從設計角度談板式橡膠支座損壞原因的分析

文 / 陳慶華

引言

板式橡膠支座從上世紀九十年代，在新建的高速公路和地方公路橋梁上開始大規模地使用，具有安裝方便、成本低等特點。隨著板式橡膠支座在施工中優勢的展現，目前它已經完全替代傳統剛性制作，在公路橋梁施工中得到廣泛應用。但是同時，它也存在一定的不足，需要做好早期劣化處理，避免在使用中由于早期劣化造成質量問題。

板式橡膠支座造成早期劣化主要是由于安裝以及產品自身質量等方面的原因，與設計不合理也具有直接的關系，因此需要在其設計階段即予以重視。

一、板式橡膠支座的形狀系數的大小與設計應力的取值

（一）國內板式橡膠支座設計應力的取值

板式橡膠支座形狀系數S與支座內部的鋼板尺寸和膠層厚度有關，或者說鋼板尺寸和膠層厚度決定了形狀系數，而系數又影響制作的抗壓彈性模量、極限變形力以及承載力等多個方面，因此在設計支座的過程中必須要參考這些幾何參數。

規范中明確的σ（使用階段平均壓應力）即為容許應力，因為在規范JT/T4和設計規范中都是以此來計算的。

板式橡膠支座各項參數的計算，需要以交通運輸部門頒布的相應標準為基礎，以常規的極限狀態和使用情況進行計算。這種計算方式在國際上也具有通用性，美國、日本等國家也針對公路橋梁支座的抗壓承載力、平均壓力等方面的參數計算頒布了相應的規范文件。

由此可見，我國在公路橋梁板式橡膠支座設計中，取值是科學的，一般的取值為：設計應力取值10MPa，當支座形狀系數小于7時，設計應力8MPa。

19規范中明確板式橡膠支座的英語定義為Laminated Bear，“Laminated”的英語詮釋為層壓、粘壓的意思，可以理解為一種經過特殊加工工藝制成的復合材料。在美國規范AASHTO中是直接將其命名為“Elastomeric bearing”，即“彈性支座”。故可以建立在彈性理論基礎上對其進行容許應力的分析，材料的容許（設計）應力的確定應由材料的特性強度、受力特征、環境情況、加工工藝的質量、加工精度等來確定。但目前我們國家還缺少這樣的設計和試驗支撐，故對其設計應力的取值應謹慎對待。

（二）板式橡膠支座形狀系數與彈性模量關系

19規范中對于支座抗壓彈性模量的計算：E=5.4GS，其中E表示的為抗壓彈性模量，G表示的為支座剪切彈性模量。

通過上式計算可知，支座抗壓彈性模與形狀系數的平方成線性關系，形狀系數對支座的抗壓彈性模量以及極限抗壓變形系數等具有直接的影響作用，形狀系數的增大會帶動承載能力的提升。

由此可以看出在對壓縮變形一定時，形狀系數越大壓縮應力也越大。

因此板式橡膠支座形狀系數S不僅是支座的幾何參數，也直接影響支座的承載能力。

二、橋梁設計時板式橡膠支座選型與布置

（一）板式橡膠支座選型不當及有效承壓面積不足引起的病害

橋梁施工圖設計中，支座的設計內容并不多，主要是對支座長、寬、高等規格做出簡單的要求，不涉及支座性狀系數、轉角大小以及膠層厚度等方面的問題。

選用后要經設計復核和驗算環節，根據實際荷載設計或選擇板式橡膠支座，確保有一定的強度儲備，以防止出現橋梁支座因不符合使用功能要求而損壞。

在確定了支座的設計(容許）應力（σ）后（從19規范中查），并得知相應處的支座反力（R）的情況下，就可以計算出支座的有效承壓面積（A）；有效承壓面積確定了以后，需根據上部結構的梁型確定支座的形狀，即為矩形或圓形，如上部結構為T梁或工字梁，相應的支座宜選用矩形支座，而不宜選用圓形。如用圓形會有梁端外露，實際有效承壓面積應于計算的有效承壓面積。

在有效承壓面積的計算中需要根據公路橋梁鋼筋混凝土設計規范要求進行確定：

Ae≥R/σ

其中公式A≥ R/σ，應明確大于1的安全系數，才能確保在通車后支座有一定的強度儲備。

（二）板式橡膠支座布置不當引起的病害

從目前發生的橋梁支座病害來看，有部分支座是由于在設計時對于各種支座本身的功能認識不足，出現了在設計時就有誤的情況，不僅僅是承載力不足的問題，主要是支座的布置有問題，支座按其使用功能有固定、雙向和單向活動支座之分，有的橋梁設計圖紙中，雙向和單向活動支座布置不當，導致梁體或支座發生偏移甚至滑落，或剪切變形過大使支座損壞。

