公路橋梁板式橡膠支座減震原理與應用分析

1、 公路橋梁板式橡膠支座減震原理與應用分析摘要：橋梁支座是橋梁結構的重要組成部分，直接影響橋梁的使用壽命和結構安全。其中，板式橡膠支座由于具有構造簡單、性能可靠、安裝更換方便、造價低等優(yōu)點，被廣泛應用于公路、城市橋梁建設中。本文聚焦于橋梁支座在橋梁整體抗震性能中的重要作用，在對橋梁相關抗震設計方法及新的設計理論進行研究的基礎上，結合其在設計選用、建筑施工中等問題，提出了應對策略以及日常養(yǎng)護方法。關鍵詞：板式橡膠支座；減震原理；板式支座設計；施工與日常養(yǎng)護。Abstract: Bridge bearing is an important part of the bridge structure,

2、which directly affects the service life and safety of the bridge. Because of the advantages of simple structure, reliable performance, convenient installation and replacement, and low cost, the plate type elastomeric pad bearing is widely used in highway and urban bridge construction. Focusing on th

3、e bridge supports an important role in the overall seismic performance of the bridge. Basing on the research of bridge seismic design method and theory, this essay will put forward the coping strategies and daily maintenance method to solve the common problems in the process of designing and constru

4、ction.Key Words: Plate type elastomeric pad bearings; Aseismic theory; Plate type pad bearing design; Construction and daily maintenance.2004年3月17日，交通部以交科教發(fā)2004124號批準發(fā)布了公路橋梁板式橡膠支座（JT/T 4-2004）以及相關的設計規(guī)范文件，該文件于2004年6月1日實施。如今12年過去了，我國的公路橋梁大部分都已經使用各類橡膠支座，橡膠支座幾乎完全取代弊病較多的剛性支座而成為橋梁支座的主要構造形式。值得一提的是板式橡膠支座，我們

5、可以看到，在各大城市的高架橋梁、各類型的跨徑公路中，板式橡膠支座得到了廣泛運用，在近年我國的地震災害中也體現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。然而，板式橡膠支座依然在支座設計、加工制作、施工安裝以及日常養(yǎng)護等過程中存在著一些問題。本文將在闡述板式橡膠支座構造、原理及抗震設計方法的基礎上，著重對其施工安裝、日常養(yǎng)護等環(huán)節(jié)上出現(xiàn)的一些常見問題提出相應的措施。一、板式橡膠支座構造及減震原理及抗震設計方法常用的橋梁隔震裝置有阻尼裝置和柔性支承裝置兩種類型，其中橡膠支座可以稱得上是目前世界上應用最廣、實用性最好的一種柔性支承裝置。橡膠支座由薄鋼板和薄橡膠板交替疊合，并經過高溫硫化粘結后制成，所采用的橡膠種類一般有天然橡

6、膠和氯丁膠。其中后者除了在抗凍和彈性良好之外，在耐油、抗腐蝕、抗老化等方面，均優(yōu)于前者。不過，由于在橡膠層中需要加夾層薄鋼板，再加上橡膠層與夾層鋼板之間緊密粘結，因此，當橡膠支座承受垂直荷載時，橡膠板的橫向變形就受到了約束，這使橡膠支座具有較大的豎向承載力和豎向剛度。此外，因為薄鋼板對橡膠板的剪切變形不具有影響，這使得橡膠板對任何水平方向的運動均呈現(xiàn)柔性約束，這意味著當橡膠支座承受水平荷載時，橡膠層的相對側移會大大減少，使得橡膠支座即使達到很大的整體側移也不至于失去穩(wěn)，加之保持的水平剛度較小，僅為豎向剛度的1/500-1/1500。由于夾層鋼板與橡膠層的緊密粘結，因此橡膠層在豎向地震作用下依然

