桥梁支座力学性能检验中发现的问题
2011-05-12蒋双喜赵德臣
□文/蒋双喜 赵德臣
□赵德臣/天津市市政公路工程质量监督站。
桥梁支座力学性能检验中发现的问题
□文/蒋双喜 赵德臣
文章从桥梁支座的功能和要求的角度，介绍支座力学性能检验对于保障桥梁的使用性能和使用寿命的意义。
桥梁；支座；功能；检验
桥梁支座是桥梁上部结构和下部结构的重要连接部件，虽然在整个桥梁工程中支座费用仅占总造价的2%～3%，但它的功能关系到桥梁使用寿命和安全。
近年来，随着公路和城市道路建设的发展，桥梁（包括跨河桥、立交桥和高架桥等）在道路建设中占的比重越来越大，特别是在高速公路和城市快速路建设中，桥梁所占的比例更高，无疑对支座的需求量也是越来越大。JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》中指出：“支座在安装前应对其进行全面检查和力学性能检验，如不符合设计要求时，不得使用。”
1 桥梁支座的功能
桥梁支座的主要功能是将桥梁上部结构的反力可靠地传递给墩台，同时能够适应桥梁结构的位移和转动变形。具体要求如下。
1）必须能支承从上部结构传递的桥梁自重、行车等垂直荷载和地震、风等横向荷载并安全可靠地传递给下部结构的墩台。
2）必须适应由行车（活动荷载）和温度变化产生的上部结构水平位移和由挠度产生的支点转动变位。
3）为了提高在地震时整座桥梁的抗震性能，支座应具有吸收地震产生的震动能量，降低作用在结构体系上的地震力影响的减震和隔震性能，即在地震和风力（如台风）作用下，具有适应瞬时大变位的作用。保证桥梁在地震时达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。
4）为了适应桥梁耐久性设计的要求，支座应由耐候性能好的材料制成，应具有耐腐蚀、耐疲劳、防老化等耐久性。防止支座长期使用过程中由于钢材腐蚀、橡胶老化的问题降低使用性能，从而造成桥梁结构体系的变化，甚至产生整个桥梁机能损坏的危险。
5）桥梁耐久性设计寿命为50～100a，支座的正常使用寿命如橡胶支座为35a，因此支座必须做到可检查、可维修、可更换。
6）城市桥梁在车辆行驶作用下，支座具有缓冲作用，减轻由于振动产生的噪音。
2 支座的种类和形式
2.1 种类
1）橡胶支座。包括板式、减振与隔振支座和带状、高阻尼橡胶支座。目前使用较多的板式橡胶支座，通常分为加劲支座和非加劲支座，为了既能承受较大垂直荷载，又能满足水平位移量的需求，桥梁上一般都采用加劲板式橡胶支座，加劲材料为钢板。
2）钢支座。包括盆式（橡胶）支座，球形、球面、圆柱形、钢平板等面接触支座；摇轴钢支座、辊轴钢支座等线接触支座；弧形钢支座等点接触支座以及特种钢支座。
3）其他形式支座。混凝土铰支座（交叉钢筋铰）、拉压支座及其他新型支座。
在各种支座中，一般城市桥梁和公路桥梁多采用普通橡胶支座。
2.2 支座的形式
按桥梁支座适应的变形来看，可分为固定支座、双向活动支座、单向活动支座、抗（减）震型固定支座等。
支座的选择形式与桥梁结构形式有关，应考虑：竖向作用、水平作用、位移要求、转动要求、地基条件和沉降的可能性，同时还要考虑桥梁的结构形式和构造尺寸。
3 桥梁支座的成品力学性能检验及存在的问题
目前我国市政公路行业对桥梁支座的成品力学性能检验主要参照公路行业标准和国家标准，包括：JT/T 4—2004《公路桥梁板式橡胶支座》、JT/T391—2009《公路桥梁盆式支座》、GB20688.1—2007《橡胶支座第1部分:隔震橡胶支座试验方法》、GB20688.2—2006《橡胶支座第2部分:桥梁隔震橡胶支座》、GB20688.3—2006《橡胶支座第3部分:建筑隔震橡胶支座》、GB 20688.4—2007《橡胶支座第4部分:普通橡胶支座》、GB/T17955—2009《桥梁球型支座》。
3.1 板式橡胶支座
1）检验
目前到场检验的矩形、圆形板式橡胶支座常规检验项目包括：支座极限抗压强度、支座抗压弹性模量、支座抗剪弹性模量、支座允许转角，对四氟滑板式支座还应进行摩擦系数指标的检验。
对比国家标准和行业标准，国标中对板式橡胶支座的成品力学性能检验指标要求较为宽松。天津市公路桥梁支座检验执行行业标准；市政桥梁检验目前依照国家标准。只有经检验合格的支座，才能够保证在长期使用过程中，其内在质量可靠、力学性能满足设计要求，保证桥梁使用寿命和安全。
2）存在问题
