溧陽市國省干線公路橡膠支座的選用設計研究

史奇彬，潘旭輝，李 巖，王芮文，3

(1.溧陽市交通工程建設事業發展中心，江蘇 常州 213000；2.江蘇森淼工程質量檢測有限公司，江蘇 鎮江 212000；3.江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212000)

1 支座的變形控制

1.1 支座的壓縮變形控制

板式橡膠支座是有一定厚度的不銹鋼板和橡膠層間斷壓制而成，正因為這種特殊性能，當承受上部結構傳下來的力時，如果支座的橡膠層厚度不同，則在兩層鋼板之間的橡膠就會出現或多或少的鼓凸，而在鋼板位置則會產生凹槽，從而形成支座側面波浪狀，這些波浪狀態，如果較大，則會對耐久性產生影響[3]。

橡膠支座是依靠其變形承受力的，當橡膠支座受到溫度變化、荷載作用以及橋梁自重等荷載作用時，它就會沿著荷載作用力的方向上產生變形，如果荷載為壓力，那么橡膠支座就會被壓縮。測量豎向壓縮變形時，至少應測量四點，測點應垂直交叉，然后計算四點的平均值作為支座的豎向壓縮變形σ。見圖1。

F-豎向力；θ-支座轉角；φd-直徑；A-支座壓縮變形后右側剩余的高度；C-支座壓縮變形后左側剩余的高度；σ-支座中心壓縮高度圖1 支座的壓縮轉角圖

橡膠支座承受的荷載大小和性質不同，所產生的壓縮變形量也有所不同，規范規定，支座在橋梁設計荷載的作用之下，它所產生的最大壓縮變形值σ應控制在支座橡膠層逐層累積厚度總值的7%。

1.2 支座的剪切變形控制

支座在使用過程中出現剪切變形是一種正常現象，但是不應超過允許值。其中，最容易產生剪切變形的階段是當板式橡膠支座安裝到位以后，上部梁體安裝下落過程中，或者現澆上部結構在拆除支撐或者模板過程中，都會引起橡膠支座的水平受力，從而引起剪切。此時，產生變形的原因主要有兩個，一個原因是由于環境溫度條件有變化，或者混凝土出現驟然收縮。另一個原因是在梁板安裝時，落梁位置不準確或者由于梁板不穩定時落梁，形成初始水平力，從而導致支座剪切。板式橡膠支座的初始剪切變形是可以在初期予以調整的，如通過放松重新安裝可以減小或者消除[4]。

橡膠支座的剪切變形不可避免，規范上也允許橡膠支座產生這一變形，但在施工中應盡可能地避免和減小，這就要求施工單位在施工時重視安裝環節，糾正不規范的操作。比如，在一般情況下，應保證在一天內平均溫度下安裝橡膠支座，支座在調整時，應將梁板吊起等。

再者就是安裝梁板時，對落梁操作的控制，因為如果控制不當，就會使支座發生初始應力，從而產生變形。在梁板下落以后，不應立即對架梁的設施進行拆除，需要對落下的梁板下邊的橡膠支座進行仔細檢查，如果發現橡膠支座存在初始應力導致的變形，應進行梁板調整，這時，應將梁板全部吊起來，從而放松支座，一般情況下，初始變形的支座會較快地回復原貌，但是如果初始應力作用時間較長，那么支座變形的恢復時間也會較長，需要數小時或者數天才能完成。支座的剪切變形對支座本身傷害較大，主要表現在耐久性方面，據研究，長期受到剪切變形的支座，其耐久性降低30%以上。

梁板安裝結束后，在橋面鋪裝施工之前，施工單位應該做一次梁板安裝的全面普查工作，其中一個重要的內容就是支座的檢查。全面普查選擇的時間宜在每年的4月份和9月份進行，因此這才能保證檢查時溫度接近于年平均溫度。

如果在檢查過程中發現支座剪切變形量較大，應同步頂升梁板后將支座復位，如果發現因剪切而損傷，則應進行更換。

之所以在橋面鋪裝之前進行橡膠支座的全面檢查，主要考慮此時梁板安裝已經經歷了較長時間，因混凝土變形基本穩定，全面尚未連續成整體，如果出現支座剪切，進行放松復位時，也非常方便，不會影響到結構體系受力，所以，在這個時間段進行支座檢查應該得到技術管理人員的重視。

實際上，在橋梁承受荷載過程中，板式橡膠支座由于容易在結構重力、車輛荷載、制動力以及溫度變化下而產生剪切是一種正常現象和橡膠支座本身應該具有的基本功效。但是，剪切變形應該盡可能地不變大，能小盡小，因為當橡膠受到力而剪切后，分子之間的距離擴大，從而內部結構變得松散，此時，如果遇到二氧化碳以及酸堿環境后，橡膠會加速老化，從而使橡膠支座的耐久性降低。

