公路桥梁板式橡胶支座设计选型及计算.doc
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公路桥梁板式橡胶支座设计选型及计算
张忠效郑秀琦
（北京建达道桥咨询有限公司驻赣办，江西南昌330029）
摘要：
从工程设计出发，论述了公路桥梁板式橡胶支座材料、形状、尺寸的选用及计算方法，并结合实际工作经验，对支座选型时易范的错误和一些经验数值进行了集中讲解和列举，还特别提出了支座橡胶层总厚度和四氟滑板支座选型的计算方法，可供设计参考。
关键词：
公路桥梁；板式橡胶支座；选型；计算方法；实例分析
中图分类号：
U443.36文献标识码：
A
SpecificationChoiceandtheComputationalMethodof
PlateTypeElastomericPadBearingforHighwayBridgesinDesign
ZHANGZhong-hao，ZHENGXiu-qi
（Beijingjiandaroadandbridgeconsultingcompany’sOfficeinJiangXi，Nanchang330029，China）
Abstract:
Embarkingfromtheengineeringdesign,thearticlediscusseshowtoselectthematerial,theshape,thesizeoftheplatetypeelastomericpadbearingandcalculatethem.Italsointroducessomemistakeseasytocommitedandsomeexperiencevalueofselectingtheplatetypeelastomericpadbearingfromactualproject.Thearticleespeciallyelaboratesthecomputationalmethodofthethicknessoflatex'splatetypeelastomericpadbearingandthechoiceofpolytetrafluoroethyleneslideplatetypepadbearing.Itishopedthatitcanprovidesomereferencesforthebridgedesign.
Keywords:
Highwaybridges；Platetypeelastomericpadbearings；Specificationchoice；Computationalmethod；Analyzethetypicalexample
桥梁支座的主要功能是将上部结构反力可靠地传递给墩台，并同时完成梁体结构受力所需的变形（水平位移及转角）。
与其它类型的桥梁支座相比较，橡胶支座具有构造简单、加工容易、用钢量少、造价低、安装方便、吸震效果好、工作性能可靠等诸多优点。
我国自上世纪60年代开始研发桥梁板式橡胶支座并大力推广使用至今，取得良好的实用效果。
公路桥梁桥式橡胶支座按结构型式分为普通板式橡胶支座和四氟滑板式橡胶支座（以下简称四氟滑板支座）。
普通板式橡胶支座由多层橡胶与薄钢板镶嵌、粘合、硫化而成。
四氟滑板支座是于普通板式橡胶支座上按照支座尺寸大小粘结一层厚2-4mm的聚四氟乙烯板而成。
其外观形状及结构见下图：
目前，桥梁板式橡胶支座制作材料不同、规格多样、功能各异，给桥梁设计者选型带来一定的难度。
如果选型不当，将会带来诸多问题，如支座承载力不够或富余太多、支座太厚或太薄导致变形量太大或不足、选材不当引起橡胶过早老化等。
