论桥梁支座新技术在城市桥梁建设的创新发展

穆祥纯

（北京市市政工程设计研究总院，北京市 100082）

1 概述

1992年11月，在武汉召开的全国桥梁学术大会上，笔者曾发表过《球型支座在北京城市立交桥的应用》一文。近二十多年来，特别是进入21世纪以来，我国的桥梁建设特别是大跨径城市桥梁建设得到了空前的发展。北京、上海、天津和重庆等一大批城市桥梁建设令世人瞩目。

城市桥梁通常指城区范围内建造的跨河、跨江、跨海桥梁，立交桥及人行天桥等。一般来说，城市桥梁设计水平主要体现在大跨度桥梁的建造上。从1991年上海南浦大桥的成功建成，至今我国已建成数以百计的城市大跨径桥梁，其中苏通大桥系世界上最大跨径的钢斜拉桥（跨径为1 088 m），上海卢浦大桥是世界上最大跨径的钢拱桥（主跨为550 m），连接扬州和镇江两座城市的润扬大桥是2005年建成的我国跨度最大的悬索桥（主跨为1 400 m），同年，我国建成了上海东海大桥（32.5 km）,2008年建成了杭州湾跨海大桥（总长36 km）。这些大桥的建成充分说明我国在长大、大跨径桥梁建设水平上已跻身世界前列。2008年建成的浙江舟山西堠门大桥为主跨1 650 m的悬索桥，是我国跨度最大的悬索桥，居世界第二位（第一为跨度1 991 m的日本明石海峡悬索桥）。21世纪的前十年，在世界10座悬索桥的排名中我国占据5座，充分说明我国建桥的惊人速度和宏大规模。

众所周知，城市桥梁一般由梁桥、刚构桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥、斜弯桥等不同桥型组成，桥梁支座作为连接其上下结构的重要装置，其实际工作状态（受力及约束）应与结构计算模型基本相符，以使桥梁结构的实际受力状态与理论计算结果相接近，达到设置支座的初衷。桥梁支座作为城市桥梁结构中连接其上下结构的一个重要装置，其主要作用是：承受桥梁结构的恒载、活载并传给墩柱、桥台，乃至基础，并适应桥跨结构的水平位移和转角位移。下面从近些年来桥梁支座新技术、新工艺和新成果的应用情况，典型桥梁工程的支座应用情况，桥梁支座新技术的发展展望等方面进行论述。

2 新型桥梁支座的创新和应用情况

我国1983年颁布了《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T4—1983）行业标准，尔后又编制和颁布了《公路桥梁盆式橡胶支座》和《球型支座技术条件》两个行业标准，至2003年我国对桥梁支座实行生产许可证管理制度，把上述3类桥梁支座列入了行业管理的实施标准。众所周知，桥梁支座的类型很多，主要应根据其支承反力、跨度、主梁高度以及预期位移量来选定。一般来说，桥梁支座按结构形式分为以下7个类别：弧形支座、摇轴支座、辊轴支座、板式橡胶支座、四氟版式橡胶支座、盆式橡胶支座、球形支座等。近些年来，随着我国桥梁建设的空前发展和科学研究成果的推广应用，新型桥梁支座在新技术、新工艺和新成果应用方面成绩斐然。

2.1 新型球型支座

2.1.1 特大型吨位的球型支座

球型支座在我国最早的应用实例系1991年的北京西厢立交桥和上海的南浦大桥。笔者当时曾撰文指出：“由于这种支座具有转动能力强，无方向性，并能预先调整支座板上的角度，能够满足桥梁结构多向转动的变形特性，大大改善了桥梁结构的受力状态，为桥梁设计和建造开辟了新的途径。”当时国产的最大竖荷载为12 500 kN，进口的MAORER球型支座的最大竖荷载为20 000 kN。特别是当时采用的国产QZ系列的球型支座，安装顺利，质量可靠，符合受力要求，填补了我国桥梁支座领域的空白。2010年10月建成的山东济宁市洸府河大桥为主跨320 m的双塔双索面叠合梁斜拉桥,全长1 831 m，其中主桥长600 m，桥宽40 m，双向6车道。这座大桥采用了由我国自行研制,拥有自主知识产权，当今世界上桥梁结构单个承载能力最大的球型钢支座——160 000 kN特大吨位球型支座，产品通过验收并安装成功。该支座在研发过程中，科研人员借鉴当今桥梁支座先进技术成果，创新并采用了多项最新制造工艺。该支座的成功研发，标志着我国超大承载力桥梁支座的生产及研发技术水平跻身于世界行列。