目前我国对板式橡胶支座的使用最为普遍，生产厂家众多、生产规模差距较大、质量良莠不齐，在支座成品力学性能检验中，影响质量的主要因素是加劲钢板本身强度、支座中间层橡胶片厚度和钢板与橡胶片粘结力等。四氟滑板式橡胶支座还受滑板本身的强度、硬度和四氟滑板与橡胶片粘结强度等因素影响。对板式橡胶支座检验中可能出现以下的问题应该引起注意。
（1）钢板质量差
支座的极限抗压强度试验属破坏试验，一般情况支座破坏应该是加劲钢板严重变形或断裂引起破坏，此时破坏的强度安全系数比较高。
板式橡胶支座在极限抗压强度试验中，受竖向压力作用。有的支座在试验中未达到规定压力时，即发生支座破损。经检查后发现，支座内钢板厚度未达到设计标准、钢板表面严重锈蚀已无法与橡胶层粘结。
（2）四氟滑板与橡胶层粘结不牢固
板式橡胶支座经极限抗压强度试验后，其强度虽然满足要求，但四氟滑板与橡胶层严重起鼓，变形无法恢复。见图1。
（3）内部结构不符合要求
有的板式橡胶支座经力学性能检验后发现，由于支座制造时橡胶层厚度不均匀或者内部钢板布置偏位，致使支座受力不均匀。经力学性能检验后，其弹性模量数值离散性偏大，支座容易发生局部异常外鼓或整体外鼓，严重的会发生扭曲变形，多呈弓形，甚至局部出现破损。见图2和图3。
（4）橡胶质量的影响
板式橡胶支座的主要材料是橡胶，目前常用的橡胶中，天然橡胶和氯丁橡胶的抗压弹性模量基本一致，而三元乙丙橡胶相对较低。有的支座在试验中发生因脱胶或橡胶撕裂导致破坏。
在板式橡胶支座（成品）力学性能试验中，橡胶材料的选择和胶料配方的设计对试验结果起到了至关重要的作用，规范中将（23±5）℃作为试验温度，要达到规范中要求的各项弹性模量指标，橡胶材料的质量至关重要。
（5）四氟板质量的影响
保证四氟滑板式支座的力学性能指标，四氟板的质量是保证支座受力滑移需要的关键，支座检验中发现以普通聚四氟乙烯板材生产的支座，不能完全满足桥梁工程受力特点的需要，有的支座在试验中四氟板破坏、脱胶，也使支座失去工作机能而破坏。
3.2 盆式橡胶支座
1）检验
目前到场检验的盆式橡胶支座常规检验项目包括：竖向承载力（竖向压缩变形、钢盆盆环上口径向变形、残余变形），水平承载力（非抗震型、抗震型），转角，摩擦系数。公路行业标准较国标对盆式支座的成品力学性能检验指标要求更加严格。
2）存在问题
（1）橡胶（胶料）
盆式支座用橡胶板一般采用氯丁橡胶、天然橡胶和三元乙丙橡胶为原料，而严禁使用再生的或加工研碎的硫化橡胶。
（2）聚四氟乙烯板
盆式支座对使用的聚四氟乙烯板材要求比较严格，标准规定应用新鲜纯料模压而成，不应使用车削板、再生料等模压加工的板材。
（3）不锈钢板
不锈钢板作为双向（或多向）和单向活动支座滑板及单向活动支座的侧向滑条使用，保证在长期使用过程中，其化学成分及力学性能应符合GB/T3280—2007《不锈钢冷轧钢板和钢带》的有关规定。
（4）硅脂
作为活动支座使用的聚四氟乙烯板，通常采用5201-2硅脂进行润滑。硅脂应保证在支座使用温度范围内不会干涸，对滑移面材料不得有害，具有良好的抗臭氧、耐腐蚀及防水性能。其物理化学性能指标应符合HG/T2502—1993《5201硅脂》的有关规定。
（5）黄铜
黄铜是盆式支座组件中密封圈使用的原材料。黄铜密封圈是由2～3层开口环组成并按钢盆的内径成型，铜环按45°角切口，切口两端之间的最大间隙≯0.5mm，各铜环的切口部位在组装时应沿支座钢盆周边均匀错开布置。其化学成分和机械性能应符合GB/T 2040—2008《铜及铜合金板材》的规定。
（6）钢件
该部件在使用前应进行外观尺寸检验，支座上下表面凹凸不平的情况时有发生，其后果直接影响盆式支座检验结果，严重的甚至会导致由于支座受力不均匀而影响桥梁使用安全。
4 结语
桥梁支座的质量直接影响着桥梁的使用寿命和安全，而成品支座的内在质量是否满足设计要求唯有通过力学性能检验才能得到。切实将支座的每一项成品力学性能检验做到实处，才能最大限度地保证桥梁的安全和延长使用寿命。
[1]李杨海.公路桥梁支座实用手册[M].北京：人民交通出版社，2009.
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1008-3197（2011）02-49-03
2011-03-16
蒋双喜/男，1975年出生，助理工程师，天津市市政公路工程质量监督站，从事试验检测工作。
□赵德臣/天津市市政公路工程质量监督站。
