第七章桥梁支座

桥梁工程系桥梁工程系第7章桥梁支座桥梁工程系桥梁工程系第7章桥梁支座•7.1概述•7.2桥梁支座的类型和构造•7.3桥梁支座的设计和计算•7.4减隔震支座桥梁工程系7.1概述桥梁支座（Bridgebearing）是设置在桥梁上部结构和下部结构之间的重要部件，其作用是将桥梁上部结构在各种荷载作用下所产生的反力（包括静载、活载、制动力和风力）和变形（位移和转角）传递给桥梁下部结构，并且使得桥跨结构能够适应温度变化、混凝土收缩徐变等因素所产生的位移，从而使桥梁上下结构受力情况更能符合结构的静力图式。桥梁工程系•随着桥梁跨度的加大及载重量的不断提高，对桥梁支座的发展提出了新的要求。桥梁界已经发展出由不同材料做成的多种形式的支座，其中有最初的简易支座、以前常用的混凝土支座、承载力大的钢支座、现在用的最多的橡胶支座以及有特殊作用的支座，诸如抗震支座、拉力支座等，长江第二大桥用的6500t特大吨位盆式橡胶支座的研制成功进一步丰富了支座的种类，满足了工程实际中各种桥梁的需要。7.1概述桥梁工程系7.1概述桥梁支座主要作用具体表现如下三点：•（1）使反力明确地作用到墩台的指定位置，并将集中反力扩散到一个足够大的面积上，以保证墩台工作的安全可靠。•（2）保证桥跨结构在支点按计算图式所规定的条件变形。•（3）保证桥跨结构在墩台上的位置充分固定，不至滑落。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•随着桥梁结构体系发展的日新月异，支座种类也不断增加。在20世纪60年代以前，桥梁中使用的几乎都是钢支座。随着材料工业的发展，出现了橡胶支座及使用聚四氟乙烯板的平面滑动支座，20世纪60年代又出现了盆式橡胶支座与板式橡胶支座，并且很快发展成为最主要的桥梁支座形式。在20世纪70年代开始研制的球形支座，并且很快在弯梁桥上应用。•桥梁支座具体可根据桥梁跨径长短、支座反力大小、支座允许的转动和位移量、选用的支座材料以及对桥梁变形和本身建筑高度、以及满足桥梁抗震、防震等要求选用。•按支座容许变形的可能性划分，通常有固定支座和活动支座，活动支座又包括单向活动支座和双向活动支座。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造⑴固定支座。主要承担桥跨结构支承处顺桥向、横桥向的水平力和竖向反力，并约束相应的线变位。固定支座既要固定主梁在墩台上的位置并传递竖向力和水平力，又要保证主梁发生挠曲变形时在支承处能自由转动。。图7-2简支桥梁支座布置示意图桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造（2）活动支座活动支座则只能传递竖向力，它允许上部结构既能转动又能水平移动。①单向活动支座。它在承担竖向反力的同时，能约束顺桥向、横桥向水平位移中的一个方向的线位移。②多向活动支座。它仅承担竖向反力，容许顺桥向、横桥向两个方向发生线位移。其中梁式桥主要用固定支座和单向活动支座。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•桥梁支座应根据不同情况进行布置：•（1）对于简支梁桥，一端设固定支座，另一端设活动支座。T构桥的挂孔按简支梁处理。（2）对于多跨连续梁桥，一般每联只有一个固定支座。为避免活动端的伸缩变形过大，一般将固定支座设在每联的中间桥墩上。但若该处墩身较高，则应考虑避开，或采取特殊措施，以避免该墩顶承受过大的水平力（这导致墩底弯矩过大）。图7-3连续梁桥支座布置示意图桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•（3）曲线连续梁桥的支座布置会直接影响到梁的内力分布，同时，支座的布置应使其能充分适应曲梁的纵、横向自由转动和移动的可能性。宜采用球面支座，且为多向活动支座。曲线箱梁中间常设单支点支座，仅在一联范围内的梁的端部（或桥台上）设置双支座，以承受扭矩。有意将曲梁支点向曲线外侧偏离，可调整曲梁的扭矩分布。图7-4为曲梁支座布置的示意图。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造图7-4曲线梁桥支座布置示意图桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•（4）对于悬臂梁桥，锚固跨一侧设固定支座，另一侧设活动支座。•铁路桥梁固定支座、活动支座的布置应遵循以下原则：•①对于桥跨结构而言，最好要使梁（支承处）的下缘在制动力的作用下受压，从而抵消一部分竖向荷载在下缘产生的拉力。