基于實(shí)際橋梁工程的板式橡膠支座的設(shè)計(jì)研究

王 怡，陶慶東，羅丹霞

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000)

0 前 言

板式橡膠支座由多層橡膠與薄鋼板粘合壓制而成,具有較大的豎向承壓能力,在水平方向具有較大的剪切變形能力和一定的轉(zhuǎn)動能力,在公路橋梁中得到廣泛的應(yīng)用[1]，實(shí)際工程應(yīng)用中，橋梁工程師們常常是憑借經(jīng)驗(yàn),很少進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)算,導(dǎo)致支座成為橋梁整體設(shè)計(jì)中的一個薄弱環(huán)節(jié)，在以往舊橋加固的資料中,支座的損壞率和更換率往往較高[2]。而現(xiàn)有的文獻(xiàn)對橋梁支座的設(shè)計(jì)研究較少，有些研究計(jì)算是建立在老規(guī)范上[3]，已經(jīng)不適用于新規(guī)范、新技術(shù)下的橋梁支座設(shè)計(jì)。為此，本文以實(shí)際工程橋梁案例為背景，依據(jù)新規(guī)范的原理、方法及參數(shù)選用，介紹板式橡膠支座的設(shè)計(jì)方法。

1 板式橡膠支座工作原理

目前，我國公路橋梁中大部分使用的都是各類橡膠支座，橡膠支座已經(jīng)基本上完全替代了剛性支座成為橋梁支座的主要構(gòu)造形式，特別是板式橡膠支座兼有高分子彈性體橡膠和加勁物的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)造簡單、價格便宜,是目前國內(nèi)公路與城市橋梁廣泛采用及深受歡迎的一種支座形式[4-5],被廣泛應(yīng)用在大中小跨徑公路橋梁、城市高架橋梁中。板式橡膠支座應(yīng)設(shè)計(jì)成在垂直方向具有足夠的剛度,從而保證在最大豎向荷載作用下,支座產(chǎn)生較小的變形;在水平方向則應(yīng)具有一定的柔性,以適應(yīng)梁體由于制動力、溫度、混凝土的收縮、徐變及其他荷載作用引起的水平位移;同時,橡膠支座還應(yīng)適應(yīng)梁端的轉(zhuǎn)動。在進(jìn)行橋梁支座受力分析時,首先必須計(jì)算每個支座上所承受的豎向力和水平力[3],根據(jù)這些外力來選定支座的尺寸并進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2 板式橡膠支座的構(gòu)造特點(diǎn)

板式橡膠支座通常由多層橡膠片與薄鋼板(以鋼板作為剛性加勁物)鑲嵌、粘合、壓制而成。板式橡膠支座的承載能力可達(dá)10 000 kN，允許壓應(yīng)力一般為10 MPa左右。適用于標(biāo)準(zhǔn)跨徑在50 m以內(nèi)的簡支板(梁)橋。這種支座在豎向荷載作用下,嵌入橡膠片之間的鋼板將限制橡膠的側(cè)向變形,垂直變形則相應(yīng)減少,從而可以大大提高支座的豎向剛度(抗壓剛度)。此時,支座的豎向總變形即為各層橡膠片變形的總和。橡膠片之間嵌入的鋼板在阻止橡膠層間側(cè)向膨脹的同時,對支座的抗剪剛度幾乎沒有什么影響。支座在水平力作用下,加勁橡膠支座所產(chǎn)生的水平位移主要取決于橡膠片的凈厚。同時，為了防止加勁鋼板的銹蝕,板式橡膠支座上、下面及四周均有橡膠保護(hù)。

3 板式橡膠支座的設(shè)計(jì)計(jì)算及選定方法

3.1 設(shè)計(jì)條件

某公路橋梁由多跨簡支梁橋組成。橋梁每跨跨徑為20 m，橋梁總寬10 m。每孔上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,橋墩上設(shè)立四個支座,支座的橫橋向中心為4 m橋墩支承在巖基上。假定上述橋梁每個支座在恒載和活載作用下,最大垂直反力為2 000 kN。選用板式橡膠支座，對該公路橋梁進(jìn)行板式橡膠支座的設(shè)計(jì)及選用。該橋在四季均勻溫度變化的溫差為：0°～+35°(使用地區(qū)的最低和最高溫度)。板式橡膠支座平均壓應(yīng)力[σ]=10 MPa。橋址處年平均相對濕度RH為75%，結(jié)構(gòu)理論厚度h=600 mm,混凝土彈性模量Ec=3.45×104MPa，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土的fck=32.4 MPa，線膨脹系數(shù)為1×10-5，預(yù)應(yīng)力引起的箱梁截面重心處法向平均壓應(yīng)力σpc=9 MPa。假定允許平均壓應(yīng)力[o]=10 MPa,支座形狀系數(shù)s>8。

3.2 確定支座的平面尺寸

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)規(guī)定板式橡膠支座有效承壓面積為：

根據(jù)《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4—2019)選用公路橋梁普通矩形板式橡膠支座序號33，平面尺寸選用la×lb=400 mm×500 mm。

可確定支座形狀系數(shù)：

3.3 確定支座的厚度

1)由溫度變化產(chǎn)生的位移量：Δlt=αTL=1×10-5×35×10×103=3.5 mm。

根據(jù)以上參數(shù)的確定參照《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4—2019)規(guī)范，選用公路橋梁普通矩形板式橡膠支座規(guī)格，見表1。

表1 公路橋梁普通矩形板式橡膠支座規(guī)格

3.4 板式橡膠支座豎向平均壓縮變形

E=5.4GS2=5.4×1.0×7.792=327.7

3.5 板式橡膠支座抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算

摩擦系數(shù)μ=0.3，F(xiàn)bk=165 kN

4 結(jié) 論

1)本文對板式橡膠支座的設(shè)計(jì)較完整，并系統(tǒng)地介紹了支座的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)際工程作為載體，將設(shè)計(jì)計(jì)算過程完整演練了一遍，可以指導(dǎo)實(shí)際工程中板式橡膠支座的設(shè)計(jì)及選用。

2)本文支座的研究方法是建立在當(dāng)前最新的規(guī)范基礎(chǔ)上。設(shè)計(jì)的支座形式更精確，適用性更強(qiáng)、節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)效益高。

3)可以在今后的進(jìn)一步研究中，能夠建立某些參數(shù)與支座選取的關(guān)系，方便設(shè)計(jì)人員能夠有效、快速地選擇合理的支座型號。

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