这些问题将直接导致各种桥梁病害的发生，使支座过早破坏而不得不提前更换，其带来的高额维修费用和不良社会影响不言而喻。
所以，从数以千计的规格型号中选择合适的桥梁板式橡胶支座是设计支座的关键。
一、了解各种橡胶材料特性
常用的橡胶材料有：
天然橡胶（NR）、氯丁橡胶（CR）和三元乙丙橡胶。
三种材料各有优缺点和适用范围。
天然橡胶：
具有较高的拉伸强度、优异的弹性、良好的耐磨耗性和耐低温性等多项优良性能，是综合性能较好的胶种。
但它的耐老化性能，特别是耐臭氧老化及抗紫外线老化性能较差。
氯丁橡胶：
具有优良的耐天候老化和良好的耐臭氧老化性（抗臭氧老化性能比天然橡胶高12倍以上），拉伸强度较高，弹性良好，抗腐蚀性良好，并且具有一定的耐油性。
是国内外桥梁橡胶支座普遍采用的主体材料，但其耐低温性能较差，这限制了其在北方寒冷地区的使用。
三元乙丙橡胶：
是一种高分子材料，具有优异的耐老化及耐高、低温性能，在-55℃下仍有屈挠性，在100℃下能长期工作。
此外，其抗冲击性好，吸水性小，耐酸碱化学腐蚀性好。
主要缺点是与金属粘结性能较低，但这一缺点正在逐步得到改善。
结合上述三种橡胶材料的主要优缺点，选用橡胶支座材料时，主要应考虑桥位所在地区的气温条件。
一般来说，气温在-25~+60℃地区可选用氯丁橡胶支座，我国长江以南广大地区普遍适合这种情况；-40~+60℃地区可选用三元乙丙橡胶支座或天然橡胶支座。
此外，对于高纬度、高海拔地区，如当地紫外线辐射强烈或空气中臭氧含量较高时，应避免选用天然橡胶支座。
二、选定支座外观形状
桥梁板式橡胶支座按形状可分为矩形板式橡胶支座、圆形板式橡胶支座、球冠圆板式橡胶支座、坡形橡胶支座等。
由于圆形橡胶支座机械性能在平面上的各向同性，更适用于弯、坡、斜、宽桥梁及其它多向变位的桥梁；矩形橡胶支座长短边抗剪刚度的大小差别决定其更适用于以纵桥向变位为主的单向变位桥梁，此时，应将支座短边顺桥向摆放，以尽量减小支座对桥梁纵向变位的约束，将梁体变位对墩台产生的水平力减至最小。
球冠圆板橡胶支座是在圆形板式橡胶支座的基础上变化而成，其中间层橡胶和钢板布置与圆形板式橡胶支座完全相同，而在支座顶面用纯橡胶制成球形表面，球面中心橡胶最大厚度为4－13mm，球面边缘15mm，以适应3％到5％纵横坡下，梁与支座接触面的中心趋于圆形板式橡胶支座的中心。
梁端反力通过球面表面橡胶逐渐扩散传至下面几层钢板和橡胶层。
实际采用时，也可根据不同坡度需要调整球冠半径。
由于其能适应较大的桥梁坡度，不用专门设置梁靴，极大地方便了设计和施工，一度被认为是圆形板式橡胶支座的成功改进，在各种布置复杂、纵横坡较大的立交桥及高架桥上多有采用。
与圆形板式支座到球冠圆板式橡胶支座的改进尝试一样，矩形板式橡胶支座也作了许多改进尝试，以期能适应各种桥梁纵坡的情形，坡形板式橡胶支座就是在这种情形下产生的。
其斜坡的角度依据桥梁的纵横坡而制造，安装时无须准备楔块或对梁底做相应处理，方便了桥梁的设计与施工。
但是，随着球冠及坡形支座越来越多地被采用，其在实用中暴露出来的缺陷也日益明显。
新桥梁通用规范中明确指出，‘公路桥涵中不宜使用带球冠的板式橡胶支座或坡形的板式橡胶支座’。
所以，在设计中对这两种支座应慎用。
《公路桥涵板式橡胶支座》中还规定，‘支座的四氟滑板不得设置在支座底面，与四氟滑板接确的不锈钢板也不能设置在桥梁墩、台垫石上’，这也就彻底否定了聚四氟乙稀球冠板式橡胶支座的设计理念。
三、合理安排各墩台橡胶支座厚度
对于多跨连续梁桥，为简化设计和施工，各墩台可选用相等厚度的支座。
当一联中跨数较多时，上述作法并不可取。
因为一联桥长较长时，所选支座必然较厚。