7、能夠承受一定的拉力，如此一來，橡膠支座可以稱得上是一種豎向承載力極大、水平剛度較小、水平側移容許值很大、能夠承受豎向地震作用的理想隔震裝置。在傳統(tǒng)的橋梁抗震設計中，我們一般從強度和延性等方面來確保橋梁具有足夠的抗震能力?？墒菍嶋H上，因為橋梁結構在地震中嚴重破壞甚至倒塌的例子不勝枚舉，人們意識到準確估計橋梁結構的抗震能力和抗震作用并非易事。為了盡量避免傳統(tǒng)抗震設計的不足，進一步提升橋梁結構的抗震性能，近年來一些研究人員提出了幾種新的抗震技術，其中包括：被動控制技術、減隔震技術、主動控制技術和混合控制技術等。目前最主要的研究集中在減隔震支座上，如高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座等。根據(jù)美國減隔震規(guī)范的

8、規(guī)定：減隔震裝置必須有一個恢復力來減少或消除地震作用之后產生的永久性側向位移。根據(jù)我國城市橋梁抗震設計規(guī)范（JTJ/T B02-01-2008）規(guī)定，隔震裝置必須具有自復位能力和最小恢復力，當水平位移從50%的設計位移增加到設計位移時，其恢復力增重不能低于其上部結構重量的2.5%。此外，傳統(tǒng)減隔震支座還具有設計復雜、造價高等缺點，在我國，廣泛使用的各種橋梁一旦采用鉛芯橡膠支座不僅會增加造價成本，還可能在安裝過程中出現(xiàn)預埋孔或預埋件的偏移等問題。相比而言，板式橡膠支座的阻尼比較?。▋H為5%左右），從嚴格意義上說，不具備以上提及的減隔震裝置特征（自復位能力和最小恢復力），但同其他類型的支座相比，板

9、式橡膠支座具有構造簡單、加工制作容易、受力性能穩(wěn)定等優(yōu)點，加上其成本低廉和安裝方便，故適用性更強。不過板式橡膠支座雖然沒有類似鉛芯橡膠支座的污染性和高阻尼橡膠支座對橡膠材料的高標準要求，但值得注意的是，板式橡膠支座的自復位能力不強，在大地震的作用下可能發(fā)生較大的永久變形。針對這種支承體系的特點，我們可以把橋梁支座設計成“保險絲式單元”的形式，以此減小傳遞到下部結構的地震力，而該結構設計具有足夠的搭接長度以避免支座損傷后可能發(fā)生的落梁等問題。二、板式支座設計所需考慮的因素以及常見設計圖紙問題目前，常用的橡膠支座種類繁多，一般來說，我們可以根據(jù)橋梁強度、結構形式、設計荷載等級、橋梁縱橫向坡度、橋面

10、連續(xù)情況、氣候和地震條件等因素的不同采用不同形式，設計者需要了解橡膠支座準確的設計參數(shù)，才能選取合適的材料，做到設計合理的同時又能滿足橡膠支座的功能要求。橋梁支座的設計需要根據(jù)其功能的確定。首先必須詳細計算支座的反力、轉角和位移。正確選擇橋梁支座的形式和種類，則需要根據(jù)不同結構的橋梁計算出氣反力、轉角和位移。橋梁結構除卻豎向反力外，還有縱向、橫向水平力，這些反力和水平力以及位移和轉角將進行最不利組合，用以確定最合理的支座設計和參數(shù)的選用。支座設計還需要考慮支座的振動周期和頻率，這是為了滿足橋梁的減震和抗震方面的性能要求。而支座的振動周期與橋型、跨度、寬度、截面尺寸、材料性質、支座布置和數(shù)量等因

11、素都有關系。其中，首要考慮的問題是抗震性能與地震和臺風的直接關系，對于振動周期長、頻率低、位移大的支座，按抗震設計時，通常采用增大阻尼的方式來解決大位移問題；其次要考慮到減振性能與車載量、車速度、車流密度、剎車力等問題的直接關系，對于振動周期短、振動頻率相對高的支座，減振設計時，可以采用橡膠隔層的辦法來解決小位移問題。一般來說，在支座設計中，這兩種因素都應該考慮，以抗震性能來控制設計。但我們在綜合多例設計圖紙之后發(fā)現(xiàn)，實踐中的板式橡膠支座設計需注意如下事項：一是設計人員采用的計算方法要按照規(guī)范，根據(jù)實算的橋梁參數(shù)、支座豎向承壓力、豎向變形傾角和縱向剪切變形等已知條件計算來設計支座平面尺寸、加勁

