高速公路橋梁板式橡膠支座的設計要點研究

歐陽路明、唐旻

（江西省贛南公路勘察設計院，江西贛州341000）

0 引言

在橋梁工程項目中，橋梁板式橡膠支座設計水平的高低，在一定程度上影響著橋梁結構的穩定性，所以在板式橡膠設計、制作環節，要根據橋梁項目的標準做好設計方案的優化，從而提高橋梁的整體性能。

1 公路橋梁橡膠支座概述

1.1 優點

橡膠支座之所以被大量應用到實際中，主要因為其具備如下優點：結構組成簡單、成本較低、容易制作、可以批量生產；鋼材使用量少，緩沖效果比較明顯，可以吸收大部分的振動，減震、抗震效果比較明顯；改善受力條件；安裝與更換比較方便，現場施工快捷。

1.2 結構

就目前來說，高速公路橋梁對橡膠支座的應用主要有以下兩種形式：

1.2.1 板式橡膠支座。該支座類型的主要原理，是通過橡膠不均勻彈性壓縮來達到橋梁的豎向轉動，通過橡膠塊的剪切變形來達到水平位移的要求。由于該支座類型沒有固定支座和活動支座之分，所有縱向力與水平力都能實現均勻分配，同時還能在內部設置加筋層的結構，確保結構的剛度與強度達到合格標準，所以被應用于中等跨徑的橋梁結構上效果更好。如果不設計加筋層的結構，那么在小跨徑橋梁中也可以發揮效果。對于標準跨徑在40m 以內的橋梁，都可以應用板式橡膠支座的結構形式。根據形式的不同，板式橡膠支座主要包括矩形與圓形兩種，通常來說，在斜度超過10o時采用圓形板式支座，其他斜度則應用矩形板式支座。

1.2.2 盆式橡膠支座。這是比較新型的制作形式，把承壓的橡膠塊直接嵌入凹形金屬盆中，讓橡膠在有側限受壓的條件下，利用填充的聚四氟乙烯板與不銹鋼相對摩擦系數小的特性，進行水平位移，應用盆式橡膠不均勻壓縮的方式確保梁體實現大轉角，提升結構的承載性能。因為其結構特點比較緊湊、摩擦系數較小、自重小、成本低，且使用靈活，所以在跨度大、自重大、支座反力較大的箱梁橋結構中應用效果良好。

2 公路橋梁板式橡膠支座的設計要求

在公路橋梁結構中，因為不同結構形式的橋梁要求不同，所以所使用的橡膠支座的形式也會有很大差異。從目前我國的公路橋梁板式橡膠支座的設計方面分析，根據設計標準和要求，橡膠支座主要被設計為承壓結構，采用承壓面積計算方式，結合反作用力以及應力條件確定具體的結構形式和尺寸，同時還要保證橡膠支座的形狀系數符合國家標準要求，否則也會對結構的正常運行帶來不利影響。在板式橡膠支座厚度的設計方面，目前我國規定的厚度參數為板式橡膠支座的橡膠結構加上鋼板結構的總厚度，所以必須在設計中有所區分，明確橡膠結構層的厚度參數，結合上部結構的板式橡膠支座水平位移變化的尺寸來進行計算。

在計算橋梁結構承載性能傾角參數環節，首先要明確傾角的設計要求，這主要是指在結構荷載的影響下，出現的豎向荷載壓縮變形尺寸。所以在具體的板式橡膠支座傾角設計環節，必須綜合分析，考慮到其轉動位移的變化參數，通常應小于豎向壓縮變形量參數。

3 公路橋梁板式橡膠支座的設計現狀

公路橋梁項目運行中，橋梁板式橡膠支座除了應該滿足承壓性能的要求外，還應該預防工程結構在運行中的剪切變形、轉動變形等方面的變化，必須達到減震、吸收的效果。但是，在我國的橋梁板式橡膠支座的設計環節，重點考慮的是承重結構參數，而并未綜合分析板式橡膠支座局部應變的情況，所以導致設計和應用中存在很多問題。有些形狀系數比較小的板式橡膠支座在實際應用中，容易出現承載性能不足的情況。