由于橋梁混凝土本身的收縮和徐變與外界因素有關，不能準確地計算出位移量，通常情況下由溫度差而引起的橋梁上部結構和支座發生的位移是主要的位移量，特別是對于板式橡膠支座，其滑板支座的位移量最大控制在正負5cm左右，對于跨徑較小的曲線橋已能包含了混凝土收縮和徐變的影響。在曲線橋梁的設計中主要以切向布置和極坐標放射形布置的方式進行布置。

1.支座按極坐標放射形布置方式，其中有板式橡膠支座，也即固定橡膠支座，還有滑板橡膠支座，可以沿各個方向位移和轉動，也就是多（雙）向活動支座，沒有約束，部分支座是沿極坐標方向的活動支座，但還要能傳遞水平力，在力的傳遞中必須要結合橋梁墩臺的剛性進行設計。如果設計是柔性墩，在墩柱的位移確定中則需要采用極坐標的橫向位移進行計算，同時支座的結構設計中要有滿足水平力的要求，如果是剛性的橋墩就不能采用此設計，如橋臺處是剛性的，則不適合于橫向的位移坐標。

2.采用切向布置的支座方式，從設計原則分析在計算中必須要綜合考量各種影響因素，支座的設計也可以采取切向布置的方式。在這種方式下的結構支承，在溫度和收縮作用之下，包括其它力（自重、汽車制動力、風力）作用下，支座位移趨向于極坐標方向，沿切線方向導向，并要承受水平力，剪切變形比較大。如果布置不當，橋梁上部結構就會和支座發生橫向位移，有滑落的危險。

支座的三大功能:承載、位移和轉動，承載不僅考慮豎向荷載還要考慮水平荷載，支座要在發生位移的同時，能夠向不同方向進行轉動，因此在支座的設計中必須要對梁體以及位移的約束等方面的問題進行綜合考量，可以采用以上兩種支座布置體系。

（三）板式橡膠支座在不同環境條件下選型不當引起的病害

根據行業規范，從膠料使用的種類來看，板式橡膠支座分氯丁橡膠，代號CR，是英文Chloroprene Rubber的縮寫，其天然橡膠，代號NR是英文Natural Rubber的縮寫。

1.兩種橡膠支座的性能比較

天然橡膠的構成物質為聚異戊二烯，是一種非極性物質結構，具有可溶于油脂和非極性溶劑的特點。它是一種橡膠樹的副產物，具有較大的伸長率，電絕緣性也比較強，制作過程中易于加工，和鋼板粘結性好，在多數合成橡膠綜合性能方面低于天然膠。缺點是易老化，抗氧氣臭氧能力差。

由于其溶于油脂和非極性溶劑，因此耐油性不強，容易老化，易被臭氧分解，但是具有較強的耐低溫性，適合于其橋梁支座用。其主要產地在馬來西亞、越南、我國云南等地。

氯丁橡膠雖然屬于橡膠類，但是卻是一種合成橡膠，是一種氯丁二烯通過乳化后形成聚合物質。 國產氯丁膠優點：性價比高，缺點：穩定性差，操作困難，對溫度敏感性比較大，冬天混煉膠低溫變硬特別明顯，夏天溫度高時容易變形。

進口氯丁膠：性能穩定，操作容易，價格高。同時由于氯離子的存在，能夠抵抗油脂、溶劑、酸堿等方面的腐蝕，并具有較強的耐臭氧性；主要缺點是因為而其鏈式的分子結構影響分子間的熱運動，分子間的間隙在低溫時易產生結晶。

因此耐老化、耐熱、耐油、耐臭氧是氯丁橡膠支座的優點，然而其對溫度特別是低溫敏感，容易在低溫時產生結晶現象，造成抗壓彈模大幅度的提升。不耐寒是其弱點之一。

2.兩種橡膠支座的選擇

一般來說我國的北方地區選用天然橡膠支座偏多，南方地區選用氯丁橡膠支座偏多，環境影響老化快、油光污染重時、選用氯丁橡膠支座。但受橡膠工業及化工業整體的影響，我們氯丁橡膠的部門指標包括工作性能、加工性能等還不完善，所以在設計時要綜合考慮。

三、結語

通過對有關支座規范和橋梁設計圖紙的分析，目前支座的設計應力取值偏高，支座選型后強度儲備的驗算沒有明確，對支座的布置有不當的現象，不同的溫度和自然環境下選用的支座種類不當，導致了支座有早期損壞甚至脫落的現象，須重視并解決之。