12、鋼板厚度、橡膠層總厚度、單層橡膠厚度及支座總厚度等，并驗算支座的受壓穩(wěn)定性及抗滑穩(wěn)定性。此外，也可以根據(jù)支座的最大承壓力來選擇支座規(guī)格系列表中的型號后再進行各項驗算。二是設計圖紙中需加入詳細說明，其中包括支座主要的技術要求、制作主要工藝控制、所選用材料指標、檢驗重點項目內容、支座安裝工藝要求及支座成品與安裝后的驗收等，以便施工人員及監(jiān)理人員擁有遵循依據(jù)。三是設計圖中的尺寸需要全部標明，當支座較少時標出尺寸數(shù)字即可，但支座型號、數(shù)量較多時，尺寸要用符號替代，并列出支座規(guī)格尺寸表，上面需要注明型號及圖示中各符號所代表的數(shù)據(jù)。不管是橡膠支座、四氟滑板橡膠支座還是其他附件均要列全，以便施工和檢驗使用。

13、三、板式橡膠支座在施工與養(yǎng)護方面的常見問題及其治理雖然板式橡膠支座安裝比較簡單，但在實踐施工過程中，事故仍然時有發(fā)生。例如固定支座和活動支座互相錯放、不合格產品照常安裝等。盡管這些問題的發(fā)生大多數(shù)情況歸咎于操作或者管理上的疏忽，但我們亦不能逃避在技術上存在的問題。以下將對施工上的技術規(guī)范標準進行歸納。首先，我們需要對支座產品的入場質量檢驗進行把關。所用支座應該在安裝前1520天就進場，并送樣進行檢驗，檢測標準為根據(jù)使用量每種隨機抽取1至3組，每組3塊或3對。檢驗內容主要為力學性能和內在質量，其中包括極限抗壓強度、抗剪彈性模量、抗壓彈性模量、豎直轉角正切值、抗滑最小承受力及摩擦系數(shù)、水平最大剪切

14、位移植等七項，而內在質量則包括橡膠層總厚度、加勁鋼板單片厚度、橡膠板單層厚度、鋼板平面尺寸、橡膠剝離后的技術性及鋼板與橡膠層粘結情況等六項。如果抽檢結果一旦判定某一組檢驗件中有兩件或兩件以上不能滿足要求，則判斷該批支座不合格。如果只有一件不能滿足要求，則繼續(xù)從該批支座中隨機再抽取雙倍數(shù)量進行復檢，若仍有一件不合格，則判斷本批支座不合格。對支座安裝質量相關的橋梁墩臺帽、預埋鋼板頂面、墊石頂面及橋梁地面支座位置在澆筑時要做到清潔、平整、強度不低于設計或C30以上。支座位置標高力求準確無誤，在平坡狀態(tài)下，同一片梁的兩端在各支座下的標高應處于同一平面內。不同支座或同一支座各點高差允許值需按標準規(guī)范執(zhí)行。墩臺帽或梁板上的鍥型墊塊需與主體混凝土同時澆筑，以避免二次補做。此外，形狀尺寸、標高必須達到設計要求，不可隨意制作或取消。支座安裝時則要避免出現(xiàn)偏壓受力、過大初始剪切變形、梁板或墩臺與支座脫空、接觸不緊密甚至偏歪等現(xiàn)象發(fā)生。最后需要強調的是實踐中經常出現(xiàn)的養(yǎng)護不周的情況應如何解決。很多時候，在橋梁建成交付使用后，常常由于種種原因對整個橋梁養(yǎng)護不及時、不徹底，尤其是對板式橡膠支座這個重