為了能夠保證板式橡膠支座的形狀系數符合要求，需要構建該系數的應力關系圖。根據圖形的變化趨勢，可以了解到橋梁板式橡膠支座的強度、疲勞、分層及穩定性等方面的情況，從而對承載性能進行綜合分析。

但是，目前針對這方面的分析卻比較欠缺，所以容易使結構性能無法滿足實際需求。雖然目前我國所使用的很多橋梁支座設計理論和標準，都可以應用到橋梁板式橡膠支座設計中，但是具體應用時還是會受到很多條件的限制，需要結合具體情況進行具體的分析，以確保設計符合運行標準，對提高橋梁的運行效果和質量產生積極的促進作用，全面提升橋梁的安全性與穩定性。

4 設計要點

4.1 板式橡膠支座局部總應變分析

在進行公路橋梁板式橡膠支座局部總應變分析時，要結合具體的橡膠支座內橡膠自身扯斷伸長的具體情況進行。

在了解其總應變發展變化情況的基礎上，對板式橡膠支座內橡膠的扯斷伸長情況和局部總應變之間的關系進行計算分析，并且根據參數進行校驗和分析，以確保橋梁板式橡膠支座的質量和運行效果。根據國家標準，對板式橡膠支座內的橡膠扯斷伸長變化進行分析，主要是指橡膠受到拉伸的作用出現伸長、變形的問題，一般通過實際伸長的總長度和原結構長度的比值來確定扯斷伸長率，該參數可以確定橡膠支座的性能。

橋梁板式橡膠支座的局部應變，主要是指板式橡膠支座在壓力、剪切、轉角等的作用下，產生的應變綜合參數。在進行橋梁內的板式橡膠支座設計時，要明確橡膠扯斷伸長率和局部總應變的關系，可利用以下式（1）進行計算：

根據上式計算分析，板式橡膠支座局部總應變為承壓應變力、剪切應變力與轉角或傾角應變的和，只有當局部總應變≤局部總應變設計上限值時，局部總應變才能合格，該上限值通常為板式橡膠支座扯斷伸長率的1～1.5 倍。在公路橋梁的板式橡膠支座的設計環節，做好局部總應變參數的計算與校正分析，保證參數設計達到精度標準要求，確保結構的性能合格，將對橋梁運行的質量和效果產生積極的促進作用。

4.2 板式橡膠支座內部總應變的驗算

對于公路橋梁板式橡膠支座總應變參數的驗算，要根據我國發布的公路橋梁板式橡膠支座的計算方法，按照天然橡膠的450%扯斷伸長率參數進行。如果沒有進行驗算，就容易導致結構性能發生變化，所以必須充分考慮到橡膠扯斷伸長率參數，以滿足運行標準要求。

板式橡膠支座總應變驗算條件如下：板式橡膠支座尺寸為300×350×78mm；反作用力為933kN；總剪切變形為23.1mm；總承壓面積為（290×340）mm2；總厚度為60mm；加勁鋼板厚度為18mm，共有6 層。

此外，板式橡膠支座的形狀系數為7.11、彈性模量是273MPa，在具體的橋梁設計應用中，因為橋梁結構的自重所導致的傾角變化為θG，即0.00448rad；在橋梁表面的汽車荷載的作用下而產生的傾角變化為θa，即0.002rad；板式橡膠支座承壓面會因為底部存在0.5%的縱坡而導致承載作用下發生的傾角變化為θi，即0.005rad。由此計算可知，板式橡膠支座總傾角為0.0115rad。

根據上述內部結構的總應變驗算條件，進行準確的分析。如果遇到設計人員并未充分考慮、分析總應變作用力變化的情況，就要將橡膠內應力參數設定為9.5MPa。同樣，如果剪切作用力會對板式橡膠支座造成影響，則將應力設計為10.2MPa。了解設計應力的具體情況，需通過驗算和分析，主要方法是依據板式橡膠支座的規定計算標準來進行。首先，在剪切應變持續作用下，鑒于橋梁項目的承壓應變情況有特殊規定，因而按照式（2）進行計算：

