李 飛 (安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230001)
橋梁上下結(jié)構(gòu)之間傳遞荷載的重要構(gòu)件為橋梁支座(剛構(gòu)橋例外),作為橋梁支座,需要將橋梁上部荷載(自重及外荷載)通過自身傳遞至橋墩結(jié)構(gòu),進(jìn)而傳遞至橋梁基礎(chǔ),雖然在橋梁結(jié)構(gòu)中,支座的體積相較于其他構(gòu)件而言很小,但其重要性在橋梁結(jié)構(gòu)中同等重要[1]。橋梁支座的形式多種多樣,但應(yīng)用最為廣泛的仍然是傳統(tǒng)板式橡膠支座,板式橡膠支座根據(jù)形式的不同可分為圓形板式橡膠支座、矩形板式橡膠支座和四氟板式橡膠支座三種類型,圖1 即為三種不同板式支座。
圖1 不同板式支座
板式橡膠支座除了能將橋梁上部荷載傳遞至橋梁下部荷載以外,還必須能夠適應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)的橫向位移和轉(zhuǎn)角,因此需要支座不僅具有足夠的強(qiáng)度能夠傳遞荷載,同時(shí)也要預(yù)留一定的變形能力來適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)的變形,在強(qiáng)度方面,板式橡膠支座通過橡膠和鋼板共同承壓,鋼板通過粘合劑包裹在橡膠支座內(nèi)部,不僅提高了板式支座的豎向剛度,也減小了支座在承受豎向荷載時(shí)的豎向變形;變形能力方面,橡膠具有較強(qiáng)的變形能力,對于上部結(jié)構(gòu)傳遞的橫向荷載,各層橡膠之間能夠協(xié)調(diào)變形,保證上部結(jié)構(gòu)在允許范圍內(nèi)適當(dāng)變形的情況下,支座不會脫空,仍然具有傳遞豎向荷載的能力。此外,板式橡膠支座日常維護(hù)工作量較少,因此板式橡膠支座在橋梁工程中具有廣泛的應(yīng)用。其所具有的力學(xué)特性,針對簡支轉(zhuǎn)橋面連續(xù)的橋梁而言,支座采用板式橡膠支座可能是唯一的選擇。
板式橡膠支座在橋梁結(jié)構(gòu)的造價(jià)中占比較低,雖然在橋梁結(jié)構(gòu)中,支座的作用同其他構(gòu)件同等重要,但由于其低廉的造價(jià),時(shí)常被工程師所遺忘。橡膠材料不同于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在強(qiáng)荷載作用下,橡膠材料經(jīng)常會出現(xiàn)各種病害,加之野外環(huán)境中,橡膠支座幾乎暴露于空氣環(huán)境中,進(jìn)而加劇了支座的病害。因此對于已建橋梁,在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi),支座病害的檢查尤其重要,對于一些損害較為嚴(yán)重的支座,往往會采用更換支座的方式對其進(jìn)行處理,常見的橡膠支座病害主要有支座脫空、剪切超限,局部鼓凸以及橡膠老化開裂等[2],圖2 即為板式橡膠支座常見病害。
圖2 支座常見病害
板式橡膠支座設(shè)計(jì)計(jì)算主要對以下三方面的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,首先是確定支座類型及尺寸,然后對支座進(jìn)行受壓偏轉(zhuǎn)驗(yàn)算和抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算,本文以圓形橡膠板式支座為例。
受板式橡膠材料自身的極限抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量及常溫下板式橡膠支座剪切模量的影響,圓形橡膠板式支座力學(xué)參數(shù)需滿足表1設(shè)計(jì)指標(biāo)。
表1 橡膠支座的力學(xué)性能要求
圖3 圓形板式橡膠支座結(jié)構(gòu)示意
圓形橡膠板式支座形狀系數(shù)S,其計(jì)算公式如下:
式中d0為圓形加筋鋼板直徑,單位為mm;t1為中間單層橡膠片厚度,單位為mm。
板式橡膠支座的有效承壓面積應(yīng)符合下列規(guī)定:
式中Ae為支座有效承壓面積(承壓加勁鋼板面積);Rck為支座反力設(shè)計(jì)值(汽車荷載計(jì)入沖擊系數(shù));σc為使用階段支座平均壓應(yīng)力限值為10MPa,當(dāng)支座形狀系數(shù)S小于7時(shí),為8MPa。