2.1.2 FCQZ系列复合材料球型支座

新型球型支座——FCQZ系列复合材料球型支座是由钢和耐压材料结合制造而成的，其外观结构与现有球型支座相似。按支座功能可分固定支座、纵向活动支座、横向活动支座和多向活动支座4种。 其技术创新反映在：（1）支座上摆和下摆分别由填充了耐压材料的凸球壳和凹球壳构成，填充的耐压材料重量轻；（2）球壳内的耐压材料处于三向应力状态，大大提高了支座的承载能力，使支座具有很大的抗压安全储备；（3）支座结构简单，便于加工制造；（4）支座无易损件，不老化，耐久性好。

FCQZ系列复合材料球型支座有以下特点。

（1）性能优良、耐久性好、加工方便、节能降耗、使用方便 。

（2）FCQZ系列复合材料球型支座的研制参照交通部行业标准《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T 4－2004）、《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT 391－1999）和国家标准《球形支座技术条件》（GB/T 17955－2000）的有关技术要求。 a.位移量：根据支座承载力的大小分级设置，范围为30～150 mm；b.支座转动角不小于0.05 rad；c.固定支座在各方向、单向活动支座非滑移方向的水平承载力不小于支座竖向承载力的10%,抗震型支座则为20%。

（3）与现有国内外的桥梁支座相比，FCQZ系列复合材料球型支座的价格便宜。

FCQZ系列复合材料球型支座在构造和用料两方面的技术创新以及新铸造工艺的引进，进一步完善了球型支座的使用性能，同时也降低了支座的造价，其制造成本不但大幅低于现有同承载力的球型支座，而且还低于同承载力的盆式橡胶支座。另外，支座铸钢用量的大幅降低也大大降低了铸造能耗。新型FCQZ系列复合材料球型支座已在河南、广东等地的城市桥梁、大跨径桥梁上成功应用，并取得了良好的效益。

2.1.3 双曲面球型减隔震支座

新型球型支座——双曲面球型减隔震支座，系近年来我国科研人员研制的桥梁支座。这种支座主要应用于城市立交桥、公路桥梁、铁路桥梁及城市轨道交通桥梁等领域，同时，也可应用于有减隔震要求的其它建筑工程。双曲面球型减隔震支座的技术创新点主要体现在：（1）设计采用了上下不同半径的两个球面，既可保证支座正常的转动和滑移功能，又能实现抗震刚度要求，达到了减震功能。（2）支座摩擦副采用填充聚四氟乙烯复合夹层滑片与不锈钢板组成，具有承载力大、耐久性好等特点，并可根据使用要求对摩擦系数进行调节。（3）该产品竖向承载力1 000～80 000 kN，滑动摩擦系数0.02≤μ≤0.03。双曲面球型减隔震支座设计采用了上下不同半径的两个球面，既可保证支座正常的转动和滑移功能，又实现了阻尼和耗能作用，达到了减震效果。（4）支座摩擦副采用填充聚四氟乙烯复合夹层滑片与不锈钢板组成，具有承载力大、耐久性好等特点，并可根据使用要求对摩擦系数进行调节。

上述技术创新均为国内首创。双曲面球型减隔震支座于2004年6月通过省级技术鉴定，并获得了国家专利。该产品具有自主知识产权，其技术水平达到了国际先进水平，填补了国内空白，并在我国城市桥梁和公路桥梁建设中得到推广应用。如苏通长江公路大桥、广东佛山平胜大桥、上海长江大桥、福厦线乌龙江大桥等项目，解决了这些重大工程的桥梁抗震问题。图1为上海长江大桥。

