溧阳市国省干线公路橡胶支座的选用设计研究

2023-03-16史奇彬潘旭辉王芮文

黑龙江交通科技 2023年2期

史奇彬，潘旭辉，李岩，王芮文，3

(1.溧阳市交通工程建设事业发展中心，江苏常州 213000；2.江苏森淼工程质量检测有限公司，江苏镇江 212000；3.江苏省交通技师学院，江苏镇江 212000)

1 支座的变形控制

1.1 支座的压缩变形控制

板式橡胶支座是有一定厚度的不锈钢板和橡胶层间断压制而成，正因为这种特殊性能，当承受上部结构传下来的力时，如果支座的橡胶层厚度不同，则在两层钢板之间的橡胶就会出现或多或少的鼓凸，而在钢板位置则会产生凹槽，从而形成支座侧面波浪状，这些波浪状态，如果较大，则会对耐久性产生影响[3]。

橡胶支座是依靠其变形承受力的，当橡胶支座受到温度变化、荷载作用以及桥梁自重等荷载作用时，它就会沿着荷载作用力的方向上产生变形，如果荷载为压力，那么橡胶支座就会被压缩。测量竖向压缩变形时，至少应测量四点，测点应垂直交叉，然后计算四点的平均值作为支座的竖向压缩变形σ。见图1。

F-竖向力；θ-支座转角；φd-直径；A-支座压缩变形后右侧剩余的高度；C-支座压缩变形后左侧剩余的高度；σ-支座中心压缩高度图1 支座的压缩转角图

橡胶支座承受的荷载大小和性质不同，所产生的压缩变形量也有所不同，规范规定，支座在桥梁设计荷载的作用之下，它所产生的最大压缩变形值σ应控制在支座橡胶层逐层累积厚度总值的7%。

1.2 支座的剪切变形控制

支座在使用过程中出现剪切变形是一种正常现象，但是不应超过允许值。其中，最容易产生剪切变形的阶段是当板式橡胶支座安装到位以后，上部梁体安装下落过程中，或者现浇上部结构在拆除支撑或者模板过程中，都会引起橡胶支座的水平受力，从而引起剪切。此时，产生变形的原因主要有两个，一个原因是由于环境温度条件有变化，或者混凝土出现骤然收缩。另一个原因是在梁板安装时，落梁位置不准确或者由于梁板不稳定时落梁，形成初始水平力，从而导致支座剪切。板式橡胶支座的初始剪切变形是可以在初期予以调整的，如通过放松重新安装可以减小或者消除[4]。

橡胶支座的剪切变形不可避免，规范上也允许橡胶支座产生这一变形，但在施工中应尽可能地避免和减小，这就要求施工单位在施工时重视安装环节，纠正不规范的操作。比如，在一般情况下，应保证在一天内平均温度下安装橡胶支座，支座在调整时，应将梁板吊起等。

再者就是安装梁板时，对落梁操作的控制，因为如果控制不当，就会使支座发生初始应力，从而产生变形。在梁板下落以后，不应立即对架梁的设施进行拆除，需要对落下的梁板下边的橡胶支座进行仔细检查，如果发现橡胶支座存在初始应力导致的变形，应进行梁板调整，这时，应将梁板全部吊起来，从而放松支座，一般情况下，初始变形的支座会较快地回复原貌，但是如果初始应力作用时间较长，那么支座变形的恢复时间也会较长，需要数小时或者数天才能完成。支座的剪切变形对支座本身伤害较大，主要表现在耐久性方面，据研究，长期受到剪切变形的支座，其耐久性降低30%以上。

梁板安装结束后，在桥面铺装施工之前，施工单位应该做一次梁板安装的全面普查工作，其中一个重要的内容就是支座的检查。全面普查选择的时间宜在每年的4月份和9月份进行，因此这才能保证检查时温度接近于年平均温度。

