橋梁板式橡膠支座的設計與計算
——以大柏店路橋為例

李 飛 （安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001)

0 引言

橋梁上下結構之間傳遞荷載的重要構件為橋梁支座（剛構橋例外），作為橋梁支座，需要將橋梁上部荷載（自重及外荷載）通過自身傳遞至橋墩結構，進而傳遞至橋梁基礎，雖然在橋梁結構中，支座的體積相較于其他構件而言很小，但其重要性在橋梁結構中同等重要[1]。橋梁支座的形式多種多樣，但應用最為廣泛的仍然是傳統板式橡膠支座，板式橡膠支座根據形式的不同可分為圓形板式橡膠支座、矩形板式橡膠支座和四氟板式橡膠支座三種類型，圖1 即為三種不同板式支座。

圖1 不同板式支座

板式橡膠支座除了能將橋梁上部荷載傳遞至橋梁下部荷載以外，還必須能夠適應橋梁上部結構的橫向位移和轉角，因此需要支座不僅具有足夠的強度能夠傳遞荷載，同時也要預留一定的變形能力來適應上部結構的變形，在強度方面，板式橡膠支座通過橡膠和鋼板共同承壓，鋼板通過粘合劑包裹在橡膠支座內部，不僅提高了板式支座的豎向剛度，也減小了支座在承受豎向荷載時的豎向變形；變形能力方面，橡膠具有較強的變形能力，對于上部結構傳遞的橫向荷載，各層橡膠之間能夠協調變形，保證上部結構在允許范圍內適當變形的情況下，支座不會脫空，仍然具有傳遞豎向荷載的能力。此外，板式橡膠支座日常維護工作量較少，因此板式橡膠支座在橋梁工程中具有廣泛的應用。其所具有的力學特性，針對簡支轉橋面連續的橋梁而言，支座采用板式橡膠支座可能是唯一的選擇。

1 板式橡膠支座常見病害

板式橡膠支座在橋梁結構的造價中占比較低，雖然在橋梁結構中，支座的作用同其他構件同等重要，但由于其低廉的造價，時常被工程師所遺忘。橡膠材料不同于鋼筋混凝土結構，在強荷載作用下，橡膠材料經常會出現各種病害，加之野外環境中，橡膠支座幾乎暴露于空氣環境中，進而加劇了支座的病害。因此對于已建橋梁，在設計使用年限內，支座病害的檢查尤其重要，對于一些損害較為嚴重的支座，往往會采用更換支座的方式對其進行處理，常見的橡膠支座病害主要有支座脫空、剪切超限，局部鼓凸以及橡膠老化開裂等[2]，圖2 即為板式橡膠支座常見病害。

圖2 支座常見病害

2 板式橡膠支座設計計算方法

板式橡膠支座設計計算主要對以下三方面的內容進行設計計算，首先是確定支座類型及尺寸，然后對支座進行受壓偏轉驗算和抗滑穩定性驗算，本文以圓形橡膠板式支座為例。

2.1 圓形橡膠板式支座平面尺寸確定

受板式橡膠材料自身的極限抗壓強度、抗壓彈性模量及常溫下板式橡膠支座剪切模量的影響，圓形橡膠板式支座力學參數需滿足表1設計指標。

表1 橡膠支座的力學性能要求

圖3 圓形板式橡膠支座結構示意

圓形橡膠板式支座形狀系數S，其計算公式如下：

式中d0為圓形加筋鋼板直徑，單位為mm；t1為中間單層橡膠片厚度，單位為mm。

板式橡膠支座的有效承壓面積應符合下列規定：

式中Ae為支座有效承壓面積（承壓加勁鋼板面積）；Rck為支座反力設計值（汽車荷載計入沖擊系數）；σc為使用階段支座平均壓應力限值為10MPa，當支座形狀系數S小于7時，為8MPa。