图1 上海长江大桥（主桥、引桥）

2.2 新型抗震支座的应用

众所周知，我国处于环太平洋和北半球中纬度大自然灾害的交汇地区。由于我国幅员广阔，气候与地貌条件复杂，系世界上自然灾害最严重的国家之一，特别是近年来，地震灾害频繁发生，几起特大地震（如四川汶川、青海玉树地震等）对人民群众生命安全和财产造成巨大损失。国家住房和城乡建设部发布了《关于建设系统防灾减灾工作的意见》，提出要积极防御和减轻地震、气象灾害等多种自然灾害，关注城市生命线工程（包括城市交通、城市桥梁）的安全。

湛江海湾大桥及连接线一期工程是广东省继虎门大桥之后建成的规模最大、技术含量最高的桥梁工程。这个项目地处我国台风最强、雷暴最大、海水腐蚀最严重的雷州半岛海域，大桥列为广东省交通厅科技示范工程。该大桥工程技术难度大，施工非常艰巨。为提高大桥抵御8级地震的能力，研制了新型抗震支座，即在主塔与钢箱梁之间安装了国际先进的抗震支座。该支座在大地震发生时可将钢箱梁与主塔的连接由半漂浮转变为固定连接，提高抗震能力。该技术在广东地区是第一次应用。图2为广东湛江海湾大桥。

图2 广东湛江海湾大桥

2.3 新型减震支座的应用

2.3.1 新型减震支座在城市高架桥的应用

北京地区于2003年在五环路红山口高架桥上成功应用了新型减震支座。该桥以ANSYS大型动力分析有限元软件作为结构计算工具，使用间隙元等巧妙单元对设置减震支座下桥梁的减震效应进行了非线形动力时程计算分析，并提出了减震支座设计的具体参数。为实现减震支座的设计思想，必须在构造上采取相应的构造措施。该桥的支座盖板与主梁垫石通过主梁深入的锚栓锚固在一起，垫石布置两层钢筋网，支座底箱周边与墩顶4 cm厚的预埋钢板焊接，预埋钢板下焊接预埋粗钢筋，并在预埋钢板底下采用抵抗局部承压的钢筋网。支座内部靠板簧来提高刚度，对只受压不受拉板簧的失度和底箱进行限位，板簧和支座核心之间留有可满足温度等伸缩自由变形的间隙。

北京五环路红山口高架桥其大跨度振型的空间振动特性使桥梁在横向表现出不完全按刚度分配地震力的特点。设置限位减震支座后，桥面和墩柱间的相对位移大大减少，但地震力的降幅仍然比较明显，在结构计算分析中将最不利控制墩的横纵向力予以适当降低，不仅控制了桥梁的相对位移，还使地震力降低到墩柱的最大配筋能力所能承受的范围以内。该类型减震支座在经济上可取，构造上可行，施工上方便，具有良好的减震作用，尤其适用于地震力控制设计的大跨度桥梁。图3为北京五环路红山口高架桥。

图3 北京五环路红山口高架桥

2.3.2 新型减震支座在跨海大桥的应用

我国长大桥梁的建设成就举世瞩目，已经建成一大批结构复杂、设计和施工难度大、科技含量高的长大桥梁。这些长大桥梁的特点是空间尺度大，跨越范围广，所处环境复杂。我国大部分地区为地震区，尤其华北和西部地区多为强震区，地震活动频繁，因此，我国长大桥梁面临着潜在的地震破坏威胁。长大桥梁是生命线工程，其建设成本高，一旦遭到地震破坏，将导致巨大的经济损失，且震后修复极其困难。近年来几次强震灾害表明，即使经过抗震设计，桥梁仍发生严重破坏，究其原因是尚未全面掌握桥梁的强震灾变机理。

众所周知，根据材料和构件的多维损伤动力结构模型以及钢筋混凝土桥墩、隔震支座和桥梁碰撞单元的多维非线性力学行为的精细化模拟模型，研制出新型隔震支座和智能阻尼控制装置，建立了长大桥梁结构失效破坏模式的优化以及灾变过程智能控制的理论与方法。一种具有横向弹塑性防落梁装置的减隔震支座，包括防落梁装置、轨道、桥梁支座。桥梁支座包括上支座板、中支座板、下支座板，各支座板依次连接固定；轨道为槽形轨道，顺桥向连接固定于下支座板上；防落梁装置为若干等强度的悬臂梁,其一端连接固定于上支座板，另一端插入轨道内。该桥梁支座的中支座板为球型支座，包括转动球面、滑动平面。转动球面连接固定于中支座板上部的球面结构上，滑动平面连接固定于中支座板下部的平面结构上。该发明的防落梁具有弹塑性，防止梁体从支座上横向脱落，还具有横桥向的减震耗能能力，而且其结构简单，便于现场安装。此种具有横向弹塑性防落梁装置的新型减隔震支座，其特征在于：其包括防落梁装置、轨道、桥梁支座，桥梁支座包括上支座板、中支座板、下支座板，各支座板依次连接固定；轨道连接固定于下支座板上；防落梁装置一端连接固定于上支座板，另一端插入轨道内。图4为浙江杭州湾跨海大桥。

