道路橋梁職稱論文發(fā)表淺談橋梁新型支座

　　摘要:橋梁支座，將橋面板的各種荷載作用傳遞到橋墩上，在橋梁結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。本文從橋梁支座的分類、最新研究出的新型支座及應(yīng)用、支座設(shè)計(jì)方法、支座破壞分析等方面進(jìn)行了闡述。

　　關(guān)鍵詞:橋梁支座,抗震減震,支座設(shè)計(jì)

　　在橋梁結(jié)構(gòu)中，支座是橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，其作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載舒適、安全地傳遞到橋梁墩臺(tái)上去，同時(shí)保證上部結(jié)構(gòu)在荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素作用下的自由變形，以便使結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況符合計(jì)算圖式，并保護(hù)梁端、墩臺(tái)帽不受損傷。此外支座應(yīng)便于安裝、養(yǎng)護(hù)和維修，并在必要時(shí)進(jìn)行更換。

　　一、 支座的分類

　　(一) 鋼支座

　　我國(guó)早期的鐵路橋梁大多數(shù)都采用鋼支座。鋼支座的型式有弧型支座、搖軸支座、鉸軸支座和輥軸支座。材質(zhì)上，鑄件(支座的上下擺、搖軸、座板等)多采用zG25 II，鉸軸、輥軸等采用35號(hào)鍛鋼。弧型支座、搖軸支座主要用于中小跨度鋼梁：混凝土梁、大跨度鋼梁主要采用承載力強(qiáng)的輥軸支座。鋼支座在使用過程中，鑄件的銹蝕易導(dǎo)致支座的凍死，從而影響其使用性能。作為改進(jìn)可以在活動(dòng)支座中以聚四氟乙烯滑板代替輥軸，活動(dòng)支座和固定支座上、下擺之間均以鉸軸連接，稱作鉸軸滑板鋼支座。

　　(二)板式橡膠支座

　　板式橡膠支座是一種新型橋梁支座。它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工制造容易、用鋼量少、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。板式橡膠支座由數(shù)層薄橡膠片與薄鋼板鑲嵌、粘合、壓制而成。它具

　　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(tái)，良好的彈性以適應(yīng)梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)，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。板式橡膠支座又可分為矩形和圓形兩種 ,圓板式板式橡膠支座主要用于圓形橋墩的橋梁。板式橡膠支座的型號(hào)、高度等應(yīng)根據(jù)實(shí)際的位移量及支座反力大小來確定。板式橡膠支座應(yīng)盡量水平安裝,當(dāng)必需傾斜安裝時(shí),最大縱坡應(yīng)≤2%。板式橡膠支座一般分為非加勁支座和加勁支座兩種。

　　(三)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。具有承載能力大、水平位移量大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，適用于支座承載力為1000 kN以上的大跨徑橋梁，也適用于城市、林區(qū)、礦區(qū)的橋梁。盆式橡膠支座可分為單向支座、多向支座和固定支座。

　　(四) 球型支座

　　球型支座是在盆式橡膠支座的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型橋梁支座。隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，大量的彎橋和寬橋的出現(xiàn)，70年代初國(guó)外就研制成球型支座，它的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角可遠(yuǎn)大于盆式橡膠支座，一般為0.0l～0.02rad，必要時(shí)也可以達(dá)到0.05rad。設(shè)計(jì)反力從1Kn～30Kn。

　　二、 支座的最新進(jìn)展

　　(一) 復(fù)合球型支座

　　新型復(fù)合材料球型支座是由鋼和耐壓材料結(jié)合制造而成的，其外觀結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有球型支座相似。按支座功能可分固定支座、縱向活動(dòng)支座、橫向活動(dòng)支座和多向活動(dòng)支座四種。其技術(shù)創(chuàng)新反映在：(1)支座上擺和下擺分別在凸球殼和凹球殼內(nèi)填充耐壓材料，填充的耐壓材料重量輕;(2)球殼內(nèi)的耐壓材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)，大大提高了支座的承載能力，使支座具有很大的抗壓安全儲(chǔ)備;(3)支座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造;(4)支座不易損壞和老化，耐久性好。

　　復(fù)合材料球型支座在構(gòu)造和用料兩方面的技術(shù)創(chuàng)新以及新鑄造工藝的引進(jìn)，進(jìn)一步完善了球型支座的使用性能的同時(shí)，也降低了支座的造價(jià)，其制造成本不但大幅低于現(xiàn)有同承載力的其它球型支座，而且還低于同承載力的盆式橡膠支座。另外，支座鑄鋼用量的大幅降低也大大降低鑄造能耗。

