淺析鐵路橋梁支座設計

宋春天

【摘 要】隨著我國經濟的發展，運輸量不斷增加，橋梁在運輸中起著關鍵的作用。因此，做好橋梁支座的設計尤為重要。本文通過對橋梁支座的作用和種類進行了介紹，結合橋梁的布置方式，提出了橋梁支座的設計原則和設計方法，針對橋梁支座的抗震設計做了重要分析，具有一定的現實指導意義。

【關鍵詞】橋梁；支座；設計；抗震設計

0 引言

橋梁支座作為橋梁的重要組成部分，在橋梁的整體中起著非常重要的作用，它使橋梁構成一個整體，橋梁支座也是橋跨結構的重要支撐部分，它是連接橋梁上部結構和下部結構的重要部件。它能夠將橋跨結構的支撐反力傳給橋墩，并且它還需要能夠保證橋跨結構在荷載和溫度變化的作用下具有設計時所要求的一些靜力條件，從而能夠適應梁體轉動和自由伸縮的需要。并且還應該具備便于安裝、維修和養護的作用，支座還必須能夠保證在墩臺上的位置充分的固定，不能滑落。橋梁支座的好壞直接影響著橋梁的整個結構，因此對橋梁支座的研究是非常重要的。

1 橋梁支座的分類

按支座變形的情況分為：固定支座、單項活動支座、多向活動支座。

按支座材料的情況分為：鋼支座、混凝土支座、鉛支座、聚四氟乙烯支座、橡膠支座。

按支座結構形式分為：弧形支座、板式橡膠支座、搖軸支座、盆式橡膠支座、球型支座等。

下面簡單介紹幾種支座：

（1）板式橡膠支座

板式橡膠支座由數層薄橡膠片與薄鋼板鑲嵌、粘和、壓制而成。它需要具有足夠的豎向剛度，以承受垂直荷載，能將上部結構的反力可靠地傳遞給墩臺，需要有良好的彈性，以適應梁端的轉動，有較大的剪切變形以滿足上部結構的水平位移。板式橡膠支座適用于中小跨徑的公路、城市和鐵路橋梁。我國公路橋梁規范規定，標準跨徑20m以內的梁和板橋，一般可采用板式橡膠支座，但在實際應用中往往超越上列跨徑界限，只要嚴格按設計原則考慮，均能取得比較滿意的結果。板式橡膠支座有矩形和圓形兩種。國產板式橡膠支座的支座承載能力范圍可在150～7000KN間。

（2）盆式橡膠支座

盆式橡膠支座是鋼構件與橡膠組合而成的新型橋梁支座。具有承載力大、水平位移量大、轉動靈活等特點，適用于支座承載力為1000KN以上的大跨徑橋梁，也適用于城市、林區、礦區的橋梁。盆式橡膠支座按使用性能可分為：雙向活動支座（又稱多向活動支座），具有轉動和縱向與橫向滑移性能；單向活動支座，具有轉動和單一方向（縱向或橫向）滑移性能；固定支座僅有轉動性能。

（3）大噸位的球形鋼支座

隨著大跨度橋梁結構的發展，要求橋梁支座的承載能力大，同時具備適應大位移和轉角的要求。球形鋼支座傳力可靠，轉動靈活，它不但具備盆式橡膠支座承載能力大，允許支座位移大等特點，而且能更好的適應支座大轉角的需要，與盆式橡膠支座相比具有如下優點。

①球形鋼支座通過球面傳力，不出現力的縮頸現象，作用在混凝土的反力比較均勻。

②支座各向轉動性能一致，適用于寬橋、曲線橋。

③支座不用橡膠承壓，不存在橡膠老化對支座轉動性能的影響，特別適用于低溫地區。

（4）拉力支座

在連續橋梁、懸臂橋梁、斜橋、寬懸臂翼緣箱梁橋以及小半徑曲線橋上，因荷載的作用，在某些支點上產生拉力，在這種情況下，必須設置能抗拉、并且能承受相應的轉動和水平位移的支座。球形鋼支座、盆式和板式橡膠支座都能變更功能作為拉力支座，這種變更既可用于固定支座，還可用于活動支座。板式橡膠拉壓支座能夠用于拉力較小的橋梁，對反力較大的橋梁則用球形抗拉鋼支座或盆式拉力支座更適合。但是，支座拉力超過1000KN時，上述結構則不經濟。

（5）減震隔震支座

地震地區的橋梁支座不僅應滿足支承要求，同時應具有減震、防震等各種功能。按抗震要求設計的支座必須具有抵抗地震力的能力；而減、隔震支座的作用是盡可能地將結構或部件與可能引起破壞的地震地面運動分離開來，以大大減少傳遞到上部結構的地震力和能量。目前國內主要的減、隔震支座和抗震支座的類型有新型減震橡膠支座、抗震型球形鋼支座、高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座。

