桥梁支座的计算与桥梁支座的日常养护内容

 

桥梁支座的主要功能是将上部结构反力可靠地传递给墩台,并同时完成梁体结构受力所需的变形(水平位移及转角)。与其它类型的桥梁支座相比较,橡胶支座具有构造简单、加工容易、用钢量少、造价低、安装方便、吸震效果好、工作性能可靠等诸多优点。中小跨径公路桥梁一般采用板式橡胶支座,板式橡胶支座制作材料不同、规格多样、功能各异,给桥梁设计者选型带来一定的难度。

板式支座

常规型板式阻尼橡胶支座适用于抗震设防烈度为 6 度及以下地区的桥梁,抗震型板式阻尼橡胶支座适用于抗震设防烈度为 7 度地区的桥梁;根据位移功能分为固定型、滑动型两种结构,滑动型通常设置在边墩或桥台上。

调坡型板式阻尼橡胶支座适用于匝道、弯道及坡度较大的桥梁,要求该桥梁的所有支座均为调坡型。

桥梁设计者如果选型不当,将会带来诸多问题,如支座承载力不够或富余太多、支座太厚或太薄导致变形量太大或不足、选材不当引起橡胶过早老化等。这些问题将直接导致各种桥梁病害的发生,使支座过早破坏而不得不提前更换,其带来的高额维修费用和不良社会影响不言而喻。所以,从数以千计的规格型号中选择合适的桥梁板式橡胶支座是设计支座的关键。

支座布置原则

支座的布置合理与否将直接影响到支座的受力状况,通常本系列支座的布置应考虑以下基本原则:

支座必须能可靠地传递梁体的垂直和水平反力,又要使由于梁体变形所产生的纵、横向位移及纵、横向转角(或平面转动)不受约束;

简支梁所有支座均采用固定型支座;

多跨连续梁中墩设置固定型支座、边墩或桥台设置滑动型支座,对于联长较大的可将距桥梁中心较远的中墩设置滑动型支座;

大坡度桥梁设置自调坡型支座,要求同一桥梁支座均为自调坡型支座,不得与其它类型支座混合使用;

了解各种橡胶材料特性

常用的橡胶材料有:天然橡胶(NR)、氯丁橡胶(CR)和三元乙丙橡胶。三种材料各有优缺点和适用范围。

天然橡胶:具有较高的拉伸强度、优异的弹性、良好的耐磨耗性和耐低温性等多项优良性能,是综合性能较好的胶种。但它的耐老化性能,特别是耐臭氧老化及抗紫外线老化性能较差。

氯丁橡胶:具有优良的耐天候老化和良好的耐臭氧老化性(抗臭氧老化性能比天然橡胶高12倍以上),拉伸强度较高,弹性良好,抗腐蚀性良好,并且具有一定的耐油性。是国内外桥梁橡胶支座普遍采用的主体材料,但其耐低温性能较差,这限制了其在北方寒冷地区的使用。

三元乙丙橡胶:是一种高分子材料,具有优异的耐老化及耐高、低温性能,在-55℃下仍有屈挠性,在100℃下能长期工作。此外,其抗冲击性好,吸水性小,耐酸碱化学腐蚀性好。主要缺点是与金属粘结性能较低,但这一缺点正在逐步得到改善。

结合上述三种橡胶材料的主要优缺点,选用橡胶支座材料时,主要应考虑桥位所在地区的气温条件。一般来说,气温在-25~+60℃地区可选用氯丁橡胶支座,我国长江以南广大地区普遍适合这种情况;-40~+60℃地区可选用三元乙丙橡胶支座或天然橡胶支座。此外,对于高纬度、高海拔地区,如当地紫外线辐射强烈或空气中臭氧含量较高时,应避免选用天然橡胶支座。

选定支座外观形状

桥梁板式橡胶支座按形状可分为矩形板式橡胶支座、圆形板式橡胶支座、球冠圆板式橡胶支座、坡形橡胶支座等。由于圆形橡胶支座机械性能在平面上的各向同性,更适用于弯、坡、斜、宽桥梁及其它多向变位的桥梁;矩形橡胶支座长短边抗剪刚度的大小差别决定其更适用于以纵桥向变位为主的单向变位桥梁,此时,应将支座短边顺桥向摆放,以尽量减小支座对桥梁纵向变位的约束,将梁体变位对墩台产生的水平力减至最小。