　　(二)雙曲面球型支座

　　雙曲面球型減隔震支座是近年來我國(guó)科研人員研制的橋梁支座。這種支座主要應(yīng)用于城市立交橋、公路橋梁、鐵路橋梁及城市軌道交通橋梁等領(lǐng)域。同時(shí)，也可應(yīng)用于有減隔震要求的其它建筑工程。雙曲面球型減隔震支座的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：(1)設(shè)計(jì)采用了上下不同半徑的兩個(gè)球面，既可保證支座正常的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移功能，又能實(shí)現(xiàn)抗震剛度要求，達(dá)到減震功能;(2)支座摩擦部位采用填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑片與不銹鋼板組成，具有承載力大、耐久性好等特點(diǎn)，并可根據(jù)使用要求對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　(三)新型抗震支座

　　我國(guó)處于環(huán)太平洋和北半球中緯度大自然災(zāi)害的交匯地區(qū)。由于幅員廣闊，氣候與地貌條件復(fù)雜，系世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，特別是近年來地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，幾起特大地震(如四川汶川、青海玉樹地震等)對(duì)人民群眾生命安全和財(cái)產(chǎn)造成巨大傷亡和損失。做好城市生命線工程(包括城市交通、城市橋梁)的安全，對(duì)于人民群眾的生命安全和社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有重要作用。

　　抗震支座包括支座的上錨碇板組件、下錨碇板組件、與上錨碇板組件固定連接的上滑動(dòng)板組件、與下錨碇板組件固定連接的下滑動(dòng)板組件，以及分別設(shè)置在支座兩側(cè)的兩個(gè)速度鎖定器。上、下滑動(dòng)板組件通過導(dǎo)軌兩側(cè)組件形成滑動(dòng)配合，上、下滑動(dòng)板組件分別和速度鎖定器的缸體和活塞固定連接，速度鎖定器的作用方向與導(dǎo)軌方向平行。這種支座的作用效果是，當(dāng)?shù)卣鸬纫蛩禺a(chǎn)生比較大的震動(dòng)時(shí)，能夠有效地分散荷載，使得橋梁結(jié)構(gòu)的受力更均勻，性能更穩(wěn)定，從而避免或減輕自然災(zāi)害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，

　　(四)新型減震支座

　　新型減震支座分為油壓減震器和橡膠減震器，減震器的機(jī)理主要是利用液體介質(zhì)的粘滯性或橡膠的彈性所產(chǎn)生的阻尼力來減小地震力的影響。

　　目前國(guó)內(nèi)橋梁采用的減震技術(shù)，大致集中在以下兩類：一類是延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，同時(shí)采用消耗地震能量的隔震裝置來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，如鉛芯橡膠隔震支座、擺式滑動(dòng)摩擦支座等;另一類是利用耗能裝置來消耗地震能量，達(dá)到改善橋梁結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵部位的抗震性能，如粘滯阻尼器。

　　三、支座設(shè)計(jì)方法

　　a.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?jǐn)?shù)據(jù)的確定。支座平面面積可以這樣計(jì)算：

　　其中 為最大的支點(diǎn)反力;A為橡膠支座的平面面積; 為支座的平均許用應(yīng)力

　　b.驗(yàn)算支座偏轉(zhuǎn)與壓縮變形

　　橋跨結(jié)構(gòu)在支座處會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，支座通過不均勻壓縮來提供這種轉(zhuǎn)動(dòng)能力，同時(shí)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(dòng)能力就越強(qiáng)，這就要求在轉(zhuǎn)角一定的條件下，支座要保證一個(gè)最小的平均壓縮量 ， 可以這樣求得：

　　其中，為橡膠支座的彈性模量;為橡膠層的總高度。

　　c.驗(yàn)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(jì)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(tái)的接觸面上不能出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，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(yàn)系數(shù)來確定。

　　四、支座破壞分析

　　橋梁支座是橋跨結(jié)構(gòu)的支承部分, 它的作用是將上部結(jié)構(gòu)的反力傳給墩臺(tái), 并完成梁部結(jié)構(gòu)所需要的變形, 包括水平位移和轉(zhuǎn)角。因而它是橋梁的重要組成部分。某些上部梁跨及墩臺(tái)基礎(chǔ)的病害, 往往首先反映在支座位移的變化上, 所以橋梁支座應(yīng)經(jīng)常保持良好的狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)病害要及時(shí)整治。支座破壞往往會(huì)引起橋梁的災(zāi)害。

