公路橋梁板式橡膠支座設(shè)計及計算方法

楊茂召

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 212000）

0 引言

安設(shè)橋梁支座的目的是為了將上部結(jié)構(gòu)反力傳送到墩臺，并為梁體進(jìn)行水平位移、轉(zhuǎn)角等提供平臺。相較于普通的橋梁支座，橡膠材質(zhì)的支座結(jié)構(gòu)更為簡單、加工難度更低、耗材少、成本低、安裝簡單、性能更加穩(wěn)定，如今已被廣泛運用于公路橋梁項目之中。

1 橡膠材料的主要類型及其特征

從結(jié)構(gòu)型式來看，橋梁橋式橡膠支座主要包含普通板式橡膠支座與四氟滑板橡膠支座兩類。前者主要是在橡膠和薄鋼板鑲嵌、黏合、硫化作用下制成的；后者則是在前者的基礎(chǔ)上，根據(jù)其支座的大小，在其表面黏結(jié)了一層2～4mm厚的聚四氟乙烯板。

如今，由于不同的橋梁板式橡膠支座所需的原材料不同，且制成后的規(guī)格、功能等均不一致，給橋梁設(shè)計者造成了很大的困擾。如果設(shè)計者選擇了不適宜的支座，必然會產(chǎn)生極大的危害，不適宜的支座可能會導(dǎo)致支座承載力欠缺、支座厚度不足，進(jìn)而使得實際變形量不在設(shè)定范圍內(nèi)，橡膠過早老化等。種種問題都將使得橋梁病害問題頻發(fā)，嚴(yán)重縮短了支座的使用壽命，威脅了公路橋梁使用過程中的安全性。因此，為了有效保障最終的施工質(zhì)量，設(shè)計者必須根據(jù)實際需求選擇最適宜的橋梁板式橡膠支座[1]。

1.1 天然橡膠

天然橡膠的抗拉伸強(qiáng)度較高，同時在耐低溫性、耐磨耗性等方面均有突出的優(yōu)勢。但需注意，天然橡膠缺乏足夠的耐老化性能，且在紫外線的照射下，該材料往往有較快的老化跡象。

1.2 氯丁橡膠

氯丁橡膠的優(yōu)勢體現(xiàn)在耐臭氧老化、彈性良好、耐油、抗腐蝕等方面。得益于氯丁橡膠的多重應(yīng)用優(yōu)勢，其在現(xiàn)階段的橋梁橡膠支座施工中取得廣泛的應(yīng)用。但氯丁橡膠的耐低溫性能欠佳，因此對應(yīng)用環(huán)境有一定的要求，例如在北方寒冷地區(qū)則缺乏可行性，需要根據(jù)現(xiàn)場的氣候條件做合理的選擇。

1.3 三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠的耐老化、耐溫（高溫和低溫）性能優(yōu)勢突出，例如在100℃的高溫環(huán)境中仍可維持正常狀態(tài)，而在-55℃的低溫環(huán)境中其仍具備屈撓性優(yōu)勢。三元乙丙橡膠還兼具吸水性小、抗沖擊性好等特點，但也有不足之處，即與金屬黏結(jié)時穩(wěn)定性不足。

綜合前述分析可知，各類橡膠支座材料的特性有所不同，在橋梁工程建設(shè)中，需要充分考慮現(xiàn)場的氣溫條件，做合理的選擇。通常，-25～60℃的地區(qū)可優(yōu)先考慮氯丁橡膠支座，于我國而言，此類支座則主要適用于長江以南的地區(qū)；-40～60℃地區(qū)，較為合適的是天然橡膠材料或三元乙丙橡膠，將其作為支座的材料。此外，也需充分考慮緯度和海拔，例如在高緯度、高海拔地區(qū)，以抗紫外線輻射能力較強(qiáng)的橡膠支座為宜。