一般固定支座设置在坡桥较低侧以及行车方向的前方侧。在车站附近，固定支座宜设置在车站一侧，对于坡道应设置在高程较低一侧。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•②对于纵桥向设有两个支座的桥墩而言，最好能让制动力的方向指向桥墩中心，使制动力能抵消一部分竖向荷载所产生的偏心距。•③对于桥台而言，最好能让制动力的方向指向堤岸，使墩台顶部的圬工材料处于受压状态，由此能平衡一部分台后土压力。•④在区间平道上，支座设置在重车方向的前端，对于双线桥，两线固定支座均设于两端中主要重车方向的前端。•对于其它一些特殊桥梁的布置原则要满足相应的规定规范标准。•桥梁支座通常用钢、橡胶或混凝土等材料来制作。从简易的垫层支座到加工复杂的铸钢辊轴支座，类型很多。本节主要介绍一些常用的支座类型。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•7.2.1简易垫层支座•简易垫层支座，是指在梁底与墩台之间设置垫层来支承上部结构。垫层材料有油毛毡、石棉或铅板等，主要是利用这些材料的柔韧特性以此来适应梁端较小的转动，也正是这些材料的本身特性从而使它的使用寿命较其它支座相比明显降低，并且适用范围也很小，这在下面的应用条件也容易看出。简易垫层支座在我国早期的中小跨径桥梁中应用较多，目前已不常用。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造图7-9简易垫层支座对于标准跨径小于10m的简支桥或简支梁桥（公路桥跨径在10m以内，铁路梁桥跨径小于4~5m的小跨径桥梁），为方便简单起见，可以不设专门的支座结构，而直接使板或梁的端部支承在几层油毛毡或桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造石棉做成的简易垫层上面，如需在梁的一端设置固定支座时，则在墩台中预埋铆钉，然后使它穿入到预埋于板或梁端中的套管内。垫层经压实后的厚度不应小于1cm。实践经验指出，这种简易垫层的变形性能较差。为了防止墩、台顶部前缘被压碎并避免上部结构端部和墩、台顶部可能被拉裂，通常应将墩、台顶部的前缘削成斜角，并最好在板或墩、台顶部内增设1~2层钢筋网予以加强。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造7.2.2钢支座•钢支座是靠钢部件的滚动、摇动和滑动来完成支座的位移和转动功能。其最大的特点是承载能力高，能适应桥梁的位移和转动的需要。•钢支座系列以竖向承载力为主参数，分16级（单位为kN）：800、1200、1600、2000、2300、2600、3000、4000、5000、6000、7000、8000、10000、13000、16000和20000。活动支座纵向允许位移值分7级（单位为mm）：20、30、40、50、80、120、150。横向活动支座允许位移值分2级（单位为mm）：10、20。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•钢支座按性能分为固定支座（GD）、纵向活动支座（ZX）、横向活动支座（HX）、多向活动支座（DX）。抗震型支座表示方法为：在型号表示的最后增加设计地震动峰值加速度，如0.15g、0.2g、0.3g、04.g，普通支座不加此项。•钢支座又分为铸钢支座和新型钢支座。•1、铸钢支座•铸钢支座使用碳素钢或优质钢经过制模、翻砂、铸造、热处理、机械加工和表面处理制成，是一桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造种传统型式的支座。铸钢支座承载能力较大，但其构造尺寸大、耗钢量多、刚度过大、传力急剧，容易造成下部结构损坏。而且铸钢支座易锈蚀，养护费用高，维修较困难。•多数钢支座绝大部分在构造上都有其相同点：上摆、下摆。摇轴和辊轴支座还包括摇轴（可以看作为下摆）、辊轴与底板。•视跨度与荷载大小，钢支座常见种类有平板支座、弧形支座、摇轴支座和辊轴支座等几种。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造1）平板支座•平板支座是桥梁支座最早而又最简单的一种支座型式。它由上、下摆两块平面钢板组成，固定支座的上、下平板间用钢销固定。活动平板支座只将上平板销孔改成长圆形。