如果沒有考慮、分析剪切應變的作用，那么計算承壓條件的橡膠支座應變參數值，則應按式（3）計算：

最后，板式橡膠支座由于受到剪切作用力的影響所產生的應變參數，按照式（4）計算：

4.3 公路橋梁中板式橡膠支座局部總應變控制的設計理念

在橋梁板式橡膠支座設計中，除了要進行強度、剪切變形等方面的驗算和分析外，還要通過計算確定局部總應變參數，從而防止運行中由于局部總應變過大而發生早期開裂的問題，進而保證結構的性能合格，滿足使用壽命的要求。

目前，我國的相關標準中，明確了橋梁板式橡膠支座局部總應變的設計要求，主要涉及以下幾方面：保證橡膠的扯斷伸長率符合運行標準；保證橡膠材料的局部總應變不超出材料規定性能的限值標準；根據實際測量的參數可以確定應力—應變曲線，充分了解兩者的關系；在橋梁設計過程中，要考慮到板式橡膠支座在實際使用環節可能產生變形的影響因素、最不利的運行條件等方面的情況，選擇合適的應力參數，從而使得其局部總應變在合理的范圍內，不會發生結構損壞的嚴重問題。

在板式橡膠支座設計中，應按照上述局部總應變設計理念進行驗算和確認，使用支座設計軟件，根據要求進行詳細計算，合格后才可投入批量生產，施工、監理單位應對其進行驗算、分析，確保其投入使用時符合要求，對提高橋梁運行的安全性起到促進作用。

4.4 橋梁板式橡膠支座的抗震性能

當前，我國橋梁結構的主要設計形式為梁式結構，很多橋梁支座采用的都是板式橡膠支座形式。基于此，本節主要分析橋梁鉛銷板式橡膠支座的減震率設計，主要包含結構地震控制參數、橋墩位移、墩底剪力等方面的參數。根據目前我國的標準要求，橋梁鉛銷板式橡膠支座減震率可以通過式（5）進行計算：η=(SLRB－SRB)/SRB（5）式(5)中：η 為橋梁鉛銷板式橡膠支座的減震率，用%表示；SLRB 為應用橋梁鉛銷板式橡膠支座的地震反應；SRB 為未應用橋梁鉛銷板式橡膠支座的地震反應。根據目前的國家標準規定要求，如果在橋梁設計中，其基準期設定為50年內抵御地震烈度超過63.2%，也就是說在L1 地震的持續性作用之下，橋梁鉛銷板式橡膠支座減震性能并不明顯。根據需要增加橋梁鉛銷板式橡膠支座阻尼系數，以更好地實現減小地震作用的效果，達到使用標準。

通過上述分析發現，橋梁鉛銷板式橡膠支座的鉛銷面積會對橋梁的抗震性造成過大影響。因此，在設計環節應針對實際情況，將減震目標設定為抵御L2等級地震。

根據實際情況，以墩高9m 的20m 三跨連續梁橋為案例進行分析發現，鉛銷面積與減震質量之間存在直接關系。通過分析可以確定，鉛銷板式橡膠支座的鉛銷面積主要通過鉛銷直徑來計算。

4.4.1 橋臺支座鉛銷面積會對減震率造成影響。在了解橋梁鉛銷板式橡膠支座結構特點的基礎上，通過分析其結構和橋梁間存在的關系后發現，橋臺的減震率會隨著橋臺支座鉛銷面積的增大而減小，而橋墩減震率則會隨著鉛銷面積的增大而增大。因此，在設計中，要做好地震能量的控制，從而保護結構的完整性，符合交通運行的要求。

4.4.2 橋墩支座鉛銷面積對減震率的影響。在地震作用下，通過對墩臺結構的抗震頻率進行干擾，改變各個墩臺結構的制作鉛銷面積，可以達到運行要求。這就表示，在規定范圍內，應該做好對各個墩臺結構鉛銷面積的調整和控制，以保證結構的抗震效果滿足要求，達到橋梁的運行標準。

5 結語

在目前的橋梁工程設計、施工中，板式橡膠支座是非常重要的組成結構，但在設計時，還存在很多問題和不足。應結合實際情況展開分析，了解形成原因和影響因素，以便掌握具體情況。設計人員應依據承載性能、強度性能方面的參數做好計算、分析，以提高結構的總體效果，提升橋梁運行的安全性。