歐陽路明、唐旻

（江西省贛南公路勘察設(shè)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(shè)計水平的高低，在一定程度上影響著橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以在板式橡膠設(shè)計、制作環(huán)節(jié)，要根據(jù)橋梁項目的標(biāo)準(zhǔn)做好設(shè)計方案的優(yōu)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(yōu)點

橡膠支座之所以被大量應(yīng)用到實際中，主要因為其具備如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)組成簡單、成本較低、容易制作、可以批量生產(chǎn)；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(xiàn)場施工快捷。

1.2 結(jié)構(gòu)

就目前來說，高速公路橋梁對橡膠支座的應(yīng)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(dá)到橋梁的豎向轉(zhuǎn)動，通過橡膠塊的剪切變形來達(dá)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(xiàn)均勻分配，同時還能在內(nèi)部設(shè)置加筋層的結(jié)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)的剛度與強度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，所以被應(yīng)用于中等跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)上效果更好。如果不設(shè)計加筋層的結(jié)構(gòu)，那么在小跨徑橋梁中也可以發(fā)揮效果。對于標(biāo)準(zhǔn)跨徑在40m 以內(nèi)的橋梁，都可以應(yīng)用板式橡膠支座的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)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(yīng)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(cè)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(shù)小的特性，進行水平位移，應(yīng)用盆式橡膠不均勻壓縮的方式確保梁體實現(xiàn)大轉(zhuǎn)角，提升結(jié)構(gòu)的承載性能。因為其結(jié)構(gòu)特點比較緊湊、摩擦系數(shù)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(jié)構(gòu)中應(yīng)用效果良好。

2 公路橋梁板式橡膠支座的設(shè)計要求

在公路橋梁結(jié)構(gòu)中，因為不同結(jié)構(gòu)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(shè)計方面分析，根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求，橡膠支座主要被設(shè)計為承壓結(jié)構(gòu)，采用承壓面積計算方式，結(jié)合反作用力以及應(yīng)力條件確定具體的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，同時還要保證橡膠支座的形狀系數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，否則也會對結(jié)構(gòu)的正常運行帶來不利影響。在板式橡膠支座厚度的設(shè)計方面，目前我國規(guī)定的厚度參數(shù)為板式橡膠支座的橡膠結(jié)構(gòu)加上鋼板結(jié)構(gòu)的總厚度，所以必須在設(shè)計中有所區(qū)分，明確橡膠結(jié)構(gòu)層的厚度參數(shù)，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承載性能傾角參數(shù)環(huán)節(jié)，首先要明確傾角的設(shè)計要求，這主要是指在結(jié)構(gòu)荷載的影響下，出現(xiàn)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(shè)計環(huán)節(jié)，必須綜合分析，考慮到其轉(zhuǎn)動位移的變化參數(shù)，通常應(yīng)小于豎向壓縮變形量參數(shù)。

3 公路橋梁板式橡膠支座的設(shè)計現(xiàn)狀

公路橋梁項目運行中，橋梁板式橡膠支座除了應(yīng)該滿足承壓性能的要求外，還應(yīng)該預(yù)防工程結(jié)構(gòu)在運行中的剪切變形、轉(zhuǎn)動變形等方面的變化，必須達(dá)到減震、吸收的效果。但是，在我國的橋梁板式橡膠支座的設(shè)計環(huán)節(jié)，重點考慮的是承重結(jié)構(gòu)參數(shù)，而并未綜合分析板式橡膠支座局部應(yīng)變的情況，所以導(dǎo)致設(shè)計和應(yīng)用中存在很多問題。有些形狀系數(shù)比較小的板式橡膠支座在實際應(yīng)用中，容易出現(xiàn)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(shù)符合要求，需要構(gòu)建該系數(shù)的應(yīng)力關(guān)系圖。根據(jù)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(shè)計理論和標(biāo)準(zhǔn)，都可以應(yīng)用到橋梁板式橡膠支座設(shè)計中，但是具體應(yīng)用時還是會受到很多條件的限制，需要結(jié)合具體情況進行具體的分析，以確保設(shè)計符合運行標(biāo)準(zhǔn)，對提高橋梁的運行效果和質(zhì)量產(chǎn)生積極的促進作用，全面提升橋梁的安全性與穩(wěn)定性。

4 設(shè)計要點

4.1 板式橡膠支座局部總應(yīng)變分析

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

在了解其總應(yīng)變發(fā)展變化情況的基礎(chǔ)上，對板式橡膠支座內(nèi)橡膠的扯斷伸長情況和局部總應(yīng)變之間的關(guān)系進行計算分析，并且根據(jù)參數(shù)進行校驗和分析，以確保橋梁板式橡膠支座的質(zhì)量和運行效果。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對板式橡膠支座內(nèi)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(xiàn)伸長、變形的問題，一般通過實際伸長的總長度和原結(jié)構(gòu)長度的比值來確定扯斷伸長率，該參數(shù)可以確定橡膠支座的性能。

橋梁板式橡膠支座的局部應(yīng)變，主要是指板式橡膠支座在壓力、剪切、轉(zhuǎn)角等的作用下，產(chǎn)生的應(yīng)變綜合參數(shù)。在進行橋梁內(nèi)的板式橡膠支座設(shè)計時，要明確橡膠扯斷伸長率和局部總應(yīng)變的關(guān)系，可利用以下式（1）進行計算：