球冠圆板橡胶支座是在圆形板式橡胶支座的基础上变化而成,其中间层橡胶和钢板布置与圆形板式橡胶支座完全相同,而在支座顶面用纯橡胶制成球形表面,球面中心橡胶最大厚度为4-13mm,球面边缘15mm,以适应3%到5%纵横坡下,梁与支座接触面的中心趋于圆形板式橡胶支座的中心。梁端反力通过球面表面橡胶逐渐扩散传至下面几层钢板和橡胶层。实际采用时,也可根据不同坡度需要调整球冠半径。由于其能适应较大的桥梁坡度,不用专门设置梁靴,极大地方便了设计和施工,一度被认为是圆形板式橡胶支座的成功改进,在各种布置复杂、纵横坡较大的立交桥及高架桥上多有采用。

与圆形板式支座到球冠圆板式橡胶支座的改进尝试一样,矩形板式橡胶支座也作了许多改进尝试,以期能适应各种桥梁纵坡的情形,坡形板式橡胶支座就是在这种情形下产生的。其斜坡的角度依据桥梁的纵横坡而制造,安装时无须准备楔块或对梁底做相应处理,方便了桥梁的设计与施工。

但是,随着球冠及坡形支座越来越多地被采用,其在实用中暴露出来的缺陷也日益明显。新桥梁通用规范中明确指出,‘公路桥涵中不宜使用带球冠的板式橡胶支座或坡形的板式橡胶支座’。所以,在设计中对这两种支座应慎用。《公路桥涵板式橡胶支座》中还规定,‘支座的四氟滑板不得设置在支座底面,与四氟滑板接确的不锈钢板也不能设置在桥梁墩、台垫石上’,这也就彻底否定了聚四氟乙稀球冠板式橡胶支座的设计理念。

合理安排各墩台橡胶支座厚度

对于多跨连续梁桥,为简化设计和施工,各墩台可选用相等厚度的支座。当一联中跨数较多时,上述作法并不可取。因为一联桥长较长时,所选支座必然较厚。桥梁上部结构在承受汽车制动力时,支座越厚,则产生的纵桥向变形量也会越大,这就使梁体的下滑变位趋势更加明显,尤其当桥梁纵坡较大时,加上汽车冲击震动的影响,梁体变位可能会超出橡胶支座允许的变形量,造成支座被剪坏。如支座老化较严重,这种大的梁体变位还可能造成支座永久性塑性变形,致使支座变形功能失效。大的梁体变位还会对桥梁伸缩缝产生更大的压力。

为避免上述情形发生,可在一联中居中的若干桥跨内选用较薄的橡胶支座,形成支座不等厚设计。这样虽然会增加设计和施工的麻烦,但中跨薄支座相对起到了固定支座的作用,能有效地减少梁体下滑变位作用。对于高墩或大纵坡的梁式桥,最好能有2~3个墩与梁固结,以避免连续梁体下滑(实桥观测表明,上述情形下不采取切实措施,梁体下滑不可避免)。

当然,在特殊情形下,还可以利用上述分析,有意加厚或减薄某些墩、台上橡胶支座的厚度,以控制墩、台水平力分配。

实例分析:某特大桥的引桥,上部结构为4-30米先简支后连续预应力钢筋砼小箱梁,采用薄壁墩,肋台,钻孔灌注桩基础,引桥自成一联,桥型图如图所示。汽车荷载采用公路I级,按最大升温25°,最大降温+砼收缩及徐变合计40°计算温度力。一车道制动力Fk=165kn。采用弹性基础-m法求得墩台及基础的抗弯刚度后,按墩台与支座组合刚度进行水平力分配,结果如下表所示:

需要说明的是,由于3#墩和7#台承受的温度力大于最大支座摩阻力,四氟滑板支座将发生滑动,故汽车制动力将进行重分配,造成制动力全部由4、5、6#墩承担,3#墩和7#台分配到的制动力均为0。

从计算结果可以看出,作为中间墩的5#墩,承受的温度力几为0,如减薄5#墩上的支座厚度,可增大其组合刚度,从而分配到更多的制动力,为其它墩减负,使得各墩承担的水平力更加均衡。故在任何桥长情况下,采用各墩台支座不等厚设计均是经济、合理的作法。

橡胶支座计算中应注意问题

1.支座有效承压面积Ae

计算支座压应力时,应采用支座有效承压面积(即承压加劲钢板面积)。同样,计算支座形状系数时,亦应采用加劲钢板尺寸进行计算。老桥规是以支座外观尺寸代入计算的,应注意调整我们的计算习惯。