图4 浙江杭州湾跨海大桥

2.4 桥梁橡胶支座更换新工艺

2.4.1 城市桥梁更换橡胶支座

我国自20世纪60年代中期开始研制并在桥梁工程中广泛使用板式橡胶支座。板式橡胶支座是仅用一块橡胶板做成的简单橡胶支座。其活动机理是利用橡胶的不均匀弹性压缩实现转角,利用其剪切变形实现水平位移。因橡胶与钢或混凝土之间有足够大的摩阻力（摩擦系数0.25～0.40），橡胶板与梁底和墩台顶之间一般无须连接。在墩台顶部,需铺设一层砂浆,以保证支座放置平稳。采用橡胶支座可以不设固定支座，所有水平力由各个支座均匀分担，必要时可采用不等高的橡胶板来调节各支座传递的水平力。无加劲层的纯橡胶支座,由于其容许压应力约为3 000 kPa，故只适合于小跨径的桥梁。

北京市于2008年首次采用计算机同步提升系统完成了一批桥梁支座的更换。主要是由于随着桥龄的增长及橡胶材料的老化，一大批使用橡胶支座的桥梁亟待更换支座。城市桥梁支座（主要指橡胶支座）的老化，影响城市交通的运营安全，通过采用新技术、新工艺，在北京杜家坎东部的小哑巴河桥成功地完成了桥梁支座的更换。该施工工艺在不中断交通的情况下，从准备架设支架到完成更换支座的施工周期为半个月时间。譬如，北京小哑巴河桥采用计算机同步提升系统最高将桥梁顶起15 cm，更换支座将桥面顶起1 cm左右。此工艺由具有国内先进水平的计算机控制整体同步顶升系统，通过40个点完成桥梁同步顶升和降落，桥面提升高度不超过10 mm，顶升施工过程中能保持桥梁上车辆的正常通行，不需要对桥面交通进行管制。尔后，北京地区又采用该技术，对城区的莲石路白云观桥、二环路鼓楼桥、月坛桥等城市桥梁的支座进行了更换，确保了桥梁安全和交通的顺畅。正是有了较先进的计算机系统支持，今后在交通量较大的城市桥梁更换支座时，将不会对桥面交通造成大的影响，具有很大的推广价值和显著的社会、经济和环境效益。图5为北京二环路月坛桥更换桥梁支座后的情况。

图5 北京二环路月坛桥

2.4.2 江阴大桥引桥更换橡胶支座

2009年，江苏省江阴大桥运行10年后，发现其北引桥的T梁梁端部支座产生变形和裂缝，车辆经过此处发出很大的响声，如不及时进行处置，将对桥面结构造成不利影响，威胁着桥梁的安全。1999年10月建成通车的江苏江阴长江公路大桥，其主跨为1 385 m的悬索桥结构，为当时世界第四、中国第一悬索大桥。江阴大桥的北引桥作为京沪高速的咽喉，日通车量在5万pcu以上，高峰时达到7万pcu。若按常规的思路，更换支座必须中断大桥的交通，而中断交通将造成巨大的交通压力，其社会影响和经济损失无法估量，最终采用了不中断交通施工的方法进行桥梁支座的更换。该工程采用先进的“SPLC-8计算机控制同步顶升、下降系统”技术，使用了高精度的位移传感器、采集器和数字控制液压系统，以顶升力加位移、应变进行双控，使整个力点的位移量始终控制在±1 mm以内。该工程共更换支座312只。更换后的桥梁支座使用状态稳定，桥梁受力状态明显改善，确保了桥梁在整个顶升过程中的安全和桥面车辆通行畅通。