桥梁上部结构在承受汽车制动力时，支座越厚，则产生的纵桥向变形量也会越大，这就使梁体的下滑变位趋势更加明显，尤其当桥梁纵坡较大时，加上汽车冲击震动的影响，梁体变位可能会超出橡胶支座允许的变形量，造成支座被剪坏。
如支座老化较严重，这种大的梁体变位还可能造成支座永久性塑性变形，致使支座变形功能失效。
大的梁体变位还会对桥梁伸缩缝产生更大的压力。
为避免上述情形发生，可在一联中居中的若干桥跨内选用较薄的橡胶支座，形成支座不等厚设计。
这样虽然会增加设计和施工的麻烦，但中跨薄支座相对起到了固定支座的作用，能有效地减少梁体下滑变位作用。
对于高墩或大纵坡的梁式桥，最好能有2~3个墩与梁固结，以避免连续梁体下滑（实桥观测表明，上述情形下不采取切实措施，梁体下滑不可避免）。
当然，在特殊情形下，还可以利用上述分析，有意加厚或减薄某些墩、台上橡胶支座的厚度，以控制墩、台水平力分配。
实例分析：
有座特大桥的引桥，上部结构为4-30米先简支后连续预应力钢筋砼小箱梁，采用薄壁墩，肋台，钻孔灌注桩基础，引桥自成一联，桥型图如图所示。
汽车荷载采用公路I级，按最大升温25°，最大降温+砼收缩及徐变合计40°计算温度力。
一车道制动力Fk=165kn。
采用弹性基础-m法求得墩台及基础的抗弯刚度后，按墩台与支座组合刚度进行水平力分配，结果如下表所示：
墩台号
3#
4#
5#
6#
7#
支座型号
（每墩台单排16个）
GYZF4φ250×65
GYZφ375×66
GYZφ375×55
GYZφ375×66
GYZF4φ250×65
全部支座刚度（kn/m）
20944
40011
47124
40011
20944
墩台抗推刚度（kn/m）
144651
19138
14645
14874
3000000
支座与墩台组合抗推刚度（kn/m）
18295
12946
11173
10843
20799
最大支座摩阻力（kn）
263.8
2576.9
2133.9
2576.9
263.8
升温度力（kn）
279.8
100.9
3.3
-78.1
-305.9
降温度力（kn）
447.7
161.4
5.3
-125.0
-489.4
二车道制动力
0.0
±122.2
±105.5
±102.3
0.0
需要说明的是，由于3#墩和7#台承受的温度力大于最大支座摩阻力，四氟滑板支座将发生滑动，故汽车制动力将进行重分配，造成制动力全部由4、5、6#墩承担，3#墩和7#台分配到的制动力均为0。
从计算结果可以看出，作为中间墩的5#墩，承受的温度力几为0，如减薄5#墩上的支座厚度，可增大其组合刚度，从而分配到更多的制动力，为其它墩减负，使得各墩承担的水平力更加均衡。
故在任何桥长情况下，采用各墩台支座不等厚设计均是经济、合理的作法。
四、橡胶支座计算中应注意的若干问题其实际最大支座变形也必将大大小于4#和6#墩，
1．支座有效承压面积Ae
计算支座压应力时，应采用支座有效承压面积（即承压加劲钢板面积）。
同样，计算支座形状系数时，亦应采用加劲钢板尺寸进行计算。
老桥规是以支座外观尺寸代入计算的，应注意调整我们的计算习惯。
2．剪变模量Ge
常温下橡胶支座的剪变模量Ge=1.0MPa。
实际设计时，Ge值应注意按桥位所在地区气温条件进行调整。
当累年最冷月平均温度的平均值为0~-10℃时，Ge值应增大20%；当低于-10℃时，Ge值应增大50%；当低于-25℃时，Ge值采用2.0MPa。
3．支座橡胶层总厚度te
进行橡胶支座厚度计算时，容易将te误认为是支座的总厚度t，实际上te应为支座橡胶层总厚度，即te=t-nt0。
其中n为支座中加劲钢板的层数；t0为每层加劲钢板的厚度。
在一些支座参考资料（特别是一些老的参考资料）中，并没有直接列出每种规格支座的te值，设计选型时多有不便。