2.剪变模量Ge

常温下橡胶支座的剪变模量Ge=1.0MPa。实际设计时,Ge值应注意按桥位所在地区气温条件进行调整。当累年最冷月平均温度的平均值为0~-10℃时,Ge值应增大20%;当低于-10℃时,Ge值应增大50%;当低于-25℃时,Ge值采用2.0MPa。

3.支座橡胶层总厚度te

进行橡胶支座厚度计算时,容易将te误认为是支座的总厚度t,实际上te应为支座橡胶层总厚度,即te=t-nt0。其中n为支座中加劲钢板的层数;t0为每层加劲钢板的厚度。

在一些支座参考资料(特别是一些老的参考资料)中,并没有直接列出每种规格支座的te值,设计选型时多有不便。这时就需要根据支座形状系数S(资料中均会给出)的计算公式

4.形状系数S取值

在实际选型时会发现,同种平面尺寸的橡胶支座一般会有几种支座形状系数可供选择。这是因为同种平面尺寸支座一般会采用几种不同的中间单层橡胶片厚度t1来生产,实际上这是不同型号的支座,其加劲钢板的层数往往会相差1~3层。S值小则t1相对较厚,其允许转角正切值相应较大,比较适合大跨径桥梁或梁端挠曲变形较大的情形,设计时可根据实际情况选用。

还有,新桥规规定支座形状系数应在5≤S≤12范围内取用,这就使得一些按老的《公路桥涵板式橡胶支座》规范制造的橡胶支座S值可能会超出这一范围。选用时应注意核实,避免选用到不合要求的支座型号,造成日后变更设计。及时更新手头的橡胶支座参考资料能有效避免上述情形发生。

5.四氟滑板支座尺寸及厚度计算

桥规中仅对四氟滑板支座的摩擦力提出了要求,并未直接说明该如何确定四氟滑板支座的平面尺寸和橡胶层厚度。很多时候,设计人员会将四氟滑板支座的平面尺寸和厚度取得与相邻墩的普通板式橡胶支座等厚或干脆偏大取值,这都是不严谨的做法。实际上,通过逐一分析普通板式橡胶支座的计算公式,就能发现除摩擦力要求外,四氟滑板支座还需要验算以下项目:

①支座有效承压面积计算公式

该式可用于确定滑板支座的橡胶层总厚度te。

除此以外,“从满足剪切变形考虑,应符合的条件”不符合四氟滑板支座的变形原理,故无需验算。“从保证受压稳定考虑,应符合的条件”和“加劲钢板厚度要求”也无需验算,因为所有合格出厂的橡胶支座都能满足这两个条件(当然板式橡胶支座也无需验算这两条)。

6.橡胶支座承载力取值

选用板式橡胶支座时,支座的最大承载力应与桥梁支点反力相吻合,其容许偏差范围宜为±10%左右。所选支座承载力太小固然不行,但承载力过大也不可取。支座承载力越大,其平面面积也越大,相应的剪切变形强度也越大。就是说,同一座桥梁,采用的橡胶支座越大,上部结构变形对下部结构产生的水平力也越大,这对下部结构是不利的。当橡胶支座足够大时,支座与梁体间或支座与垫石间还会出现滑移现象,导致抗滑稳定性破坏。

支座承载力非但不宜取大,还应略小为好,即应控制在计算需要的承载力的-10%的范围内。原因有三:①厂家给出的支座承压力有富余;②设计荷载出现的机率总是很小,大量时间支座的承压力大有富余;③实际中几乎没有被“压坏”的橡胶支座。

对于顺梁底纵坡直接倾斜安装的支座,为满足桥规相关验算要求,支座压应力在限值范围内宜取高,同样平面承压面积下短边宜取小,支座厚度在限值范围内宜取大。横向倾斜安装的支座可不考虑其影响。

实例分析:对于前述特大桥的引桥,仅改变其4-6#墩上的支座大小(不考虑其实际中的合理性),该变化对墩台水平力的影响列表如下:

分析上表计算结果可知,全桥桥墩整体支座大小变化对汽车制动的分配结果影响不大(最大1.2%),但对由温度变化产生的水平力的影响不可怱视。支座增大或减小,各墩承受的温度力也随之增大或减小。按表中所示支座承载力增减幅度,对温度力的影响幅度约为8.3%。3#墩和7#台的支座型号没有变化,故水平力分配值基本不变,仅受全联变温临界点的些许变动影响而稍有变化。