针对以往预应力混凝土空心板安装的四支座存在的支座脱空，可能会导致桥面开裂、支座压坏等病害情况，采用三支座空心板，以确保三个支座稳固支承空心板，并避免桥面铺装沿铰接线开裂的病害。三支座与传统的四支座模式相比较，在经济方面每片梁可节约1个支座，即每座桥梁支座工程造价相对节约0.25%的成本，且避免了支座脱空，改善了板的受力性能，防止了板间因支座脱空而产生纵向裂缝。单板三支座经单板偏心、中心加载试验及成桥动载试验，证明有良好的受力性能。江阴大桥所采用的这项研究成果具有较大创新性，在国内外具有新颖性和良好的社会、经济和环境效益。图6为江苏江阴大桥。

图6 江苏江阴大桥

2.5 天津狮子林桥更换新型盆式支座

20世纪80年代初期，我国成功地研制了盆式橡胶支座，其竖向承载能力及其外形平面尺寸受其橡胶板的抗压强度控制，通常橡胶板的设计压应力为25 MPa。盆式橡胶支座的主要部件是用铸钢件加工而成，盆式橡胶支座（活动支座）水平方向的位移是通过聚四氟乙烯板与不锈钢滑板的平面摩擦副之间的相对滑动来实现的。为了使盆式橡胶支座的水平摩阻力处于较小状态，通常在摩擦副之间添加硅脂润滑油，并且在聚四氟乙烯板的摩擦面设置了许多球冠形储脂坑，坑内均注满硅脂，支座的转角位移则是橡胶板所产生的不均匀压缩来实现的。因橡胶承压板系在铸钢件的盆腔里面，只要铸钢件不存在内在的质量缺陷，盆式支座很少出现质量问题，这是很多年来被实践证明了的。工程实践证明，更多地应用盆式橡胶支座或球型支座可大大延长支座的使用寿命，保证工程质量。使用盆式支座初始投资要大些，但寿命是板式橡胶支座的2倍。鉴于上述原因，不少设计单位在桥梁支座的选用上，尽量选用设计盆式橡胶支座或球型支座，而减少了板式橡胶支座。

21世纪初,天津市启动了流经城区的海河两岸改造工程，并对海河上的旧桥进行了系列改造，其中狮子林桥是重要的交通枢纽。天津狮子林桥建于1974年，采用简支单悬臂带挂孔结构，当时具有技术代表性，但是由于桥梁建成的时间较早，已不能满足城市进一步发展的需要，特别是通航高度的不足，限制了海河的通航能力。狮子林桥抬升工程既可解决通航净空不足的问题,又是构建海河旅游观光带的重要工程，其采用的高新技术和施工工艺具有先进性，工程所带来的经济和社会效应将是深远的。它不仅是天津市历史上第一座应用抬升技术改造的旧桥，在全国也属首例。这一技术的成功应用，将为我国城市道路规划及旧桥改造开辟一条新的途径。由于天津大部分为软土地基，改造前已建造了三十多年的狮子林桥逐年在沉降，造成通航高度不够，因此，根据Ⅵ级航道标准要求的4.5 m的通航净高，狮子林桥需抬升1.271 m。顶升、抬高后的桥墩、桥台则不需加高，需将原支座拆除并在原位浇筑钢管混凝土支座垫石，并更新抗震抗拉的桥梁盆式支座。顶升所需推力来自68台大推力液压千斤顶，每台千斤顶可提供200 t推力，以满足抬升7 400 t的狮子林桥的需要。为避免顶升过程中桥梁产生水平位移，在新桥和老桥的纵、横方向上均采用钢结构限位器进行限位。由于狮子林桥属于三跨连续箱形梁结构，从桥梁的纵向分布考虑，必须整体同步顶升，而在横向分布上，由于存在新老桥的结构独立性，可分别加以同步顶升。在原支座位置上加装钢管混凝土支撑垫石，作为桥梁回落后的永久支撑，并在永久支撑上加装了抗震支座，使狮子林桥具有抵御8级地震的设防能力。所有支座采用了进口喜力得螺栓，确保了支座及桥梁在动载情况下的稳定性。两侧新桥成功地完成了抬升，证明国内领先的同步顶升技术已被基本掌握和成功运用。该桥改造工程，采用了抗震抗拉的桥梁盆式支座、高阻尼的桥梁盆式支座等,均满足受力需要。QZ球型抗震盆式支座、GPZ(II)型盆式支座、新型桥梁板式橡胶支座等，均满足各种工程建设需要。图7、图8为天津狮子林桥采用抬升技术施工更换支座前后的情形。

