第六章 桥梁支座

第六章桥梁支座支座是设置在桥梁的上、下部结构之间的传力和连接装置。一、支座的作用：⑴将上部结构的各种荷载传递到墩台上。⑵适应活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素所产生的位移。⑶使桥梁的实际受力情况符合结构计算图式。二、桥梁支座按其容许变位方式分为：固定支座与活动支座，活动支座又分为单向活动支座与多向活动支座。第一节概述1、固定支座容许桥梁上部结构支承处能在平面内转动，而不能在水平方向移动的支座。除承受竖向压力外，还能承受因车辆制动力、风力、支座摩阻力等引起的水平力。2、活动支座容许桥梁上部结构支承处既能在竖直平面内转动，又能沿桥纵向水平移动的支座。容许水平移动的目的是不使桥梁因受活载、温度变化等因素而产生过大的附加水平反力。按其活动方式可分为滑动支座、滚动支座和摆动支座。三、支座按制作材料分为：钢支座、橡胶支座、混凝土支座等。第二节桥梁支座的设置原则一、布置原则⑴桥梁位于坡道上时固定支座的设置。简支梁桥一般应设在下坡方向的前端，连续梁桥一般应设在下坡方向的桥台上。⑵当桥梁位于平坡上时固定支座的设置，简支梁宜设置在主要行车方向的前端连续梁桥宜没在主要行车方向的前端桥台上。(3)较长的连续梁桥的固定支座宜设在桥长中间部位的桥墩，以使其两侧的自由伸缩长度比较均匀。位于山谷区时，固定支座宜设在相对矮壮的桥墩上，并尽量向中间墩设置。(4)固定支座宜设置在具有较大支座反力的地方。(5)固定支座应避开不良地质的桥墩。(6)墩顶横梁的横向刚度较小时，应设置横向宜转动的桥梁支座。(7)在同一桥墩上的几个支座应具有相近的转动刚度。(8)对于斜桥及横向易发生变形的桥梁，不宜采用辊轴和摇铀等线支座。(9)宽桥、弯桥，应根据全桥总布置图、线形、桥梁受力等情况综合布设。当横向有两个以上支座时．应考虑桥的横向变形；当纵向为固定支座时，其相邻横向支座为单向活动支座；当纵向为单向活动支座时，其相邻横向支座为多向活动支座。(10)在地震区要满足桥梁防震、减震的需要。二、常见的桥梁支座布置1．公路简支梁桥支座布置2．简支箱形梁桥支座布置第三节桥梁支座的类型和构造桥梁支座应根据桥梁的用途、跨径、类型、结构物的高度等因素，视具体情况选用目前，公路桥常用的支座主要有板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球形钢支座、减隔振支座等。一、板式橡胶支座1．工作原理板式橡胶支座又称弹性支座，具有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，能将上部结构的反力可靠地传递给墩台；有良好的弹性以适应梁端的转动；有较大的剪切变形以满足上部结构的水平位移；还具有构造简单、安装方便、养护简便、易于更换、建筑高度低、有隔振作用等优点。它的活动机理是：利用橡胶的不均匀弹性压缩实现转角Ө，利用共剪勿变形实现水平位移Δ。板式橡胶支座的应力状态如图所示。2．主要类型与构造板式橡胶支座一般分为无加劲支座和加劲支座两种。无加劲支座只有一层纯橡胶板，其容许承压应力约为3000kPa，故只适用于小跨径桥梁。加劲支座则在几层橡胶片内嵌入刚性加劲物质组成，常用薄钢板作为刚性加劲物。桥梁上常用的板式橡胶支座每层橡胶片厚5㎜，橡胶片间嵌入2㎜薄钢板。由于钢板的加劲，阻止橡胶片的侧向膨胀，从而提高了橡胶片的抗压能力，支承反力达7000kN，适用于中等跨径桥梁。板式橡胶支座可以设计成固定支座与活动支座，也可以设计成不分固定端与活动端的支座。从构造上无固定支座与活动支座之分，固定支座一般较薄，能够满足支承竖向荷载及梁端自由转动的要求，水平位移主要由活动支座的橡胶剪切变形来完成，其高度取决于水平位移量的大小。板式橡胶支座的平面形状有矩形和圆形。应根据不同的桥跨结构采用不同的平面形状，一般情况下，正交桥采用矩形，曲线桥、斜交桥及圆桩墩易用圆形支座。支座的橡胶材料以氯丁橡胶为主，也可采用天然橡胶或三元乙丙橡胶。