　　支座在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)會(huì)出現(xiàn)許多問題。這些問題的來源是多方面的，既有支座所選橡膠材料不耐老化的先天缺陷因素，也有支座選取、布置不合理，施工不規(guī)范、不專業(yè)，養(yǎng)護(hù)不到位等人為因素。下面選取幾種設(shè)計(jì)中常用的支座來分析其發(fā)生破壞的原因。

　　(一)弧形支座在使用過程中經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、錨栓剪斷及上下座板之間縱向錯(cuò)位超限的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活主要是由于弧形接觸面線接觸應(yīng)力過大被壓平，造成支座轉(zhuǎn)動(dòng)困難;支座錨栓與梁底鋼板大多采用焊接連接，焊接缺陷及焊接殘余應(yīng)力使得錨栓疲勞強(qiáng)度降低，容易引起錨栓疲勞斷裂的病害;上下座板之間縱向錯(cuò)位主要是梁體在荷載作用下出現(xiàn)伸長(zhǎng)或縮短，是由于支座弧形接觸面被壓平，梁體縱向變形無法復(fù)位所致。

　　(二)搖軸支座在使用過程中經(jīng)常發(fā)生活動(dòng)支座無法復(fù)位的現(xiàn)象，主要原因是由于下擺與支座底板的線形接觸面接觸應(yīng)力過大被壓平，下擺與底板之間由原來的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榛∶娼佑|所致。此外，該類支座還經(jīng)常發(fā)生活動(dòng)支座下擺與底板之間的銷子被剪斷、上擺與搖軸之間的擺卡被剪斷、錨固螺栓被拔掉及墊石崩裂等病害，這主要是由于支座承受了超過設(shè)計(jì)水平的橫向力或縱向力所引起。

　　(三)鉸軸支座在使用過程中經(jīng)常發(fā)生的病害與搖軸支座類似，主要有活動(dòng)支座無法復(fù)位、活動(dòng)支座下擺與底板之間的銷子被剪斷、錨固螺栓被拔掉及墊石崩裂等病害。此外，該類支座在橫向力作用下其上擺左右兩側(cè)凸字形限位板及下擺左右兩側(cè)半圓形限位板容易出現(xiàn)病害，如限位板外凸變形及限位板螺栓剪斷后限位板脫落缺失等。與搖軸支座相比，此類支座在橫向力作用下更容易出現(xiàn)病害，這主要是由于兩種支座橫向限位構(gòu)造不同所致，鉸軸支座主要靠限位板上的螺栓抵抗橫向力，而搖軸支座主要靠上擺和下擺之間嵌套的擺卡抵抗橫向力，后者比前者更能抵抗橫向水平力。

　　(四)板式橡膠支座中橡膠老化、變質(zhì)使得梁體不能自由伸縮，直接導(dǎo)致梁端或墩、臺(tái)帽混凝土破裂，造成掉角、啃邊現(xiàn)象，橡膠板易位，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致伸縮縫破壞。

　　五 未來橋梁支座構(gòu)想

　　隨著橋梁結(jié)構(gòu)向智能化、精細(xì)化的趨勢(shì)發(fā)展，研制出同時(shí)具備抗震性能優(yōu)良、能隨時(shí)監(jiān)測(cè)支座位移、耐久性好的支座，應(yīng)該是未來橋梁支座設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。同時(shí)，新的橋梁支座，也需要橋梁設(shè)計(jì)理論的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。

　　為了提高支座的抗震性能，可以考慮在支座中增加較大阻尼的構(gòu)成材料，來消耗地震作用的能量。同時(shí)，在支座上設(shè)置適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎瑏韺?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的變形，從而能夠及時(shí)的對(duì)可能發(fā)生事故的橋梁提前進(jìn)行加固和處理，避免災(zāi)害的發(fā)生。為了提高支座的耐久性和使用壽命，研制新的復(fù)合材料共同構(gòu)成橋梁支座，使支座能夠在更為復(fù)雜的自然條件下工作更多的時(shí)間。與此同時(shí)，未來的橋梁支座也應(yīng)該考慮可持續(xù)的理念，優(yōu)先采用環(huán)保節(jié)能高強(qiáng)的材料進(jìn)行支座的設(shè)計(jì)和制作。

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