图7 采用抬升技术施工中的天津狮子林桥

图8 改造后的天津狮子林桥

3 城市桥梁支座的研究趋势及发展愿景

3.1 改善材料，提高强度和抗腐蚀、抗老化性能

近年来，根据以往几十年的工程实践，我国相关科研人员和生产厂家进行改进的新型支座有以下3种。

（1）优质钢辊轴支座。辊轴及其上、下座板全部进行淬火,可大幅度提高容许荷载，并减少结构高度,在主力作用下的赫兹容许压应力（即按赫兹公式计算钢圆柱体与钢板平面接触时的最大承压应力容许值）约为2 254 MPa。

（2）改进防锈焊接支座。支座经过全部淬火，并在上下座板面上设防锈焊接层，在主力作用下的赫兹容许压应力约为2 156 MPa。

（3）将支座的上下座板改成具有相同半径的凸凹面，并在其间以及上座板与钢滑板之间嵌入聚四氟乙烯板，则可构成转动和位移性能更好的半球形活动支座。

3.2 减少摩擦系数、简化构造、降低支座的结构高度

（1）对温差产生的位移要有足够的估计。

（2）桥梁的挠曲、基础的不均匀沉降都会产生纵向位移，对于高桥墩，墩顶位移可通过活动支座上的挡块加以限制，它能使基底反力变化，并且阻止不均匀沉降。

（3）由于一些不可估计的因素，通常计算的位移量宜乘以1.3左右的安全系数。梁桥支座的支承面一般是水平的。

3.3 提高经济和使用性能，使安装和更换方便

（1）城市桥梁不可更换的部件（如特殊桥梁支座）要保证其可检性和可修性。

（2）对于不可能全寿命使用的部件，桥梁支座应具有可检性和可换性。

（3）要采用各种先进的健康监测手段使支座病害能被早期发现，并通过及时养护、维修和更换等措施以保证桥梁支座全寿命周期的服务质量。

3.4 加强桥梁支座的养护

桥梁养护单位为进一步加强公路桥梁板式橡胶支座的养护管理，保持桥梁结构部位始终处于正常、安全的技术状态，应按照“预防为主，防治结合”的原则，“以桥面养护为中心，以承重部件为重点”对桥梁进行全面养护。积极采用先进的养护、检测技术和科学的管理方法，改善养护手段，避免桥梁支座等病害的过早发生，确保桥梁安全，延长桥梁的使用寿命。当桥梁建成交付使用后，经过几年或十几年的使用，对桥梁支座进行检查发现普遍存在以下问题：由于采用橡胶为主要原料，橡胶支座本身损坏；橡胶板支座出现橡胶老化、变质、梁体失去自由伸缩能力，直接导致梁端或墩、台帽混凝土破裂，造成掉角、啃边现象，橡胶板易位，严重的导致伸缩缝破坏；盆式橡胶支座固定处松动、错位，钢盆外露部分锈蚀，防尘罩破裂，使盆式座座板损坏，翘起断裂，垫石混凝土压坏、剥离掉角等。究其原因，一是对整个桥梁养护不及时、不彻底；二是养护技术低；三是对桥梁橡胶支座这一重要部位的养护重视不够。

4 结语

目前正处于21世纪第二个十年中，武汉鹦鹉洲长江大桥、港珠澳特大桥和超大型跨海大桥——青岛海湾大桥等一大批现代桥梁的陆续兴建，标志着我国将续写桥梁建设更加辉煌的篇章。同时，随着我国城市化进程的加快，我们将更加关注城市桥梁的创新性、安全性和经济性的有机结合，这也给今后桥梁支座的研究和应用提出了新的课题。笔者相信，桥梁支座作为桥梁结构中连接其上下结构的一个重要装置，必将在我国城市桥梁建设中发挥其更大的作用。

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