橡膠支座安裝后，應檢查支座是否受到較大的水平力，因為水平力是引起剪切變形的主要原因，而剪切變形量除了直接測量外，還可以根據溫度進行剪切變形量的計算，而進行變形量計算的依據是支座設計規范。一般情況下，板式橡膠支座在力的作用下，允許的剪切模量是1.0 MPa。在滿足這些要求的前提下，板式橡膠支座還有剪切角正切值的技術指標要求，根據相關的規范，其最大應不超過0.7，當滿足這一條件時，橡膠支座的使用功能不降低。

1.3 板式橡膠支座中滑板支座的較大剪切變形

為了適應梁體的水平變形，在橋梁支座一般設計時，橋梁橋臺、橋梁由簡直到連續、有現澆到安裝的過渡墩會設置四氟滑板支座(即F4支座)，F4支座就是在板式橡膠支座底面或頂面設置一層聚四氟乙烯板，利用F4滑板與不銹鋼板相對摩擦系數小的特點，保證梁板的自由伸縮以及支座的滑動。在實際施工中，由于橋臺施工條件限制，滑板支座的施工難度較大，如果要實現滑板支座的功效良好，就必須保證四氟滑板表面無劃痕和污漬，不銹鋼門也必須滿足使用上的要求，這樣才能保證板式支座良好運行。

通常，四氟滑板支座施工完成后，會出現滑動面受阻，從而產生水平力，這是由于支座滑動面不清潔或者未涂刷硅脂油所致。為了保證四氟滑板支座有效使用，必須在梁板安裝時，注意保護四氟滑板支座，使之清潔無損傷，硅脂油涂抹規范，所用的硅脂油材料滿足規范要求，特別是四氟滑板內的儲油槽是否清潔，儲油槽總面積是否滿足規范要求等。另外，對于與聚四氟乙烯板相接觸的不銹鋼板質量也有要求，如硬度、不銹鋼板成份組成以及平面度等指標。規范要求，聚四氟乙烯板與不銹鋼板的摩擦系數應在0.03以下。這是由于當水平力大于豎立壓力的3%時，支座就會產生滑移，這一規定，避免了橡膠支座的水平力和剪切變形。

實際上，當橡膠支座和梁板在正確安裝的時候，也會存在一定程度上的剪切量，這一剪切變形量見公式(1)

(1)

式中:ΔL為板式滑動前剪切變形量，mm；0.03為滑板支座的摩擦系數；P為板式橡膠支座實際荷載正壓力，N；h為板式橡膠支座橡膠層總厚度，mm；S為板式橡膠支座的平面面積，mm2；G為板式橡膠支座剪變模量，1.0 MPa。

這里需要說明的一點是，因施工現場內不利因素無法控制，因此，在對剪切變形進行計算時，應取摩擦系數為0.06。

2 應用實例

2.1 工程概況

橋梁板式橡膠支座在近幾年中應用非常廣泛，主要體現在它具有承載能力大，高度適中，適應剪切變形的能力強，抗擊沖擊力的能力也大等優勢。在溧陽市國省干線橋梁施工中，目前采用較多。現以S341省道橋梁為例進行說明。

S341省道共有橋梁6座，其中2座大橋為35 m預制箱梁上部結構，其余4座為20 m空心板結構。其中，大橋的板式支座采用直徑為550 cm的圓板式橡膠支座，橋臺位置采用同型號F4支座；空心板橋采用350 cm圓板式橡膠支座，橋臺采用同型號F4支座。

在設計過程中，主要需要考慮支座的受力分別為橋梁荷載自重傳力，占比70%，車輛行駛重力和振動力占比為13%，車輛剎車水平力占比12%，溫度應力占比為5%，未考慮地震力。

施工過程中，嚴格按操作規程進行施工組織，重點控制墊石質量(如強度、裂縫、平整度等)、支座本身力學檢測情況、支座安放位置、支座高程和四角高差、支座施工期間的受剪情況和壓縮變形情況、F4支座的方向等。

施工后進行了質量檢查，對全部支座進行了抽檢，無剪切變形、無壓縮變形、位置軸線滿足要求，無脫空。

從而可以斷定，板式橡膠支座在國省干線公路施工中可以大面積使用。

2.2 支座設計情況

在橡膠支座的設計環節是保證橡膠支座能正常工作的前提條件，因此，支座設計應考慮各方因素，避免留下隱患。在S341省道橋梁中，有2座特大橋線形在縱坡度指標方面對橋梁橡膠支座影響。因此在支座厚度設計時，著重考慮縱坡坡度對其影響，保證厚度足夠。S341省道竹漬河橋的第1～3跨縱坡度在1%以內，設計時將支座直接放在墊石之上。竹漬河橋第6～7跨縱坡度超過了1%，設計時，采用了楔形鋼板進行梁底調平，這一目的是確保支座平放。

水平精確度是四氟滑板支座的安裝最重要的控制方面之一。在以前的設計中，四氟滑板均設置在支座的底面，與墩臺上的不銹鋼板接觸，但是由于設置在底面時，當梁體滑動時，必須時支座滑動，此時可以會出現支座移位。考慮此因素，在S341省道橋梁施工中，四氟滑板支座的聚四氟乙烯板放置與支座頂面，當梁板滑動時，橡膠支座不動。

