淺析鐵路橋梁支座設(shè)計

宋春天

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，運輸量不斷增加，橋梁在運輸中起著關(guān)鍵的作用。因此，做好橋梁支座的設(shè)計尤為重要。本文通過對橋梁支座的作用和種類進行了介紹，結(jié)合橋梁的布置方式，提出了橋梁支座的設(shè)計原則和設(shè)計方法，針對橋梁支座的抗震設(shè)計做了重要分析，具有一定的現(xiàn)實指導意義。

【關(guān)鍵詞】橋梁；支座；設(shè)計；抗震設(shè)計

0 引言

橋梁支座作為橋梁的重要組成部分，在橋梁的整體中起著非常重要的作用，它使橋梁構(gòu)成一個整體，橋梁支座也是橋跨結(jié)構(gòu)的重要支撐部分，它是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要部件。它能夠?qū)蚩缃Y(jié)構(gòu)的支撐反力傳給橋墩，并且它還需要能夠保證橋跨結(jié)構(gòu)在荷載和溫度變化的作用下具有設(shè)計時所要求的一些靜力條件，從而能夠適應梁體轉(zhuǎn)動和自由伸縮的需要。并且還應該具備便于安裝、維修和養(yǎng)護的作用，支座還必須能夠保證在墩臺上的位置充分的固定，不能滑落。橋梁支座的好壞直接影響著橋梁的整個結(jié)構(gòu)，因此對橋梁支座的研究是非常重要的。

1 橋梁支座的分類

按支座變形的情況分為：固定支座、單項活動支座、多向活動支座。

按支座材料的情況分為：鋼支座、混凝土支座、鉛支座、聚四氟乙烯支座、橡膠支座。

按支座結(jié)構(gòu)形式分為：弧形支座、板式橡膠支座、搖軸支座、盆式橡膠支座、球型支座等。

下面簡單介紹幾種支座：

（1）板式橡膠支座

板式橡膠支座由數(shù)層薄橡膠片與薄鋼板鑲嵌、粘和、壓制而成。它需要具有足夠的豎向剛度，以承受垂直荷載，能將上部結(jié)構(gòu)的反力可靠地傳遞給墩臺，需要有良好的彈性，以適應梁端的轉(zhuǎn)動，有較大的剪切變形以滿足上部結(jié)構(gòu)的水平位移。板式橡膠支座適用于中小跨徑的公路、城市和鐵路橋梁。我國公路橋梁規(guī)范規(guī)定，標準跨徑20m以內(nèi)的梁和板橋，一般可采用板式橡膠支座，但在實際應用中往往超越上列跨徑界限，只要嚴格按設(shè)計原則考慮，均能取得比較滿意的結(jié)果。板式橡膠支座有矩形和圓形兩種。國產(chǎn)板式橡膠支座的支座承載能力范圍可在150～7000KN間。

（2）盆式橡膠支座

盆式橡膠支座是鋼構(gòu)件與橡膠組合而成的新型橋梁支座。具有承載力大、水平位移量大、轉(zhuǎn)動靈活等特點，適用于支座承載力為1000KN以上的大跨徑橋梁，也適用于城市、林區(qū)、礦區(qū)的橋梁。盆式橡膠支座按使用性能可分為：雙向活動支座（又稱多向活動支座），具有轉(zhuǎn)動和縱向與橫向滑移性能；單向活動支座，具有轉(zhuǎn)動和單一方向（縱向或橫向）滑移性能；固定支座僅有轉(zhuǎn)動性能。

（3）大噸位的球形鋼支座

隨著大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，要求橋梁支座的承載能力大，同時具備適應大位移和轉(zhuǎn)角的要求。球形鋼支座傳力可靠，轉(zhuǎn)動靈活，它不但具備盆式橡膠支座承載能力大，允許支座位移大等特點，而且能更好的適應支座大轉(zhuǎn)角的需要，與盆式橡膠支座相比具有如下優(yōu)點。

①球形鋼支座通過球面?zhèn)髁?，不出現(xiàn)力的縮頸現(xiàn)象，作用在混凝土的反力比較均勻。

②支座各向轉(zhuǎn)動性能一致，適用于寬橋、曲線橋。

③支座不用橡膠承壓，不存在橡膠老化對支座轉(zhuǎn)動性能的影響，特別適用于低溫地區(qū)。

（4）拉力支座

在連續(xù)橋梁、懸臂橋梁、斜橋、寬懸臂翼緣箱梁橋以及小半徑曲線橋上，因荷載的作用，在某些支點上產(chǎn)生拉力，在這種情況下，必須設(shè)置能抗拉、并且能承受相應的轉(zhuǎn)動和水平位移的支座。球形鋼支座、盆式和板式橡膠支座都能變更功能作為拉力支座，這種變更既可用于固定支座，還可用于活動支座。板式橡膠拉壓支座能夠用于拉力較小的橋梁，對反力較大的橋梁則用球形抗拉鋼支座或盆式拉力支座更適合。但是，支座拉力超過1000KN時，上述結(jié)構(gòu)則不經(jīng)濟。