2 橡膠支座外觀形狀的選擇

橋梁橡膠支座的形式多樣，各自均有其獨特的適用性，本文對較為常見的幾種類型展開分析。

（1）圓形橡膠支座：在彎、坡、斜、寬橋梁中應(yīng)用廣泛，此適用性特征與其機(jī)械性能在平面上的各向同性有密切的關(guān)聯(lián)。

（2）矩形橡膠支座：可應(yīng)用于以縱橋向變位為主的單向變位橋梁，主要與支座長短邊抗剪剛度的差別有關(guān)，在實際應(yīng)用中，將支座短邊順橋向放置到位，有效減小對橋梁縱向變位的約束作用，此時墩臺受到梁體變位所帶來的水平力將保持相對較低的狀態(tài)，有利于維持墩臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）球冠圓板橡膠支座：中間層橡膠和鋼板布置方式與前述提及的圓形橡膠支座保持一致，但對支座頂面做出調(diào)整，即以純橡膠為原材料制作成型，呈球形，可適應(yīng)3%～5%的縱橫坡。借助球面表面橡膠，實現(xiàn)對梁端反力的有效擴(kuò)散與傳遞，將該部分力轉(zhuǎn)至下面的鋼板和橡膠層，實現(xiàn)對受力條件的有效優(yōu)化。并且，施工的靈活性較強(qiáng)，可根據(jù)坡度對球冠半徑做合理的調(diào)整。得益于對橋梁坡度適應(yīng)性較強(qiáng)的特點，無需配套專業(yè)的梁靴，有助于提高橋梁建設(shè)效率。作為一種以圓形板式橡膠支座為原型而衍生出的升級形式，球冠圓板橡膠支座的綜合應(yīng)用效果更為突出，在縱橫坡度較大的立交橋以及復(fù)雜度較高的其他形式橋梁中取得廣泛的應(yīng)用[2]。

（4）坡形板式橡膠支座：實際施工中，可以根據(jù)橋梁的縱橫坡度情況對斜坡的角度做靈活的調(diào)整，安裝階段的便捷性較好，無需針對楔塊或梁底做相應(yīng)的處理，有利于橋梁設(shè)計以及后續(xù)建設(shè)工作的開展。

3 各墩臺橡膠支座厚度的設(shè)計

在多跨連續(xù)梁橋建設(shè)中，墩臺可選用厚度一致的支座，以便降低設(shè)計難度，提高施工的便捷性。若一聯(lián)中跨數(shù)較多，前述提及的墩臺設(shè)計方法缺乏可行性，原因在于一聯(lián)橋的長度較大，此時的支座厚度也必然偏大，而在車輛行駛過程中，其產(chǎn)生的制動力會導(dǎo)致較大的縱橋向變形量，且在支座厚度越大時該現(xiàn)象越明顯。而且，車輛行駛過程中還存在沖擊振動作用，此時將進(jìn)一步加劇梁體變位，甚至在某些特殊的條件下超出橡膠支座許可的最大變形量，此時必然會損傷支座，進(jìn)而衍生出永久性塑性變形問題，不利于支座的正常使用。

針對前述提及的局限性，可以對一聯(lián)居中的若干橋跨做合理的優(yōu)化，例如該部分選用較薄的橡膠支座，即此時采取的是不等厚的支座設(shè)計方式。盡管該方法會增加工作量以及加大作業(yè)難度，但通過中跨薄支座的應(yīng)用，可發(fā)揮出固定支座的作用，進(jìn)而保證梁體的穩(wěn)定性，有效減小下滑變形量，綜合應(yīng)用效果優(yōu)于等厚的支座設(shè)計方式。若建設(shè)的是大坡度鋼式橋，在條件允許時宜將2～3個墩與梁進(jìn)行有效的固結(jié)處理，增強(qiáng)穩(wěn)定性，以防連續(xù)梁體下滑。根據(jù)支座厚度調(diào)整的設(shè)計思路做進(jìn)一步的分析，在遇到某些特殊的建設(shè)環(huán)境時，可以針對性地對墩、臺上橡膠支座的厚度做增減處理，通過此途徑來優(yōu)化墩、臺水平力的分布狀態(tài)，避免受力異常。

以某特大橋的引橋為例，采用先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土小箱梁，設(shè)置鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。汽車荷載采用公路Ⅰ級。用彈性基礎(chǔ)-m 法求得墩臺及基礎(chǔ)的抗彎剛度，同時對水平力做合理的分配（此處考慮的是墩臺與支座組合的結(jié)構(gòu)形式），墩臺計算結(jié)果如表1所示。

表1 橋梁墩臺計算結(jié)果

3#墩、7#臺所受溫度力較大，相比于最大支座摩阻力而言明顯偏高。在此受力條件下，四氟滑板支座有滑動的跡象，考慮到此情況，將汽車制動力重分配，由4#、5#、6#墩共同承擔(dān)該部分力，對于3#墩、7#臺兩部分結(jié)構(gòu)而言，分配到的制動力為0。在該優(yōu)化方式下，5#墩（中間墩）所受溫度力為0，若對5#墩的支座厚度做減薄處理，此時有利于增加組合剛度，起到給其他墩減負(fù)的突出作用。對于其他各墩而言，所受的水平力有更為顯著的均衡性?？梢?，各墩臺支座不等厚的設(shè)計方式更具可行性，無論是在保證受力合理性還是提高經(jīng)濟(jì)效益方面，其均有突出的優(yōu)勢。