根據(jù)上式計算分析，板式橡膠支座局部總應(yīng)變?yōu)槌袎簯?yīng)變力、剪切應(yīng)變力與轉(zhuǎn)角或傾角應(yīng)變的和，只有當(dāng)局部總應(yīng)變≤局部總應(yīng)變設(shè)計上限值時，局部總應(yīng)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(shè)計環(huán)節(jié)，做好局部總應(yīng)變參數(shù)的計算與校正分析，保證參數(shù)設(shè)計達(dá)到精度標(biāo)準(zhǔn)要求，確保結(jié)構(gòu)的性能合格，將對橋梁運行的質(zhì)量和效果產(chǎn)生積極的促進作用。

4.2 板式橡膠支座內(nèi)部總應(yīng)變的驗算

對于公路橋梁板式橡膠支座總應(yīng)變參數(shù)的驗算，要根據(jù)我國發(fā)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(shù)進行。如果沒有進行驗算，就容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化，所以必須充分考慮到橡膠扯斷伸長率參數(shù)，以滿足運行標(biāo)準(zhǔn)要求。

板式橡膠支座總應(yīng)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(shù)為7.11、彈性模量是273MPa，在具體的橋梁設(shè)計應(yīng)用中，因為橋梁結(jié)構(gòu)的自重所導(dǎo)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(chǎn)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(dǎo)致承載作用下發(fā)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(jù)上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變驗算條件，進行準(zhǔn)確的分析。如果遇到設(shè)計人員并未充分考慮、分析總應(yīng)變作用力變化的情況，就要將橡膠內(nèi)應(yīng)力參數(shù)設(shè)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(yīng)力設(shè)計為10.2MPa。了解設(shè)計應(yīng)力的具體情況，需通過驗算和分析，主要方法是依據(jù)板式橡膠支座的規(guī)定計算標(biāo)準(zhǔn)來進行。首先，在剪切應(yīng)變持續(xù)作用下，鑒于橋梁項目的承壓應(yīng)變情況有特殊規(guī)定，因而按照式（2）進行計算：

如果沒有考慮、分析剪切應(yīng)變的作用，那么計算承壓條件的橡膠支座應(yīng)變參數(shù)值，則應(yīng)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(chǎn)生的應(yīng)變參數(shù)，按照式（4）計算：

4.3 公路橋梁中板式橡膠支座局部總應(yīng)變控制的設(shè)計理念

在橋梁板式橡膠支座設(shè)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(yīng)變參數(shù)，從而防止運行中由于局部總應(yīng)變過大而發(fā)生早期開裂的問題，進而保證結(jié)構(gòu)的性能合格，滿足使用壽命的要求。

目前，我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，明確了橋梁板式橡膠支座局部總應(yīng)變的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)；保證橡膠材料的局部總應(yīng)變不超出材料規(guī)定性能的限值標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)實際測量的參數(shù)可以確定應(yīng)力—應(yīng)變曲線，充分了解兩者的關(guān)系；在橋梁設(shè)計過程中，要考慮到板式橡膠支座在實際使用環(huán)節(jié)可能產(chǎn)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(yīng)力參數(shù)，從而使得其局部總應(yīng)變在合理的范圍內(nèi)，不會發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞的嚴(yán)重問題。

在板式橡膠支座設(shè)計中，應(yīng)按照上述局部總應(yīng)變設(shè)計理念進行驗算和確認(rèn)，使用支座設(shè)計軟件，根據(jù)要求進行詳細(xì)計算，合格后才可投入批量生產(chǎn)，施工、監(jiān)理單位應(yīng)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(dāng)前，我國橋梁結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計形式為梁式結(jié)構(gòu)，很多橋梁支座采用的都是板式橡膠支座形式?；诖?，本節(jié)主要分析橋梁鉛銷板式橡膠支座的減震率設(shè)計，主要包含結(jié)構(gòu)地震控制參數(shù)、橋墩位移、墩底剪力等方面的參數(shù)。根據(jù)目前我國的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用橋梁鉛銷板式橡膠支座的地震反應(yīng)；SRB 為未應(yīng)用橋梁鉛銷板式橡膠支座的地震反應(yīng)。根據(jù)目前的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，如果在橋梁設(shè)計中，其基準(zhǔn)期設(shè)定為50年內(nèi)抵御地震烈度超過63.2%，也就是說在L1 地震的持續(xù)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(jù)需要增加橋梁鉛銷板式橡膠支座阻尼系數(shù)，以更好地實現(xiàn)減小地震作用的效果，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，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(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)針對實際情況，將減震目標(biāo)設(shè)定為抵御L2等級地震。

根據(jù)實際情況，以墩高9m 的20m 三跨連續(xù)梁橋為案例進行分析發(fā)現(xiàn)，鉛銷面積與減震質(zhì)量之間存在直接關(guān)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(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，通過分析其結(jié)構(gòu)和橋梁間存在的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，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(shè)計中，要做好地震能量的控制，從而保護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震頻率進行干擾，改變各個墩臺結(jié)構(gòu)的制作鉛銷面積，可以達(dá)到運行要求。這就表示，在規(guī)定范圍內(nèi)，應(yīng)該做好對各個墩臺結(jié)構(gòu)鉛銷面積的調(diào)整和控制，以保證結(jié)構(gòu)的抗震效果滿足要求，達(dá)到橋梁的運行標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

在目前的橋梁工程設(shè)計、施工中，板式橡膠支座是非常重要的組成結(jié)構(gòu)，但在設(shè)計時，還存在很多問題和不足。應(yīng)結(jié)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(shè)計人員應(yīng)依據(jù)承載性能、強度性能方面的參數(shù)做好計算、分析，以提高結(jié)構(gòu)的總體效果，提升橋梁運行的安全性。