2.2 圓形橡膠板式支座厚度確定

之所以對板式支座的厚度進行設計計算，是因為一方面橡膠支座在傳遞豎向荷載的同時還需要根據橋梁上部結構的水平位移和轉動位移來協調自身變形，如圖2（b）所示，放上部結構在水平方向上發生位移或者在支座附近發生轉動時，板式橡膠支座會產生相應的剪切變形來適應橋梁上部結構產生的水平位移，當上部結構位移過大時，橡膠板式支座剪切變形就會增大，達到一定限度之后支座就會發生剪切破壞，因此要求橡膠板式支座具有一定的厚度[3-4]，能夠產生足夠的剪切變形，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）中對板式橡膠支座的規定，在保證橋梁上部結構水平位移和轉角位移不超限的情況下，不計入制動力時，橡膠總厚度te與上部結構水平位移Δl需滿足：

計入制動時，橡膠總厚度te與上部結構水平位移Δl需滿足：

式中Δl包含由上部結構溫度變化、混凝土收縮和徐變等作用標準值引起的支座剪切變形和縱向力標準值產生的支座剪切變形，當支座本身直接設置在縱坡大于1%的斜面上時，還需考慮支座反力在該順坡上的分力所產生的剪切變形。同時，當橡膠支座厚度過大時，支座的穩定性不能得到保證，因此規范對每層橡膠片的最大厚度進行了限定，從受壓穩定考慮，應保證支座符合以下條件：

2.3 支座偏轉和抗滑穩定性驗算

如圖2（a）所示，支座發生脫空的原因在于上部結構在跨中承受較大豎向荷載時（自重+外荷載），主梁會在荷載作用下發生撓曲變形，主梁中部向下撓曲變形的同時會引起梁端發生轉角偏移θ，當梁端轉角過大時，板式支座前段受壓，后端脫空，此時的板式支座為局部受壓[5]。為保證局部受壓條件下的橡膠板不發生脫空現象，支座豎向平均壓縮變形值δc,m需滿足：

式中Ae為承壓加勁鋼板的面積；Ee為抗壓彈性模量；Eb=2000MPa 為橡膠彈性體積模量；Rck為計入沖擊系數的支座反力設計值；te為橡膠層總厚度，同時豎向平均壓縮變形還不能超過橡膠總厚度的0．07倍。

為保證在橫向荷載作用下，支座與梁底不發生滑動。

不計汽車制動力時，

考慮汽車制動力Fbk時的需滿足：

式中μ=0.2～0.3 為摩擦系數（支座與混凝土接觸時，摩擦系數取0．3；與鋼板接觸時，摩擦系數取0．2）；RGk為由結構自重引起的支座反力；Rck為包括結構自重標準值及0．5 倍汽車荷載標準值（計入沖擊系數）引起的支座反力；Ge為支座剪切變形，其參數取值可按規范取；Ag為支座平面毛面積。

3 工程案例

大柏店路位于肥西縣桃花工業園區，道路為直線型道路，雙向4 車道，設計車速40km/h。其中在樁號K0+922處，跨越規劃五老堰河。結合規劃河道斷面，經前期方案及初步設計確定本次設計橋梁方案為橋梁采用3m×20m 簡支轉橋面連續空心板梁橋，右偏角為60°，寬30m。其斷面具體為3．0m（人行道）+3．0m（非機動車道）+1．5m（分隔帶）+15m（機動車道）+1．5m（分隔帶）+3．0m（非機動車道）+3．0m（人行道）=全寬30m。

上部結構：采用20m 一跨預應力混凝土空心板。梁高0．95m，預制中板1．24m，邊板A 頂寬1．58m，邊板B 頂寬1．39m，底寬均為1．24m，全幅單跨布置69 片空心板。空心板采用C50 混凝土，預應力均采用低松弛高強度鋼絞線，公稱直徑φ15．2mm，標準強度fpk=1860MPa。

下部結構：橋墩采用樁柱式橋墩，橋墩立柱直徑1．3m，采用C35 混凝土，樁基直徑1．5m，采用C30 水下混凝土；橋臺采用樁接蓋梁輕型橋臺，樁基直徑1．3m，采用C30水下混凝土。