（5）減震隔震支座

地震地區(qū)的橋梁支座不僅應滿足支承要求，同時應具有減震、防震等各種功能。按抗震要求設(shè)計的支座必須具有抵抗地震力的能力；而減、隔震支座的作用是盡可能地將結(jié)構(gòu)或部件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來，以大大減少傳遞到上部結(jié)構(gòu)的地震力和能量。目前國內(nèi)主要的減、隔震支座和抗震支座的類型有新型減震橡膠支座、抗震型球形鋼支座、高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座。

2 支座設(shè)計計算（以板式橡膠支座為例）

2.1 確定支座的尺寸

支座尺寸包括支座平面面積與支座高度兩部分數(shù)據(jù)的確定。

支座平面面積可以這樣計算：

支座橡膠層總厚度Σσ1：則Σσ1滿足（la/10）≤σ1≤（la/5），即20 ≤σ1≤40要求。同時不計制動力時σ1≥2ΔL

其中Nmax為最大的支點反力；A為橡膠支座的平面面積；δ為支座的平均許用應力。Δla=-Δt×αt×l×β

根據(jù)S=la×lb/2×（la+lb）×δ1

支座高度由橡膠高度與鋼板高度兩部分構(gòu)成，橡膠高度由支座所要提供的剪切變形量（它將決定縱向位移量）來確定，而且要符合規(guī)范中要求總高度小于等于支座沿橋縱向長度的1/5的規(guī)定。鋼板高度即為約束橡膠片各層薄鋼片的厚度之和。

2.2 驗算支座偏轉(zhuǎn)與壓縮變形

橋跨結(jié)構(gòu)在支座處會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，支座通過不均勻壓縮來提供這種轉(zhuǎn)動能力，同時支座與橋跨結(jié)構(gòu)之間不能有“脫空”現(xiàn)象發(fā)生，支座的平均壓縮量越大這種轉(zhuǎn)動能力就越強，這就要求在轉(zhuǎn)角一定的條件下，支座要保證一個最小的平均壓縮量Δs，Δs可以這樣求得：Δs=-Δt×αt×l×β

其中，E為橡膠支座的彈性模量；Σσ1為橡膠層的總高度。

此外，規(guī)范還規(guī)定了支座平均壓縮量的最大值不應超過橡膠總厚的5%。

2.3 驗算支座抗滑

支座要想發(fā)揮起作用，必須要保證其處于設(shè)計的位置，在水平力作用下在支座與橋跨結(jié)構(gòu)的接觸面上以及支座與墩臺的接觸面上不能出現(xiàn)相對滑動，這種保證來自于支座與混凝土之間要有足夠的摩擦力，摩擦力的大小可以通過壓力與摩擦因數(shù)再考慮一定的經(jīng)驗系數(shù)來確定。

3 減震隔震支座的設(shè)計分析

3.1 減震隔震支座的設(shè)計

減隔震支座設(shè)計的目的是使地震作用下大部分能量集中于減隔震支座，而降低下部結(jié)構(gòu)所承受的慣性力和延性需求。工程結(jié)構(gòu)抗震減震控制的方法按照是否有外部能源輸入可分為以下五類：①被動控制（無外部能量輸入）；②主動控制（有外部能量輸入）；③半主動控制（有少量能量輸入）；④混合控制（有部分能量輸入）；⑤智能控制（有少量能量輸人）。多質(zhì)點體系地震作用下振動方程為：[M]{X″}+[C]{X′}+[K]{X}=-[M]{I}{Xg″}其中，[M]、[C]、[K]分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；{X}、{X′}、{X″}分別為結(jié)構(gòu)反應的位移、速度、加速度矩陣；{Xg″}為地面運動的加速度矩陣?？梢?，橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應與地面運動的加速度、結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度有關(guān)。與傳統(tǒng)的依賴加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸，增大配筋率，以提高結(jié)構(gòu)剛度的“硬抗”方法相比，按上述思想與方法進行減震隔震設(shè)計，較大的節(jié)約了工程量，經(jīng)濟效益顯著。

3.2 防震支座與防護設(shè)施的施工為使支座及其防護措施能夠正常使用，發(fā)揮減震隔震的作用，支座的施工質(zhì)量要求較高

依據(jù)抗震支座及其防護措施的施工經(jīng)驗，總結(jié)以下施工注意事項：（1）支座頂面要嚴格保持水平。先對墩臺頂面的墊石用砂輪打磨平整，其平整度誤差控制在1mm以內(nèi)。然后，均勻地鋪厚度相同的環(huán)氧樹脂砂漿，放置支座，擰緊螺栓。（2）安裝支座后，應在鋼盆內(nèi)的位移槽中填塞泡沫或棉絮，以避免梁體施工時，混凝土及雜物落入支座內(nèi)，最終影響支座的自由位移。臨時支座拆除后，及時將泡沫或棉絮取出。（3）臨時固結(jié)支座施工與拆除，勿損害永久支座。尤其拆除，若人工拆除，防止混凝土碎碴和切割鋼筋時碎片等落入支座滑移槽?？刹捎梦⑴蛎浾ㄋ幉鸪奖憧旖荨?/p>

4 結(jié)束語

橋梁支座作為橋梁的重要組成部分，在橋梁的整體中起著重要的作用，它將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命。作為橋梁重要構(gòu)件的支座在應用中存在的質(zhì)量隱患令人擔憂，對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性產(chǎn)生不容忽視的影響。

【參考文獻】

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[責任編輯：曹明明]