之所以對板式支座的厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,是因?yàn)橐环矫嫦鹉z支座在傳遞豎向荷載的同時(shí)還需要根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的水平位移和轉(zhuǎn)動位移來協(xié)調(diào)自身變形,如圖2(b)所示,放上部結(jié)構(gòu)在水平方向上發(fā)生位移或者在支座附近發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí),板式橡膠支座會產(chǎn)生相應(yīng)的剪切變形來適應(yīng)橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移,當(dāng)上部結(jié)構(gòu)位移過大時(shí),橡膠板式支座剪切變形就會增大,達(dá)到一定限度之后支座就會發(fā)生剪切破壞,因此要求橡膠板式支座具有一定的厚度[3-4],能夠產(chǎn)生足夠的剪切變形,根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)中對板式橡膠支座的規(guī)定,在保證橋梁上部結(jié)構(gòu)水平位移和轉(zhuǎn)角位移不超限的情況下,不計(jì)入制動力時(shí),橡膠總厚度te與上部結(jié)構(gòu)水平位移Δl需滿足:
計(jì)入制動時(shí),橡膠總厚度te與上部結(jié)構(gòu)水平位移Δl需滿足:
式中Δl包含由上部結(jié)構(gòu)溫度變化、混凝土收縮和徐變等作用標(biāo)準(zhǔn)值引起的支座剪切變形和縱向力標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的支座剪切變形,當(dāng)支座本身直接設(shè)置在縱坡大于1%的斜面上時(shí),還需考慮支座反力在該順坡上的分力所產(chǎn)生的剪切變形。同時(shí),當(dāng)橡膠支座厚度過大時(shí),支座的穩(wěn)定性不能得到保證,因此規(guī)范對每層橡膠片的最大厚度進(jìn)行了限定,從受壓穩(wěn)定考慮,應(yīng)保證支座符合以下條件:
如圖2(a)所示,支座發(fā)生脫空的原因在于上部結(jié)構(gòu)在跨中承受較大豎向荷載時(shí)(自重+外荷載),主梁會在荷載作用下發(fā)生撓曲變形,主梁中部向下?lián)锨冃蔚耐瑫r(shí)會引起梁端發(fā)生轉(zhuǎn)角偏移θ,當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角過大時(shí),板式支座前段受壓,后端脫空,此時(shí)的板式支座為局部受壓[5]。為保證局部受壓條件下的橡膠板不發(fā)生脫空現(xiàn)象,支座豎向平均壓縮變形值δc,m需滿足:
式中Ae為承壓加勁鋼板的面積;Ee為抗壓彈性模量;Eb=2000MPa 為橡膠彈性體積模量;Rck為計(jì)入沖擊系數(shù)的支座反力設(shè)計(jì)值;te為橡膠層總厚度,同時(shí)豎向平均壓縮變形還不能超過橡膠總厚度的0.07倍。
為保證在橫向荷載作用下,支座與梁底不發(fā)生滑動。
不計(jì)汽車制動力時(shí),
考慮汽車制動力Fbk時(shí)的需滿足:
式中μ=0.2~0.3 為摩擦系數(shù)(支座與混凝土接觸時(shí),摩擦系數(shù)取0.3;與鋼板接觸時(shí),摩擦系數(shù)取0.2);RGk為由結(jié)構(gòu)自重引起的支座反力;Rck為包括結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值及0.5 倍汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值(計(jì)入沖擊系數(shù))引起的支座反力;Ge為支座剪切變形,其參數(shù)取值可按規(guī)范??;Ag為支座平面毛面積。
大柏店路位于肥西縣桃花工業(yè)園區(qū),道路為直線型道路,雙向4 車道,設(shè)計(jì)車速40km/h。其中在樁號K0+922處,跨越規(guī)劃五老堰河。結(jié)合規(guī)劃河道斷面,經(jīng)前期方案及初步設(shè)計(jì)確定本次設(shè)計(jì)橋梁方案為橋梁采用3m×20m 簡支轉(zhuǎn)橋面連續(xù)空心板梁橋,右偏角為60°,寬30m。其斷面具體為3.0m(人行道)+3.0m(非機(jī)動車道)+1.5m(分隔帶)+15m(機(jī)動車道)+1.5m(分隔帶)+3.0m(非機(jī)動車道)+3.0m(人行道)=全寬30m。
上部結(jié)構(gòu):采用20m 一跨預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。梁高0.95m,預(yù)制中板1.24m,邊板A 頂寬1.58m,邊板B 頂寬1.39m,底寬均為1.24m,全幅單跨布置69 片空心板??招陌宀捎肅50 混凝土,預(yù)應(yīng)力均采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線,公稱直徑φ15.2mm,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa。