S341省道橋梁設計中，保證了任何橡膠支座下部都不與墩臺頂面直接接觸，之間均設置了支座墊石。支座墊石的設置的目的有兩個，一個是調平，一個是分散受力，增大受力面積。支座墊石的尺寸應根據計算決定，其最小尺寸應滿足四周外緣應比相應橡膠支座邊緣大5 cm以上，墊石的高度不應小于10 cm。對于S341省道橋梁底部與墩臺頂面高度的確定主要應考慮支座未來更換時方便操作。為了分散受力和保證支座墊石不裂縫，在支座墊石內部，還設置了鋼筋網，鋼筋網一般設置上下兩層，橋梁墩柱頂部設置有鋼筋深入至支座墊石內部，如果未預留鋼筋，應進行植筋處理。支座墊石的混凝土強度應在C30以上。支座墊石的施工是非常重要的一道工序，根據其功能，必須保證平整度高、強度高。規范要求，對于同一梁板，兩端的墊石以及同一橋梁墩臺上的墊石，應必須在同一高程控制范圍內。并且，相對高差應保持在±1.5 mm內，四角高差為0.5 mm以內。

為了規范施工，保證支座安裝位置準確。S341省道指揮部要求，在墊石施工前以及支座安裝前，均應進行支座墊石放線和支座放線，支座放線時，不僅僅要放出中線，還需要放出支座的邊部切線，以利于在安裝調整時利于觀測。

在支座安裝時的任何工序，都必須確保支座不出現較大的剪切變形量。支座安裝不能脫空，并保證在二期荷載前，不允許車輛通行[5]。

S341省道別橋大橋墩臺設計時，綜合考慮了未來橋梁預后發展。因為，如果橋梁邊坡設置過陡，或者更換支座的操作空間不足，就會產生質量隱患，因此全線橋梁支座設計均考慮了邊坡坡度。另外，支座的并排安放也有規定，不用型號的支座不允許安裝在同一排，設計時遵循了這一點。

在S341省道施工時，支座錯放和漏放也是經常見到的現象，因此，在支座安裝就位以后，還需要技術人員做一次檢查，如四氟滑板支座是否錯放，是否涂油，是否位置偏差過大等。

2.3 工地使用時易出現的問題

通過對部分高速公路板式橡膠支座的實際使用情況進行調查，發現施工單位在支座的安裝過程中可能出現較多問題，S341省道在施工前期也出現了一些問題。

S341省道新昌中橋梁底支座安裝位置平面與墩臺處支承墊石上表面夾角過大，造成支座單邊受力，因而支座局部變形嚴重。如果繼續增加恒載和汽車活載，梁體會繼續發生撓曲變形，這樣會加大梁底的傾角，嚴重時會造成板式橡膠支座單邊脫空。因此，在新昌中橋施工時，施工單位著重做了這方面的技術方案，確保安裝質量。

另外，新昌中橋還存在梁體預制時，梁靴處的模板平整度不夠。

這樣，當梁體制成以后，在支座安裝位置就會形成局部凹陷，支座安裝就位后，首先支座邊緣會受力，而中部后受力，這樣就會造成支座受力不均，同時邊緣局部變形過大，使板式橡膠支座的波紋狀凸凹現象更為明顯。

在S341省道施工初期，由于許多施工單位自己加工滑板支座的配套鋼板，通常達不到支座的設計要求，既不銹鋼板的表面光潔度和平面度達不到要求，這樣容易造成支座滑移時阻力增大，支座發生較大的剪切變形。

綜合以上原因，由于支座受力面平整度不夠，所以無法準確測量支座的平均壓縮變形，只能測量支座的局部變形。

對于這些問題的解決，可以通過墊石與支座關聯處平行要求，對梁體進行調整，也可以通過對受力均勻性進行觀測進行調整，還可以通過接觸面環氧材料整平來達到預期效果。

2.4 支座的養護

S341省道施工完成后的運營期間，由于施工控制良好，未發生重大的支座問題。但是在運營期間，支座的受力是非常大的，因此，必須進行經常性的檢查和維護，如果出現偏壓、剪切、破損、裂縫等，應進行更換。對于板式橡膠支座和F4支座應檢查如內容。

(1)支座是否出現滑移及脫空現象；

(2)支座的剪切位移是否過大(剪切角應不大于35°)；

(3)支座是否產生過大的壓縮變形；

(4)外側橡膠層有沒有裂縫、強酸堿腐蝕等，及時做好記錄并拍攝照片。

(5)支座各層加勁鋼板之間的橡膠板外凸是否均勻和正常；

(6)聚四氟乙烯板非常容易與橡膠層剝離并出現破損，應加強對滑板支座的檢查，包括位置移動。

清潔工作是一項支座保養的重點工作，對于支座附近的部位，需要進行經常性的清潔檢查。

支座偏壓會出現局部脫空，剪切變形過大，會造成耐久性降低，這些都是需要注意的事項。

3 結 語

橡膠支座作為橋梁重要的承力部位，從設計、施工到運營維護，都需要進行質量檢查和質量控制，在溧陽境內的國省干線通過各個環節的有效把控，橋梁質量服役良好，迄今未發現一例破損支座。