jié)，以避免連續(xù)梁體下滑(實橋觀測表明，上述情形下不采取切實措施，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、臺上橡膠支座的厚度，以控制墩、臺水平力分配。實例分析：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，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40°計算溫度力。一車道制動力Fk=165kn。采用彈性基礎(chǔ)

13、-m法求得墩臺及基礎(chǔ)的抗彎剛度后，按墩臺與支座組合剛度進(jìn)行水平力分配，結(jié)果如下表所示：墩臺號3#4#5#6#7#支座型號(每墩臺單排16個)GYZF4250×65GYZ375×66GYZ375×55GYZ375×66GYZF4250×65全部支座剛度 (kn/m)20944 40011 47124 40011 20944 墩臺抗推剛度 (kn/m) 19138 14645 14874 支座與墩臺組合抗推剛度(kn/m)18295 12946 11173 10843 20799 最大支座摩阻力 (kn)263.8 2576.9 2133.9 25

14、76.9 263.8 升溫度力 (kn)279.8 100.9 3.3 -78.1 -305.9 降溫度力 (kn)447.7 161.4 5.3 -125.0 -489.4 二車道制動力0.0 ±122.2 ±105.5 ±102.3 0.0 需要說明的是，由于3#墩和7#臺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，故汽車制動力將進(jìn)行重分配，造成制動力全部由4、5、6#墩承擔(dān)，3#墩和7#臺分配到的制動力均為0。從計算結(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力，為其它墩減

15、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，采用各墩臺支座不等厚設(shè)計均是經(jīng)濟(jì)、合理的作法。四、橡膠支座計算中應(yīng)注意的若干問題其實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計算支座壓應(yīng)力時，應(yīng)采用支座有效承壓面積（即承壓加勁鋼板面積）。同樣，計算支座形狀系數(shù)時，亦應(yīng)采用加勁鋼板尺寸進(jìn)行計算。老橋規(guī)是以支座外觀尺寸代入計算的，應(yīng)注意調(diào)整我們的計算習(xí)慣。2剪變模量Ge常溫下橡膠支座的剪變模量Ge=1.0MPa。實際設(shè)計時，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，Ge值應(yīng)增大20%；當(dāng)?shù)陀?10時，Ge值應(yīng)增大50%；當(dāng)?shù)陀?/p>

16、-25時，Ge值采用2.0MPa。3支座橡膠層總厚度te進(jìn)行橡膠支座厚度計算時，容易將te誤認(rèn)為是支座的總厚度t，實際上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)計選型時多有不便。這時就需要根據(jù)支座形狀系數(shù)S（資料中均會給出）的計算公式矩形支座：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

17、+ te + nt0 = tf + 2th + (n-1)t1 + nt0tf _四氟滑板厚度，或500mm時，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，t0=2mm，否則t02.5mm，一般為3mm試算出n及te (n2層，各型號支座tf、th及t0值可能會與以上列出的常用值有出入，所以需試算)。4形狀系數(shù)S取值在實際選型時會發(fā)現(xiàn)，同種平面尺寸的橡膠支座一般會有幾種支座形狀系數(shù)可供選擇。這是因為同種平面尺寸支座一般會采用幾種不同的中間單層橡膠片厚度t1來生產(chǎn)，實際上這是不同型號的支座，其加勁鋼板的層數(shù)往往會相差13層。

18、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)計時可根據(jù)實際情況選用。還有，新橋規(guī)規(guī)定支座形狀系數(shù)應(yīng)在5S12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值可能會超出這一范圍。選用時應(yīng)注意核實，避免選用到不合要求的支座型號，造成日后變更設(shè)計。及時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。很多時候，設(shè)計人員會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

19、都是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ā嶋H上，通過逐一分析普通板式橡膠支座的計算公式，就能發(fā)現(xiàn)除摩擦力要求外，四氟滑板支座還需要驗算以下項目：支座有效承壓面積計算公式Ae=Rck_支座壓力標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載應(yīng)計入沖擊系數(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。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)。實測資料顯示，tan值對于混凝土橋1/300；鋼橋1/500。實際值應(yīng)根據(jù)梁的撓度進(jìn)行計算。Ee_支座抗壓彈性模量，Ee=5.4GeS

20、2。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，故無需驗算。“從保證受壓穩(wěn)定考慮，應(yīng)符合的條件”和“加勁鋼板厚度要求”也無需驗算，因為所有合格出廠的橡膠支座都能滿足這兩個條件(當(dāng)然板式橡膠支座也無需驗算這兩條)。6橡膠支座承載力取值選用板式橡膠支座時，支座的最大承載力應(yīng)與橋梁支點反力相吻合，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

21、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，支座與梁體間或支座與墊石間還會出現(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)控制在計算需要的承載力的-10%的范圍內(nèi)。原因有三：廠家給出的支座承壓力有富余；設(shè)計荷載出現(xiàn)的機(jī)率總是很小，大量時間支座的承壓力大有富余；實際中幾乎沒有被“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。實例分析：對于前述特大橋的引橋，僅改變其4-6#墩

22、上的支座大小(不考慮其實際中的合理性)，該變化對墩臺水平力的影響列表如下：墩臺號3#4#5#6#7#支座承載力減小12.9%支座型號(每墩臺單排16個)GYZF4250×65GYZ350×66GYZ350×55GYZ350×66GYZF4250×65全部支座剛度 (kn/m)20944 34854 41050 34854 20944 墩臺抗推剛度 (kn/m) 19138 14645 14874 支座與墩臺組合抗推剛度(kn/m)18295 12354 10794 10425 20799 升溫度力 (kn)280.2 96.6 3.4 -74.9 -305.4 降溫度力 (kn)448.4 154.5 5.5 -119.8 -488.6 二車道制動力0.0 ±121.4 ±106.1 ±102.5 0.0 支座承載力增大13.8%支座型號(每墩臺單排16個)GYZF4250×65GYZ400×66GYZ400×55GYZ400×66GYZF4250×65全部支座剛度 (kn/m)20944 45523 53617 45523 20944 墩臺抗推剛度 (kn/m) 19138 1464