下部結(jié)構(gòu):橋墩采用樁柱式橋墩,橋墩立柱直徑1.3m,采用C35 混凝土,樁基直徑1.5m,采用C30 水下混凝土;橋臺采用樁接蓋梁輕型橋臺,樁基直徑1.3m,采用C30水下混凝土。
墩臺支座均采用板式橡膠支座,其材料和力學(xué)性能均應(yīng)符合現(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,橋梁位置如圖4所示。
圖4 大柏店路橋效果圖
為了便于橋面泄水管的布置,橫斷面采用在分隔帶處邊板與邊板相接的拼板設(shè)計(jì),本次計(jì)算模型對橫斷面進(jìn)行優(yōu)化處理,即截取行車道范圍內(nèi)的空心板作為驗(yàn)算對象(見圖5、圖6)。
圖5 大柏店路橋橫斷面圖
圖6 優(yōu)化調(diào)整后的大柏店路橋橫斷面圖
大柏店路橋梁計(jì)算跨徑l=19.26m,梁長L=19.96m,恒載單位長度自重g=17.48kN/m,汽車荷載為城-A 級,車道均布荷載qk=10.5kN/m,集中荷載Pk=298.52kN。不計(jì)入人群荷載,計(jì)算溫差為36℃,安全設(shè)計(jì)等級取一級??箯潙T矩I=0.0691886m4,彈性模量Ec=3.45×107kPa。空心板的抗彎剛度B=Ec×I=0.2387×107kN/m2。結(jié)構(gòu)自重引起的支反力RGK=135.8kN,支反力設(shè)計(jì)值Rck=135.8+87.9×0.5=179.75kN。車道荷載橫向分配系數(shù)為mc=0.281,汽車制動力Fbk=11.6kN。選定圓形橡膠板式支座結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。
圖7 圓形橡膠板式支座結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)橋梁跨徑及相關(guān)數(shù)據(jù),初步選定圓形板式橡膠支座GBZY 250×52 型板式橡膠支座,截面直徑為d=25cm,則平面尺寸Ag=3.14×0.1252=0.0490625m2,加勁板邊緣距離橡膠邊緣為5mm,Ae=3.14×(0.125-0.005)2=0.045216m2,單層橡膠厚度取t1=0.8cm,由此可得支座平面形狀系數(shù)
支座平面滿足:
支座平面尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。
本設(shè)計(jì)中,大柏店橋水平放置,根據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T4-2019)附表查得該平面尺寸下,選取支座橡膠厚度te=37mm,總厚度t=52mm,溫差36°引起的溫度變形平均分配到主梁兩端。
溫度引起的水平位移Δg為:
活載制動力引起的水平位移ΔFbk為:
不計(jì)入制動力時(shí),根據(jù)公式(2)te≥2Δl=2×7.9=15.8mm;
計(jì)入制動力時(shí),根據(jù)公式(3)te≥1.43Δl=1.43×7.9=11.3mm。
支座厚度滿足設(shè)計(jì)要求。
不發(fā)生脫空現(xiàn)象,支座平均壓縮變形 值δcm需滿足:,將數(shù)據(jù)帶入公式中計(jì)算可得:
車道均布荷載:轉(zhuǎn)角
支座平均壓縮變形值δc滿足設(shè)計(jì)要求。
為保證在橫向荷載作用下,支座與梁底不發(fā)生滑動。
不計(jì)入汽車制動力時(shí),
考慮汽車制動力F時(shí)的支座反力Rck需滿足:
支座抗滑穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)驗(yàn)算,所選用的圓形橡膠板式支座均滿足設(shè)計(jì)要求,施工時(shí)支座安放必須水平,誤差符合規(guī)范要求。支座位置應(yīng)準(zhǔn)確。墩臺支撐墊石或預(yù)埋鋼板頂面應(yīng)平整、清潔、支座與其接觸應(yīng)密貼。所有支座安裝前應(yīng)檢查配件是否齊全?;瑒又ё惭b時(shí)應(yīng)注意滑動方向不能放錯(cuò)[6]。
本文從橋梁常用支座出發(fā),對常見的橡膠板式支座進(jìn)行了研究,并對常見的橋梁支座病害進(jìn)行了分析及歸類,對于橡膠板式支座而言,圓形橡膠板式支座和矩形橡膠板式支座,以及四氟板式橡膠支座是最常見的橡膠板式支座,針對此類支座本文對其進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算得出理論分析,結(jié)合大柏店路橋圓形橡膠板式支座應(yīng)用情況,對支座進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算,本文研究結(jié)果對安徽省肥西縣桃花工業(yè)園區(qū)大柏店橋的板式橡膠支座的應(yīng)用有著重要的參考價(jià)值。