2 支座設計計算（以板式橡膠支座為例）

2.1 確定支座的尺寸

支座尺寸包括支座平面面積與支座高度兩部分數據的確定。

支座平面面積可以這樣計算：

支座橡膠層總厚度Σσ1：則Σσ1滿足（la/10）≤σ1≤（la/5），即20 ≤σ1≤40要求。同時不計制動力時σ1≥2ΔL

其中Nmax為最大的支點反力；A為橡膠支座的平面面積；δ為支座的平均許用應力。Δla=-Δt×αt×l×β

根據S=la×lb/2×（la+lb）×δ1

支座高度由橡膠高度與鋼板高度兩部分構成，橡膠高度由支座所要提供的剪切變形量（它將決定縱向位移量）來確定，而且要符合規范中要求總高度小于等于支座沿橋縱向長度的1/5的規定。鋼板高度即為約束橡膠片各層薄鋼片的厚度之和。

2.2 驗算支座偏轉與壓縮變形

橋跨結構在支座處會產生轉角，支座通過不均勻壓縮來提供這種轉動能力，同時支座與橋跨結構之間不能有“脫空”現象發生，支座的平均壓縮量越大這種轉動能力就越強，這就要求在轉角一定的條件下，支座要保證一個最小的平均壓縮量Δs，Δs可以這樣求得：Δs=-Δt×αt×l×β

其中，E為橡膠支座的彈性模量；Σσ1為橡膠層的總高度。

此外，規范還規定了支座平均壓縮量的最大值不應超過橡膠總厚的5%。

2.3 驗算支座抗滑

支座要想發揮起作用，必須要保證其處于設計的位置，在水平力作用下在支座與橋跨結構的接觸面上以及支座與墩臺的接觸面上不能出現相對滑動，這種保證來自于支座與混凝土之間要有足夠的摩擦力，摩擦力的大小可以通過壓力與摩擦因數再考慮一定的經驗系數來確定。

3 減震隔震支座的設計分析

3.1 減震隔震支座的設計

減隔震支座設計的目的是使地震作用下大部分能量集中于減隔震支座，而降低下部結構所承受的慣性力和延性需求。工程結構抗震減震控制的方法按照是否有外部能源輸入可分為以下五類：①被動控制（無外部能量輸入）；②主動控制（有外部能量輸入）；③半主動控制（有少量能量輸入）；④混合控制（有部分能量輸入）；⑤智能控制（有少量能量輸人）。多質點體系地震作用下振動方程為：[M]{X″}+[C]{X′}+[K]{X}=-[M]{I}{Xg″}其中，[M]、[C]、[K]分別為結構的質量、阻尼、剛度矩陣；{X}、{X′}、{X″}分別為結構反應的位移、速度、加速度矩陣；{Xg″}為地面運動的加速度矩陣。可見，橋梁結構的地震反應與地面運動的加速度、結構的質量、阻尼和剛度有關。與傳統的依賴加大結構構件截面尺寸，增大配筋率，以提高結構剛度的“硬抗”方法相比，按上述思想與方法進行減震隔震設計，較大的節約了工程量，經濟效益顯著。

3.2 防震支座與防護設施的施工為使支座及其防護措施能夠正常使用，發揮減震隔震的作用，支座的施工質量要求較高

依據抗震支座及其防護措施的施工經驗，總結以下施工注意事項：（1）支座頂面要嚴格保持水平。先對墩臺頂面的墊石用砂輪打磨平整，其平整度誤差控制在1mm以內。然后，均勻地鋪厚度相同的環氧樹脂砂漿，放置支座，擰緊螺栓。（2）安裝支座后，應在鋼盆內的位移槽中填塞泡沫或棉絮，以避免梁體施工時，混凝土及雜物落入支座內，最終影響支座的自由位移。臨時支座拆除后，及時將泡沫或棉絮取出。（3）臨時固結支座施工與拆除，勿損害永久支座。尤其拆除，若人工拆除，防止混凝土碎碴和切割鋼筋時碎片等落入支座滑移槽。可采用微膨脹炸藥拆除，方便快捷。

4 結束語

橋梁支座作為橋梁的重要組成部分，在橋梁的整體中起著重要的作用，它將直接影響橋梁結構的使用性能和壽命。作為橋梁重要構件的支座在應用中存在的質量隱患令人擔憂，對結構的安全性和耐久性產生不容忽視的影響。

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[責任編輯：曹明明]