这时就需要根据支座形状系数S（资料中均会给出）的计算公式
矩形支座：
S=圆形支座：
S=
__矩形支座加劲钢板短边尺寸
__矩形支座加劲钢板长边尺寸
d0__圆形支座加劲钢板直径
t1__支座中间单层橡胶片厚度，常用的t1值有5、8、11和15mm四种。
反算出t1。
再根据公式
t=tf+te+nt0=tf+2th+（n-1）t1+nt0
tf__四氟滑板厚度，或≤500mm时，tf=2mm，否则tf=3mm
th __上、下保护胶层厚度，一般为2.5mm
t0__每层加劲钢板的厚度，或≤500mm时，t0=2mm，否则t0≥2.5mm，一般为3mm
试算出n及te（n≥2层，各型号支座tf、th及t0值可能会与以上列出的常用值有出入，所以需试算）。
4．形状系数S取值
在实际选型时会发现，同种平面尺寸的橡胶支座一般会有几种支座形状系数可供选择。
这是因为同种平面尺寸支座一般会采用几种不同的中间单层橡胶片厚度t1来生产，实际上这是不同型号的支座，其加劲钢板的层数往往会相差1~3层。
S值小则t1相对较厚，其允许转角正切值相应较大，比较适合大跨径桥梁或梁端挠曲变形较大的情形，设计时可根据实际情况选用。
还有，新桥规规定支座形状系数应在5≤S≤12范围内取用，这就使得一些按老的《公路桥涵板式橡胶支座》规范制造的橡胶支座S值可能会超出这一范围。
选用时应注意核实，避免选用到不合要求的支座型号，造成日后变更设计。
及时更新手头的橡胶支座参考资料能有效避免上述情形发生。
5．四氟滑板支座尺寸及厚度计算
桥规中仅对四氟滑板支座的摩擦力提出了要求，并未直接说明该如何确定四氟滑板支座的平面尺寸和橡胶层厚度。
很多时候，设计人员会将四氟滑板支座的平面尺寸和厚度取得与相邻墩的普通板式橡胶支座等厚或干脆偏大取值，这都是不严谨的做法。
实际上，通过逐一分析普通板式橡胶支座的计算公式，就能发现除摩擦力要求外，四氟滑板支座还需要验算以下项目：
①支座有效承压面积计算公式
Ae=
Rck__支座压力标准值，汽车荷载应计入冲击系数
__支座使用阶段平均压应力限值，取10.0MPa
该式对四氟滑板支座同样适用，可用于确定四氟滑板支座的平面尺寸。
②竖向平均压缩变形条件
__支座竖向平均压缩变形
__上部结构挠曲在支座顶面引起的倾角，以及支座直接设置于不大于1%纵坡的梁底面下，在支座顶面引起的纵坡坡角（rad）。
实测资料显示，tan值对于混凝土桥≥1/300；钢桥≥1/500。
实际值应根据梁的挠度进行计算。
Ee__支座抗压弹性模量，Ee=5.4GeS2。
Eb__橡胶弹性体体积模量，Eb=2000MPa。
该式可用于确定滑板支座的橡胶层总厚度te。
除此以外，“从满足剪切变形考虑，应符合的条件”不符合四氟滑板支座的变形原理，故无需验算。
“从保证受压稳定考虑，应符合的条件”和“加劲钢板厚度要求”也无需验算，因为所有合格出厂的橡胶支座都能满足这两个条件（当然板式橡胶支座也无需验算这两条）。
6．橡胶支座承载力取值
选用板式橡胶支座时，支座的最大承载力应与桥梁支点反力相吻合，其容许偏差范围宜为±10%左右。
所选支座承载力太小固然不行，但承载力过大也不可取。
支座承载力越大，其平面面积也越大，相应的剪切变形强度也越大。
就是说，同一座桥梁，采用的橡胶支座越大，上部结构变形对下部结构产生的水平力也越大，这对下部结构是不利的。
当橡胶支座足够大时，支座与梁体间或支座与垫石间还会出现滑移现象，导致抗滑稳定性破坏。
支座承载力非但不宜取大，还应略小为好，即应控制在计算需要的承载力的-10%的范围内。
原因有三：
①厂家给出的支座承压力有富余；②设计荷载出现的机率总是很小，大量时间支座的承压力大有富余；③实际中几乎没有被“压坏”的橡胶支座。