所以,合理确定支座承载力取值,不图省事凭经验保守取值,不仅能节约支座购置费用,还能减小墩台水平力,节约下部结构建设成本,经济效益和社会效益较为可观。

7.对于桥面连续的简支结构体系,也应和整体结构连续的桥梁一样,按全联进行结构变形量的计算及分配。不可认为其属简支结构体系而按单跨计算变形量,这将造成计算结构变形量与实际严重不符。

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桥梁的养护是伴随桥梁开始建设到桥梁拆除终止使用为止,是保证交通正常运营,车辆正常行驶的重要措施。而桥梁的养护通常有广义的养护和狭义的养护之分,广义养护的内容是比较宽泛的,如桥梁资料的管理,相应规章制度的建立,主要是采取的一些间接措施来保证桥梁的正常运营。

楚天联发专业人士指出桥梁的维修主要是指在桥梁出现病害并出现安全隐患时进行的加固整修措施,主要是桥梁的加固。加固的目的就是使桥梁的承载力提高以达到新的使用要求。加固常常遵循的原则主要有:以不改动原有桥体为原则,采取相对恰当的方式进行加固,对一些特殊情况即必须要改变结构时,必须经过综合分析,提出合理的方案进行加固或改建。

桥墩的养护与维修

对桥梁下部结构进行的维修主要是指对桥墩进行的加固处理。加固桥墩的目的在于提高桥墩的承载能力,增加桥梁的正常使用寿命。如对一些结构性损伤的问题,可以采取粘贴钢板或在桥墩的周围增加混凝土形成外包混凝土,提高结构的承载力。对于一些较大尺寸的桥墩刚度较大,其承载力的变化主要是由地基的原因造成的,所以在提高承载力的时候应考虑对地基土进行处理,如换填土,进行注浆处理提高桥墩整体承载力。

常见的桥梁桩基加固的另一种方法是套箍钢筋浇筑混凝土,在施工时,由于施工的原因造成的有桩径缩小,桩身截断等工程现象。为改善这些现状,通常采用的方法是清桩然后植筋浇筑混凝土。就目前来讲,对桥墩进行改建时,要根据桥梁的部位,桥梁的具体构件采用不同的加固方法,就同一桥梁而言,不同的部位采取的方法也是不一样的。常见的加固方法为,增加构件、粘贴钢板、碳纤维加固、桥面层补强等加固方法。

桥梁支座的养护与维修

支座是桥梁的又一重要组成部分,支座的好坏直接影响桥梁的正常使用。支座的种类是多种多样的,常见的有固定支座、油毛毡支座、摆柱式支座和橡胶支座等,针对不同的支座采取的养护维修的方法是不一样的,就同一支座由于造成破坏的原因不一其维修的方法也是不同的。支座应该保持完整,无污染,常打扫,清除垃圾,保证桥梁梁跨的正常伸缩。为了防止支座生锈应对支座涂刷油漆进行保护。对橡胶支座而言,橡胶是极易老化的材质,为此我们要及时更换已老化的橡胶支座,对油毛毡支座同样如此。

桥面的养护与维修

桥面质量的好坏是一座桥梁的整体质量好坏的一个直观反映。常见的桥面,根据材料的不同,常分为沥青混凝土路面和水泥混凝土路面,针对不同的路面采取的养护维修措施也是不一样的。总体来讲,桥面的养护与维修就是要保持桥面的清洁,及时清扫,排除淤泥。桥面是最容易损坏的工程之一,因为其与车辆有着最直接的接触,因此这也就加大了桥梁的养护维修工作。桥面的防水层是容易出现问题的方面之一,防水层损坏的危害性是极大的,必须及时修复,铺装层的碎裂和脱皮也要及时进行维修,以免造成更大的损伤,造成更大的经济损失。水是造成工程灾害的重要因素之一,桥面的积水要及时彻底的排出,排水管要随时保证通畅。伸缩缝的毁坏是桥面常见的病害之一,其直接影响行车的舒适性,缝内的杂物要及时清除,保持伸缩缝的清洁,若伸缩缝毁坏要及时进行维修加固,保证桥梁结构能伸缩自如。

桥梁的养护与维修工作是相当重要的并且是要持久进行的,养护与维修固然重要,但在维修加固的同时,根据具体情况,无须彻底中断交通,进行合理的通行对经济效益的提高还是比较明显的,从某种意义上来说,不管是技术改造方案的拟定和设计计算,还是技术改造的具体实施,均须相关工作者不断去实践和研究。