应根据地区气温条件选用，-25～+60°地区可选用天然橡胶支座或三元乙丙橡胶支座。根据试验分析，橡胶压缩弹性模量、容许压应力和容许剪切角的数值，均与支座的形状系数有关，形状系数按下式计算，并应在5≤s≤12范围内取用。为满足大位移量的需要，通常采用聚四氟乙烯橡胶支座。聚四氟乙烯橡胶支座适用于桥面连续的结构及简支安装再转为连续体系的连续梁，还可在顶推、横移施工中作滑板使用。3、安装为使橡胶支座受力均匀，支座安装位置要正确。安装时要避免过大的剪切变形，支座处梁的底面和墩台顶面要清洁平整，必要时可铺设一层薄薄的水泥砂浆。橡胶支座一般安装在墩台的顶面或钢筋混凝土的支承垫石上，而梁就直接安放在支座上。如果支座比梁肋宽，就应在支座与梁之间设置钢垫板。通常支座无须与墩台或支承垫石固定，在水平荷载较大时，为防止支座滑动，可借助支座顶面、底面上的定位孔来固定。此时，应注意锚钉不能深入支座太多，以免削弱其活动性。二、盆式橡胶支座1、构造及工作原理⑴工作原理：利用底钢盆对橡胶块的三向约束来获得较大的承载能力；利用中间衬板上的聚四氟乙烯板与顶板上不锈钢板的低摩擦系数获得大的水平位移；利用钢盆中三向受力的弹性橡胶块的不均匀压缩获得大的转角。⑵盆式橡胶支座构造盆式橡胶支座按其工作特征可分为固定支座、多向活动支座和单向活动支座三种。固定支座由上支座板、下支座板、承压橡胶板、橡胶密封圈、钢紧箍圈和支座锚栓等组成，它主要用于承受竖向反力及转角、并承受桥梁的纵向及横向水平力。多向活动文座由上支座板、下支座板、承压橡胶板、橡胶密封圈、钢紧箍圈、中间钢衬扳、聚四氟乙烯板、不锈钢滑板和支座锚栓等组成，它用于承受支座竖向反力及转角，并能适应桥梁纵向及横向位移的需要。单向活功支座构造基本与多向活动支座相同，但在支座两侧或中央设置导槽，以限制支座横向(或纵向)的位移。盆式橡胶支座的上支座板与桥梁上部结构连接，随梁的运动而运动，上支座板上的不锈钢板与下支座板的聚四氟乙烯板组成一摩擦系数很小的摩擦件，实现水平位移，并以很小的水平推力通过下支座板而作用在桥墩上。下支座板固结在桥墩上，承受上部构造的作用力并传递给桥墩。2．安装支座与桥梁上部、下部构造的连接方式，可以焊接，也可以用地脚螺栓锚固，或两种办法同时使用，即上部焊接、下部锚固，或下部焊接、上部钳固。当焊接时，必须预埋钢板。预埋钢板的厚度和平面尺寸，均应大于支座顶扳或底板的厚度和平面尺寸，并有可靠的钳固措施。支座定位后用断续焊接将支座顶、底板与预埋钢板焊在一起并逐步焊满周边。当采用地脚螺栓连接时，支座的上支座板与地脚螺栓应按设计要求做好，再浇上部混凝土。支座的下支座板与墩台的连接则应预留地脚螺栓孔。孔的尺寸应大于或等于三倍地脚螺径的直径，深度稍大于地脚螺栓的长度。孔中浇注环氧树脂砂浆，于初凝前插进地脚螺栓并带好螺母，其外露螺母顶面的高度不得大于螺母的厚度，待砂浆完全凝固后再拧紧螺母。第四节桥梁支座的设计与计算板式橡胶支座的设计与计算包括确定支座尺寸、验算支座受压偏转情况以及验算支座的抗滑稳定性。1．确定支座的几何尺寸⑴确定支座的平面尺寸板式橡胶支座的平画尺寸由橡胶板的抗压强度和梁底部或墩台顶混凝土的局部承压强度来确定，一般由橡胶支座的抗压强度控制设计。其有效承压面积按下式计算：(2)确定支座的厚度梁的水平位移是通过全部橡胶片的剪切变形来实现的，如图所示。因此要确定支座的厚度，首先要知道主梁由于温度变化等因素预计将产生的纵向最大水平位移。显然，橡胶片的总厚度te与水平位移Δ之间满足下列关系:即橡胶片的总厚度te确定后，再加上加劲薄钢板的总厚，即为所需的橡胶支座的厚度h。2．验算支座的偏转情况主梁受荷挠曲时，梁端将出现转动，但不允许与支座产生脱空现象，此时支座表面将产生不均匀的压缩变形，一端为另一端为其平均压缩变形为，可根据下式计算：3．验算支座的抗滑性能板式橡胶支座一般是直接搁置在墩台与梁底之间的，在它受到梁体传来的水平力后，应保证支座不致滑动，即支座与混凝土间要有足够大的摩阻力来抵抗水平力，故应满足下式：二、盆式橡胶支座盆式橡胶支座的设计计算内容和其构造形式有关。