对于顺梁底纵坡直接倾斜安装的支座，为满足桥规相关验算要求，支座压应力在限值范围内宜取高，同样平面承压面积下短边宜取小，支座厚度在限值范围内宜取大。
横向倾斜安装的支座可不考虑其影响。
实例分析：
对于前述特大桥的引桥，仅改变其4-6#墩上的支座大小（不考虑其实际中的合理性），该变化对墩台水平力的影响列表如下：
墩台号
3#
4#
5#
6#
7#
支座承载力减小12.9
%
支座型号
（每墩台单排16个）
GYZF4φ250×65
GYZφ350×66
GYZφ350×55
GYZφ350×66
GYZF4φ250×65
全部支座刚度（kn/m）
20944
34854
41050
34854
20944
墩台抗推刚度（kn/m）
144651
19138
14645
14874
3000000
支座与墩台组合抗推刚度（kn/m）
18295
12354
10794
10425
20799
升温度力（kn）
280.2
96.6
3.4
-74.9
-305.4
降温度力（kn）
448.4
154.5
5.5
-119.8
-488.6
二车道制动力
0.0
±121.4
±106.1
±102.5
0.0
支座承载力增大13.8
%
支座型号
（每墩台单排16个）
GYZF4φ250×65
GYZφ400×66
GYZφ400×55
GYZφ400×66
GYZF4φ250×65
全部支座刚度（kn/m）
20944
45523
53617
45523
20944
墩台抗推刚度（kn/m）
144651
19138
14645
14874
3000000
支座与墩台组合抗推刚度（kn/m）
18295
13473
11503
11211
20799
升温度力（kn）
279.4
104.7
3.1
-81.0
-306.3
降温度力（kn）
447.1
167.6
5.0
-129.6
-490.1
二车道制动力
0.0
±122.9
±104.9
±102.2
0.0
分析上表计算结果可知，全桥桥墩整体支座大小变化对汽车制动的分配结果影响不大（最大1.2%），但对由温度变化产生的水平力的影响不可怱视。
支座增大或减小，各墩承受的温度力也随之增大或减小。
按表中所示支座承载力增减幅度，对温度力的影响幅度约为8.3%。
3#墩和7#台的支座型号没有变化，故水平力分配值基本不变，仅受全联变温临界点的些许变动影响而稍有变化。
所以，合理确定支座承载力取值，不图省事凭经验保守取值，不仅能节约支座购置费用，还能减小墩台水平力，节约下部结构建设成本，经济效益和社会效益较为可观。
7．对于桥面连续的简支结构体系，也应和整体结构连续的桥梁一样，按全联进行结构变形量的计算及分配。
不可认为其属简支结构体系而按单跨计算变形量，这将造成计算结构变形量与实际严重不符。
参考文献：
[1]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）文中简称为“新桥梁通用规范”。
[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）文中简称为“桥规”或“新桥规”，文中所指“老桥规”是指JTJ023-85版的桥规。
[3]《公路桥涵板式橡胶支座》JT/T4-2004
[4]张丽结主编《工程橡胶制品应用手册-橡胶支座》上海工程橡胶厂
作者简介：
张忠效（1976-），男，汉，江西南昌，助理工程师，本科，公路、城市道路、桥梁、给排水设计
注：
本文已发表于《南昌工程学院学报 》（2006年第6期）
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