如果在检查过程中发现支座剪切变形量较大，应同步顶升梁板后将支座复位，如果发现因剪切而损伤，则应进行更换。

之所以在桥面铺装之前进行橡胶支座的全面检查，主要考虑此时梁板安装已经经历了较长时间，因混凝土变形基本稳定，全面尚未连续成整体，如果出现支座剪切，进行放松复位时，也非常方便，不会影响到结构体系受力，所以，在这个时间段进行支座检查应该得到技术管理人员的重视。

实际上，在桥梁承受荷载过程中，板式橡胶支座由于容易在结构重力、车辆荷载、制动力以及温度变化下而产生剪切是一种正常现象和橡胶支座本身应该具有的基本功效。但是，剪切变形应该尽可能地不变大，能小尽小，因为当橡胶受到力而剪切后，分子之间的距离扩大，从而内部结构变得松散，此时，如果遇到二氧化碳以及酸碱环境后，橡胶会加速老化，从而使橡胶支座的耐久性降低。

橡胶支座安装后，应检查支座是否受到较大的水平力，因为水平力是引起剪切变形的主要原因，而剪切变形量除了直接测量外，还可以根据温度进行剪切变形量的计算，而进行变形量计算的依据是支座设计规范。一般情况下，板式橡胶支座在力的作用下，允许的剪切模量是1.0 MPa。在满足这些要求的前提下，板式橡胶支座还有剪切角正切值的技术指标要求，根据相关的规范，其最大应不超过0.7，当满足这一条件时，橡胶支座的使用功能不降低。

1.3 板式橡胶支座中滑板支座的较大剪切变形

为了适应梁体的水平变形，在桥梁支座一般设计时，桥梁桥台、桥梁由简直到连续、有现浇到安装的过渡墩会设置四氟滑板支座(即F4支座)，F4支座就是在板式橡胶支座底面或顶面设置一层聚四氟乙烯板，利用F4滑板与不锈钢板相对摩擦系数小的特点，保证梁板的自由伸缩以及支座的滑动。在实际施工中，由于桥台施工条件限制，滑板支座的施工难度较大，如果要实现滑板支座的功效良好，就必须保证四氟滑板表面无划痕和污渍，不锈钢门也必须满足使用上的要求，这样才能保证板式支座良好运行。

通常，四氟滑板支座施工完成后，会出现滑动面受阻，从而产生水平力，这是由于支座滑动面不清洁或者未涂刷硅脂油所致。为了保证四氟滑板支座有效使用，必须在梁板安装时，注意保护四氟滑板支座，使之清洁无损伤，硅脂油涂抹规范，所用的硅脂油材料满足规范要求，特别是四氟滑板内的储油槽是否清洁，储油槽总面积是否满足规范要求等。另外，对于与聚四氟乙烯板相接触的不锈钢板质量也有要求，如硬度、不锈钢板成份组成以及平面度等指标。规范要求，聚四氟乙烯板与不锈钢板的摩擦系数应在0.03以下。这是由于当水平力大于竖立压力的3%时，支座就会产生滑移，这一规定，避免了橡胶支座的水平力和剪切变形。

实际上，当橡胶支座和梁板在正确安装的时候，也会存在一定程度上的剪切量，这一剪切变形量见公式(1)

(1)

式中:ΔL为板式滑动前剪切变形量，mm；0.03为滑板支座的摩擦系数；P为板式橡胶支座实际荷载正压力，N；h为板式橡胶支座橡胶层总厚度，mm；S为板式橡胶支座的平面面积，mm2；G为板式橡胶支座剪变模量，1.0 MPa。

这里需要说明的一点是，因施工现场内不利因素无法控制，因此，在对剪切变形进行计算时，应取摩擦系数为0.06。

2 应用实例

2.1 工程概况

桥梁板式橡胶支座在近几年中应用非常广泛，主要体现在它具有承载能力大，高度适中，适应剪切变形的能力强，抗击冲击力的能力也大等优势。在溧阳市国省干线桥梁施工中，目前采用较多。现以S341省道桥梁为例进行说明。

S341省道共有桥梁6座，其中2座大桥为35 m预制箱梁上部结构，其余4座为20 m空心板结构。其中，大桥的板式支座采用直径为550 cm的圆板式橡胶支座，桥台位置采用同型号F4支座；空心板桥采用350 cm圆板式橡胶支座，桥台采用同型号F4支座。