4 橡膠支座計算的注意要點

4.1 剪變模量

橡膠支座的剪變模量Ge在不同溫度下不盡相同，其中常溫狀態(tài)該值為1.0MPa，在設(shè)定Ge值時，需要充分考慮到橋址區(qū)的氣溫。其中，累年最冷月平均溫度的平均值為重點考慮對象，該值低于-10℃時，Ge值應(yīng)增大50%；在-10～0℃時，Ge值應(yīng)增大20%。

4.2 支座橡膠層的總厚度

總厚度te應(yīng)按照如下方法計算：

式（1）中：n為支座內(nèi)加勁鋼板的層數(shù)；to為加勁鋼板的厚度。

在該公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮支座形狀系數(shù)S的計算公式，聯(lián)合兩項公式進(jìn)行反算，可確定t1。

式（2）～式（3）中：Loa、Lob分別為矩形支座加勁鋼板短邊、長邊的尺寸；do為圓形支座加勁鋼板直徑；t1為支座中間單層橡膠片厚度。

繼續(xù)結(jié)合如下公式：

式（4）中：tf為四氟滑板厚度；th為上、下保護(hù)膠層厚度；to為每層加勁鋼板的厚度。

經(jīng)過計算后，可得出n、te的具體值。

4.3 形狀系數(shù)

即便橡膠支座的平面尺寸保持一致，也往往存在多種支座形狀系數(shù)S，具體需要根據(jù)工程條件做合理的選擇。之所以出現(xiàn)該現(xiàn)象，與“采用多種中間單層橡膠片厚度t1”的生產(chǎn)方式有關(guān)，從本質(zhì)上來看，其對應(yīng)的是不同型號的支座，也正是由于此方面的差異，導(dǎo)致加勁鋼板的層數(shù)不盡相同，通常會相差1～3 層不等。根據(jù)規(guī)律，S值偏小時，t1偏大，在此參數(shù)組合關(guān)系下，允許轉(zhuǎn)角正切值較大，若從適用性的角度來看，可以應(yīng)用于大跨徑橋梁工程中。根據(jù)新橋規(guī)規(guī)定，S的取值區(qū)間為[5,12]，對于部分按照老版規(guī)定制作的橡膠支座而言，可能會出現(xiàn)該類支座的S值超出許可范圍的情況，因此需要加強(qiáng)核查，保證支座型號的合理性[3]。

4.4 四氟滑板支座尺寸及厚度計算

在四氟滑板支座的驗算中，除了摩擦力外，還存在其他的關(guān)鍵驗算項目，各自均是驗算中不容忽視的內(nèi)容，具體做如下分析：

支座有效承壓面積，按照下式展開計算：

式（5）中：Rck為支座壓力標(biāo)準(zhǔn)值（需注意的是，對于汽車荷載而言，還需充分考慮到?jīng)_擊系數(shù)）；σc為支座使用階段平均壓應(yīng)力限值，取10.0MPa。

豎向平均壓縮變形條件：

式（6）中：δcm為支座豎向平均壓縮變形；θ為上部結(jié)構(gòu)撓曲在支座頂面引起的傾角，不同橋梁的tanθ值不盡相同，例如：鋼橋≥1/500、混凝土橋≥1/300，在具體的橋梁工程設(shè)計中，需以梁的撓度為準(zhǔn)展開計算，確定合適的θ值；Ee為支座抗壓彈性模量，取5.4GeS2；Eb為橡膠彈性體體積模量，取2 000MPa。

按照所提公式展開計算后，可求得te值，根據(jù)該結(jié)果反映滑板支座的橡膠層總厚度。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著橋梁行業(yè)的發(fā)展，支座的形式趨于多樣化，其中板式橡膠支座頗具代表性，此類型支座具有構(gòu)造簡單、經(jīng)濟(jì)高效等多重特點。當(dāng)然，不同類型橋梁對支座的要求有所差別，同時支座的各項參數(shù)需要根據(jù)實際環(huán)境做合理的優(yōu)化，否則均會影響支座的正常使用。作為工程人員，需要合理進(jìn)行設(shè)計與計算，確定橡膠支座的各項關(guān)鍵參數(shù)，制訂完善的方案，以便高效施工，保證支座的質(zhì)量。