墩臺支座均采用板式橡膠支座，其材料和力學性能均應符合現行國家和行業標準的規定，橋梁位置如圖4所示。

圖4 大柏店路橋效果圖

為了便于橋面泄水管的布置，橫斷面采用在分隔帶處邊板與邊板相接的拼板設計，本次計算模型對橫斷面進行優化處理，即截取行車道范圍內的空心板作為驗算對象（見圖5、圖6）。

圖5 大柏店路橋橫斷面圖

圖6 優化調整后的大柏店路橋橫斷面圖

大柏店路橋梁計算跨徑l=19．26m，梁長L=19．96m，恒載單位長度自重g=17．48kN/m，汽車荷載為城-A 級，車道均布荷載qk=10．5kN/m，集中荷載Pk=298．52kN。不計入人群荷載，計算溫差為36℃，安全設計等級取一級。抗彎慣矩I=0．0691886m4，彈性模量Ec=3．45×107kPa。空心板的抗彎剛度B=Ec×I=0．2387×107kN/m2。結構自重引起的支反力RGK=135．8kN，支反力設計值Rck=135．8+87．9×0．5=179．75kN。車道荷載橫向分配系數為mc=0．281，汽車制動力Fbk=11．6kN。選定圓形橡膠板式支座結構示意圖如圖7所示。

圖7 圓形橡膠板式支座結構示意圖

3.1 確定平面尺寸

根據橋梁跨徑及相關數據，初步選定圓形板式橡膠支座GBZY 250×52 型板式橡膠支座，截面直徑為d=25cm，則平面尺寸Ag=3．14×0．1252=0．0490625m2，加勁板邊緣距離橡膠邊緣為5mm，Ae=3．14×(0．125-0．005)2=0．045216m2，單層橡膠厚度取t1=0．8cm，由此可得支座平面形狀系數

支座平面滿足：

支座平面尺寸滿足設計要求。

3.2 確定支座厚度

本設計中，大柏店橋水平放置，根據《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T4-2019）附表查得該平面尺寸下，選取支座橡膠厚度te=37mm，總厚度t=52mm，溫差36°引起的溫度變形平均分配到主梁兩端。

溫度引起的水平位移Δg為：

活載制動力引起的水平位移ΔFbk為：

不計入制動力時，根據公式(2)te≥2Δl=2×7.9=15.8mm；

計入制動力時，根據公式(3)te≥1.43Δl=1.43×7.9=11.3mm。

支座厚度滿足設計要求。

3.3 支座平均壓縮變形驗算

不發生脫空現象，支座平均壓縮變形 值δcm需滿足：，將數據帶入公式中計算可得：

車道均布荷載：轉角

支座平均壓縮變形值δc滿足設計要求。

3.4 支座抗滑穩定性驗算

為保證在橫向荷載作用下，支座與梁底不發生滑動。

不計入汽車制動力時，

考慮汽車制動力F時的支座反力Rck需滿足：

支座抗滑穩定性滿足設計要求。

經驗算，所選用的圓形橡膠板式支座均滿足設計要求，施工時支座安放必須水平，誤差符合規范要求。支座位置應準確。墩臺支撐墊石或預埋鋼板頂面應平整、清潔、支座與其接觸應密貼。所有支座安裝前應檢查配件是否齊全。滑動支座安裝時應注意滑動方向不能放錯[6]。

4 結語

本文從橋梁常用支座出發，對常見的橡膠板式支座進行了研究，并對常見的橋梁支座病害進行了分析及歸類，對于橡膠板式支座而言，圓形橡膠板式支座和矩形橡膠板式支座，以及四氟板式橡膠支座是最常見的橡膠板式支座，針對此類支座本文對其進行了設計計算得出理論分析，結合大柏店路橋圓形橡膠板式支座應用情況，對支座進行了設計計算，本文研究結果對安徽省肥西縣桃花工業園區大柏店橋的板式橡膠支座的應用有著重要的參考價值。