在设计过程中，主要需要考虑支座的受力分别为桥梁荷载自重传力，占比70%，车辆行驶重力和振动力占比为13%，车辆刹车水平力占比12%，温度应力占比为5%，未考虑地震力。

施工过程中，严格按操作规程进行施工组织，重点控制垫石质量(如强度、裂缝、平整度等)、支座本身力学检测情况、支座安放位置、支座高程和四角高差、支座施工期间的受剪情况和压缩变形情况、F4支座的方向等。

施工后进行了质量检查，对全部支座进行了抽检，无剪切变形、无压缩变形、位置轴线满足要求，无脱空。

从而可以断定，板式橡胶支座在国省干线公路施工中可以大面积使用。

2.2 支座设计情况

在橡胶支座的设计环节是保证橡胶支座能正常工作的前提条件，因此，支座设计应考虑各方因素，避免留下隐患。在S341省道桥梁中，有2座特大桥线形在纵坡度指标方面对桥梁橡胶支座影响。因此在支座厚度设计时，着重考虑纵坡坡度对其影响，保证厚度足够。S341省道竹渍河桥的第1～3跨纵坡度在1%以内，设计时将支座直接放在垫石之上。竹渍河桥第6～7跨纵坡度超过了1%，设计时，采用了楔形钢板进行梁底调平，这一目的是确保支座平放。

水平精确度是四氟滑板支座的安装最重要的控制方面之一。在以前的设计中，四氟滑板均设置在支座的底面，与墩台上的不锈钢板接触，但是由于设置在底面时，当梁体滑动时，必须时支座滑动，此时可以会出现支座移位。考虑此因素，在S341省道桥梁施工中，四氟滑板支座的聚四氟乙烯板放置与支座顶面，当梁板滑动时，橡胶支座不动。

S341省道桥梁设计中，保证了任何橡胶支座下部都不与墩台顶面直接接触，之间均设置了支座垫石。支座垫石的设置的目的有两个，一个是调平，一个是分散受力，增大受力面积。支座垫石的尺寸应根据计算决定，其最小尺寸应满足四周外缘应比相应橡胶支座边缘大5 cm以上，垫石的高度不应小于10 cm。对于S341省道桥梁底部与墩台顶面高度的确定主要应考虑支座未来更换时方便操作。为了分散受力和保证支座垫石不裂缝，在支座垫石内部，还设置了钢筋网，钢筋网一般设置上下两层，桥梁墩柱顶部设置有钢筋深入至支座垫石内部，如果未预留钢筋，应进行植筋处理。支座垫石的混凝土强度应在C30以上。支座垫石的施工是非常重要的一道工序，根据其功能，必须保证平整度高、强度高。规范要求，对于同一梁板，两端的垫石以及同一桥梁墩台上的垫石，应必须在同一高程控制范围内。并且，相对高差应保持在±1.5 mm内，四角高差为0.5 mm以内。

为了规范施工，保证支座安装位置准确。S341省道指挥部要求，在垫石施工前以及支座安装前，均应进行支座垫石放线和支座放线，支座放线时，不仅仅要放出中线，还需要放出支座的边部切线，以利于在安装调整时利于观测。

在支座安装时的任何工序，都必须确保支座不出现较大的剪切变形量。支座安装不能脱空，并保证在二期荷载前，不允许车辆通行[5]。

S341省道别桥大桥墩台设计时，综合考虑了未来桥梁预后发展。因为，如果桥梁边坡设置过陡，或者更换支座的操作空间不足，就会产生质量隐患，因此全线桥梁支座设计均考虑了边坡坡度。另外，支座的并排安放也有规定，不用型号的支座不允许安装在同一排，设计时遵循了这一点。

在S341省道施工时，支座错放和漏放也是经常见到的现象，因此，在支座安装就位以后，还需要技术人员做一次检查，如四氟滑板支座是否错放，是否涂油，是否位置偏差过大等。