基于实际桥梁工程的板式橡胶支座的设计研究

王 怡，陶庆东，罗丹霞

(绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000)

0 前 言

板式橡胶支座由多层橡胶与薄钢板粘合压制而成,具有较大的竖向承压能力,在水平方向具有较大的剪切变形能力和一定的转动能力,在公路桥梁中得到广泛的应用[1]，实际工程应用中，桥梁工程师们常常是凭借经验,很少进行严格的验算,导致支座成为桥梁整体设计中的一个薄弱环节，在以往旧桥加固的资料中,支座的损坏率和更换率往往较高[2]。而现有的文献对桥梁支座的设计研究较少，有些研究计算是建立在老规范上[3]，已经不适用于新规范、新技术下的桥梁支座设计。为此，本文以实际工程桥梁案例为背景，依据新规范的原理、方法及参数选用，介绍板式橡胶支座的设计方法。

1 板式橡胶支座工作原理

目前，我国公路桥梁中大部分使用的都是各类橡胶支座，橡胶支座已经基本上完全替代了刚性支座成为桥梁支座的主要构造形式，特别是板式橡胶支座兼有高分子弹性体橡胶和加劲物的优点,构造简单、价格便宜,是目前国内公路与城市桥梁广泛采用及深受欢迎的一种支座形式[4-5],被广泛应用在大中小跨径公路桥梁、城市高架桥梁中。板式橡胶支座应设计成在垂直方向具有足够的刚度,从而保证在最大竖向荷载作用下,支座产生较小的变形;在水平方向则应具有一定的柔性,以适应梁体由于制动力、温度、混凝土的收缩、徐变及其他荷载作用引起的水平位移;同时,橡胶支座还应适应梁端的转动。在进行桥梁支座受力分析时,首先必须计算每个支座上所承受的竖向力和水平力[3],根据这些外力来选定支座的尺寸并进行强度和稳定性验算。

2 板式橡胶支座的构造特点

板式橡胶支座通常由多层橡胶片与薄钢板(以钢板作为刚性加劲物)镶嵌、粘合、压制而成。板式橡胶支座的承载能力可达10 000 kN，允许压应力一般为10 MPa左右。适用于标准跨径在50 m以内的简支板(梁)桥。这种支座在竖向荷载作用下,嵌入橡胶片之间的钢板将限制橡胶的侧向变形,垂直变形则相应减少,从而可以大大提高支座的竖向刚度(抗压刚度)。此时,支座的竖向总变形即为各层橡胶片变形的总和。橡胶片之间嵌入的钢板在阻止橡胶层间侧向膨胀的同时,对支座的抗剪刚度几乎没有什么影响。支座在水平力作用下,加劲橡胶支座所产生的水平位移主要取决于橡胶片的净厚。同时，为了防止加劲钢板的锈蚀,板式橡胶支座上、下面及四周均有橡胶保护。

3 板式橡胶支座的设计计算及选定方法

3.1 设计条件

某公路桥梁由多跨简支梁桥组成。桥梁每跨跨径为20 m，桥梁总宽10 m。每孔上部结构采用预应力混凝土箱梁,桥墩上设立四个支座,支座的横桥向中心为4 m桥墩支承在岩基上。假定上述桥梁每个支座在恒载和活载作用下,最大垂直反力为2 000 kN。选用板式橡胶支座，对该公路桥梁进行板式橡胶支座的设计及选用。该桥在四季均匀温度变化的温差为：0°～+35°(使用地区的最低和最高温度)。板式橡胶支座平均压应力[σ]=10 MPa。桥址处年平均相对湿度RH为75%，结构理论厚度h=600 mm,混凝土弹性模量Ec=3.45×104MPa，混凝土轴心抗压强度标准值，混凝土的fck=32.4 MPa，线膨胀系数为1×10-5，预应力引起的箱梁截面重心处法向平均压应力σpc=9 MPa。假定允许平均压应力[o]=10 MPa,支座形状系数s>8。

3.2 确定支座的平面尺寸

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)规定板式橡胶支座有效承压面积为：

根据《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T 4—2019)选用公路桥梁普通矩形板式橡胶支座序号33，平面尺寸选用la×lb=400 mm×500 mm。

可确定支座形状系数：

3.3 确定支座的厚度

1)由温度变化产生的位移量：Δlt=αTL=1×10-5×35×10×103=3.5 mm。

根据以上参数的确定参照《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T 4—2019)规范，选用公路桥梁普通矩形板式橡胶支座规格，见表1。

表1 公路桥梁普通矩形板式橡胶支座规格

3.4 板式橡胶支座竖向平均压缩变形

E=5.4GS2=5.4×1.0×7.792=327.7

3.5 板式橡胶支座抗滑移稳定验算

摩擦系数μ=0.3，Fbk=165 kN

4 结 论

1)本文对板式橡胶支座的设计较完整，并系统地介绍了支座的设计方法，以实际工程作为载体，将设计计算过程完整演练了一遍，可以指导实际工程中板式橡胶支座的设计及选用。

2)本文支座的研究方法是建立在当前最新的规范基础上。设计的支座形式更精确，适用性更强、节约成本、经济效益高。

3)可以在今后的进一步研究中，能够建立某些参数与支座选取的关系，方便设计人员能够有效、快速地选择合理的支座型号。

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