通常需要进行以下内容的设计计算：确定聚四氟乙烯板和氯丁橡胶的尺寸，计算中间衬板，验算上下支座板、梁底和支座垫石以及铜盆顶板偏转的控制、紧箍圈、防水圈的设计，以及螺栓连接和焊接的计算等。由于在实际工程中，设计人员主要根据盆式橡胶支座产品目录选配适合具体桥梁的支座，极少需要进行从确定基本尺寸开始的设计计算。因此，下面将主要把盆式橡胶支座的设计原则、计算假定等方面的内容作一介绍。底盆式构造的盆式橡胶支座的橡胶底板置于下支座板与中间衬板之间，这里仅介绍此种盆式橡胶支座的计算方法。1、基本尺寸的确定方法(1)聚四氟乙烯板尺寸聚四氟乙烯板的最小直径D1由下式确定:聚四氟乙烯板的厚度，一般可取直径愈大取值愈小，对于大直径板选取的比值还可再小些。(2)氯丁橡胶板尺寸氯丁橡胶圆板的最小直径由下式确定:(3)下支座板尺寸由于下支座板盆内放置橡胶板，因此下支座板盆的内径D3由橡胶板的直径确定。为使橡胶板置人盆内紧贴密合，一般取等于橡胶板直径或比橡胶板直径小0.5～1mm。下支座板的计算图式如图所示。下支座板盆壁厚度应保证盆壁在橡胶扳的环向应力下不致产生裂缝。可以按厚壁圆筒应力公式估算壁厚。中间衬板受到并传结橡胶板的应力q1为因此，下支座板所受的环向拉力p为：于是，可求得下支座板盆壁的最小厚度在忽略橡胶板对铜盆壁内侧压力及盆壁环向拉力作用的条件下，假定盆底反力均匀分布，近似以盆底受弯的要求作为计算依据确定盆底厚度h4。在初估盆壁厚度时，同时按厚壁圆筒公式验算下支座板钢盆壁顶面的切向应力为下支座板盆底中央截面的弯矩以下式计算：通过计算底部应力确定厚度，也可先假定厚度，再进行应力验算。当钢盆的两个主轴方向的弯矩不同时，可按顺桥向和横桥向两个主轴方向分别计算，选取其中较不利值计算h4。实际上，按照悬臂板计算底板弯曲应力的方法是过于保守的，它使下支座板比较笨重，往往很不经济。因此，对于承载能力大的盆式橡胶支应的设计计算，往往采用有限元等分析计算法，更符合实际受力状态。(4)中间衬板厚度中间衬板的顶部嵌入聚四氟乙烯板，它的下面为橡胶板，中间衬板的受力图示如图所示。同样，圆形的中间衬板的计算可按悬臂板的受力状态考虑。中间衬板的顶面中央截面的弯矩计算式为：先假设中间衬板的厚度，再进行应力计算，则计算中间衬板顶面的弯矩时尚应考虑两个主轴方向分别求算，并考虑桥梁上部结构纵向移动时的弯矩组合。⑸上支座板尺寸盆式橡胶支座的上支座板往往直接与垫石或梁底接触，其平面尺寸主要取决于支座的最大位移量、下支座板盆环的直径和螺栓连接位置所需要的尺寸总和。直线桥梁上、下文座板的顺桥向长度主要取决于前两项，横桥向宽度需要考虑连接螺栓的位置。上支座板的厚度可采用与下支座板类似的方法。对于盆式橡胶滑动支座，其水平位移要通过上支座板与聚四氟乙烯板发生相对位移来实现。因此，应考虑上支座板与聚四氟乙烯板对中和发生位移两种情况进行应力验算。发生位移时，要考虑滑动摩擦力产生的弯矩。以上的计算方法是比较粗略的，但是偏安全。从试验和有限元分析的结论可知，支座板的受力为中间大，边缘小。在板上除产生支承压力外，还有环向应力和径向应力。2、中间村板偏转控制盆式橡胶支座中，要求在梁偏转时中间衬板与橡胶板的接触面不能出现脱空现象，即不允许出现局部承压的状态，则要求与板式橡胶支座的偏转验算一样，要求即3、梁底与支座垫石的局部承压验算盆式橡胶支座反力大，支承垫石要设钢筋，应按配置间接钢筋混凝土构件的局部承压强度进行验算。本章小结1、桥梁支座是设置在桥梁上、下部结构之间的传力和连接装置。它必须满足上部结构的变形要求，使桥梁的实际受力情况符合结构计算图式。2、桥梁支座按其容许变位方式分为固定支座与活动支座，活动支座又分为单向活动支座与多向活动支座。3、支座按制作材料分为钢支座、橡胶支座、混凝上支座等。公路桥梁常用的支座有橡胶支座、球形钢支座、成隔根支座等。4、公路桥梁常用的橡胶支座主要有板式橡胶支座和盆式橡胶支座。板式橡胶支座从构造上一般无固定支座与活动支座之分，但在外观上可以区分，固定支座一般较薄，活动支座较厚。盆式橡胶支座的固定支座和多向活动支座在构造上是有区别