•平板支座构造简单、加工容易，但其缺点是反力不集中，梁端不能自由转动，伸缩时要克服较大的摩阻力，而且梁的支承端也不能完全自由旋转。所以平板支座一般用于小跨度桥梁，在铁路桥上可用到8m跨度，在公路桥中常用到12～15m的跨度。目前平板支座大部分已被板式橡胶支座所取代。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•为了减少钢板接触面上的摩擦力以免阻碍纵向滑动，可将钢板的接触面在刨床上刨光并涂以石墨润滑剂（但是有时积垢与锈蚀常使这种支座“冻死”失效）。将薄铅板夹于钢板之间虽有助益，但铅板经常被挤出来。若能免除污垢、灰尘，则嵌有石墨化合物自行润滑的青铜平板就能良好地工作。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•2）弧形支座。•弧型支座由两块厚度约为4~5cm铸钢制成的上、下支座板和销钉组成，如图7-10所示。•图7-6弧形支座示意图桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造它按约束情况可分为齿槽式和销钉式两种。上支座板是一块平直的矩形钢板，下支座板是一块顶面呈圆弧形的钢板，并且分别预埋在主梁端部和墩（台）帽中，这样，上垫板沿着下垫板弧形接触面的相对滑动和转动实现了活动支座的功能要求。上、下支座板之间在销钉孔处设有销钉（或齿板），并且通过销钉（或齿板）的抗剪来承受水平力的作用。通常应使齿槽比齿板宽2mm，且齿板顶部应削斜，从而可以使上垫板自由转动。当用销钉固定时，销钉直径也应较销孔小2mm，且伸出的顶头也应做成顶部缩小的圆锥形。但是这种支座目前已较少采用，只在一些老桥上还能见到，固定支座的上、下支座板的销钉孔均为圆孔，由销钉承受纵向水平力。活动支座的销钉孔为长圆孔，以使支座可做少量的滑移。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•下支座板顶面曲率半径应根据赫兹接触线应力公式进行检算：•式中，P—支座反力；•E—钢的弹性模量；•r—下支座板顶面曲率半径。rPE/423.0桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•弧型支座在使用过程中，经常发生转动不灵活或锚栓（齿板）剪断的现象。主要原因是由于弧型接触面接触应力过大被压平，使支座转动困难，伸缩时要克服较大的摩阻力，同时由于支座锚栓（齿板）与梁底钢板焊接后，使锚栓抗剪强度降低。所以只能适用于较小跨度的梁，弧型支座一般用于跨度在16m以下（规定要求在8~12m）的铁路桥上。这种支座目前已较少采用，只在一些老桥上还能看到，不少桥梁的弧型支座已被板式橡胶支座所代替。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造3）摇轴支座。跨度在20~30m之间的铁路桥梁通常均采用铸钢摇轴支座。摇轴支座是由上摆、底板和两者之间的辊子组成，将圆辊多余部分削去成为扇形，就形成摇轴。随着摇轴的直径的加大其承载能力也在提高，但支承反力大的摇轴直径也大，势必要增加其高度。摇轴支座按是否活动有固定支座和活动支座之分。活动支座由底板、下摆（摇轴）和梁底直接相连的上摆组成。下摆的底面做成圆曲面形，能自由转动，并由下摆转动后顶、底面的位移差来适应梁体位移的需要。摇轴支座的固定支座由上下摆组成，只不过是下摆的底面改为水平面，直接和墩台连接，因此支座只能转动，不桥梁工程系能移位。图7.7所示为活动摇轴支座，图7.8为固定摇轴支座。以往由于摇轴支座上下摆顶面和底面曲面半径不一致，因而在转动时受到的约束阻力较大，所以目前设计的摇轴支座顶、底面为同心圆的一部分，以便于支座的自由转动。铰接摇轴支座是摇轴支座的一种改进型式，其优点是最终能准确控制支座排列位置，但有时也会产生“冻死”不转动现象。7.2桥梁支座的类型和构造桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造图7-7活动摇轴支座图图7-8固定摇轴支座图桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造4）辊轴支座。为了克服摇轴支座的缺点，辊轴支座特别是在大跨度桥梁和钢桥上得到了广泛的应用。它通常是由若干个小直径的辊轴并列、组联在一起，梁体位移是通过辊轴转动来实现的。支座反力的大小直接决定了辊轴数量的多少，一般情况为2~10个。根据线接触应力的大小来确定。桥梁工程系7.2桥梁支座的类型和构造•图7-9活动辊轴支座图图7-10