高速公路桥梁板式橡胶支座的设计要点研究

时间：2024-04-24

欧阳路明、唐旻

（江西省赣南公路勘察设计院，江西赣州341000）

0 引言

在桥梁工程项目中，桥梁板式橡胶支座设计水平的高低，在一定程度上影响着桥梁结构的稳定性，所以在板式橡胶设计、制作环节，要根据桥梁项目的标准做好设计方案的优化，从而提高桥梁的整体性能。

1 公路桥梁橡胶支座概述

1.1 优点

橡胶支座之所以被大量应用到实际中，主要因为其具备如下优点：结构组成简单、成本较低、容易制作、可以批量生产；钢材使用量少，缓冲效果比较明显，可以吸收大部分的振动，减震、抗震效果比较明显；改善受力条件；安装与更换比较方便，现场施工快捷。

1.2 结构

就目前来说，高速公路桥梁对橡胶支座的应用主要有以下两种形式：

1.2.1 板式橡胶支座。该支座类型的主要原理，是通过橡胶不均匀弹性压缩来达到桥梁的竖向转动，通过橡胶块的剪切变形来达到水平位移的要求。由于该支座类型没有固定支座和活动支座之分，所有纵向力与水平力都能实现均匀分配，同时还能在内部设置加筋层的结构，确保结构的刚度与强度达到合格标准，所以被应用于中等跨径的桥梁结构上效果更好。如果不设计加筋层的结构，那么在小跨径桥梁中也可以发挥效果。对于标准跨径在40m 以内的桥梁，都可以应用板式橡胶支座的结构形式。根据形式的不同，板式橡胶支座主要包括矩形与圆形两种，通常来说，在斜度超过10o时采用圆形板式支座，其他斜度则应用矩形板式支座。

1.2.2 盆式橡胶支座。这是比较新型的制作形式，把承压的橡胶块直接嵌入凹形金属盆中，让橡胶在有侧限受压的条件下，利用填充的聚四氟乙烯板与不锈钢相对摩擦系数小的特性，进行水平位移，应用盆式橡胶不均匀压缩的方式确保梁体实现大转角，提升结构的承载性能。因为其结构特点比较紧凑、摩擦系数较小、自重小、成本低，且使用灵活，所以在跨度大、自重大、支座反力较大的箱梁桥结构中应用效果良好。

2 公路桥梁板式橡胶支座的设计要求

在公路桥梁结构中，因为不同结构形式的桥梁要求不同，所以所使用的橡胶支座的形式也会有很大差异。从目前我国的公路桥梁板式橡胶支座的设计方面分析，根据设计标准和要求，橡胶支座主要被设计为承压结构，采用承压面积计算方式，结合反作用力以及应力条件确定具体的结构形式和尺寸，同时还要保证橡胶支座的形状系数符合国家标准要求，否则也会对结构的正常运行带来不利影响。在板式橡胶支座厚度的设计方面，目前我国规定的厚度参数为板式橡胶支座的橡胶结构加上钢板结构的总厚度，所以必须在设计中有所区分，明确橡胶结构层的厚度参数，结合上部结构的板式橡胶支座水平位移变化的尺寸来进行计算。

在计算桥梁结构承载性能倾角参数环节，首先要明确倾角的设计要求，这主要是指在结构荷载的影响下，出现的竖向荷载压缩变形尺寸。所以在具体的板式橡胶支座倾角设计环节，必须综合分析，考虑到其转动位移的变化参数，通常应小于竖向压缩变形量参数。

3 公路桥梁板式橡胶支座的设计现状

公路桥梁项目运行中，桥梁板式橡胶支座除了应该满足承压性能的要求外，还应该预防工程结构在运行中的剪切变形、转动变形等方面的变化，必须达到减震、吸收的效果。但是，在我国的桥梁板式橡胶支座的设计环节，重点考虑的是承重结构参数，而并未综合分析板式橡胶支座局部应变的情况，所以导致设计和应用中存在很多问题。有些形状系数比较小的板式橡胶支座在实际应用中，容易出现承载性能不足的情况。

为了能够保证板式橡胶支座的形状系数符合要求，需要构建该系数的应力关系图。根据图形的变化趋势，可以了解到桥梁板式橡胶支座的强度、疲劳、分层及稳定性等方面的情况，从而对承载性能进行综合分析。

但是，目前针对这方面的分析却比较欠缺，所以容易使结构性能无法满足实际需求。虽然目前我国所使用的很多桥梁支座设计理论和标准，都可以应用到桥梁板式橡胶支座设计中，但是具体应用时还是会受到很多条件的限制，需要结合具体情况进行具体的分析，以确保设计符合运行标准，对提高桥梁的运行效果和质量产生积极的促进作用，全面提升桥梁的安全性与稳定性。

4 设计要点

4.1 板式橡胶支座局部总应变分析

在进行公路桥梁板式橡胶支座局部总应变分析时，要结合具体的橡胶支座内橡胶自身扯断伸长的具体情况进行。

在了解其总应变发展变化情况的基础上，对板式橡胶支座内橡胶的扯断伸长情况和局部总应变之间的关系进行计算分析，并且根据参数进行校验和分析，以确保桥梁板式橡胶支座的质量和运行效果。根据国家标准，对板式橡胶支座内的橡胶扯断伸长变化进行分析，主要是指橡胶受到拉伸的作用出现伸长、变形的问题，一般通过实际伸长的总长度和原结构长度的比值来确定扯断伸长率，该参数可以确定橡胶支座的性能。

桥梁板式橡胶支座的局部应变，主要是指板式橡胶支座在压力、剪切、转角等的作用下，产生的应变综合参数。在进行桥梁内的板式橡胶支座设计时，要明确橡胶扯断伸长率和局部总应变的关系，可利用以下式（1）进行计算：

根据上式计算分析，板式橡胶支座局部总应变为承压应变力、剪切应变力与转角或倾角应变的和，只有当局部总应变≤局部总应变设计上限值时，局部总应变才能合格，该上限值通常为板式橡胶支座扯断伸长率的1～1.5 倍。在公路桥梁的板式橡胶支座的设计环节，做好局部总应变参数的计算与校正分析，保证参数设计达到精度标准要求，确保结构的性能合格，将对桥梁运行的质量和效果产生积极的促进作用。

4.2 板式橡胶支座内部总应变的验算

对于公路桥梁板式橡胶支座总应变参数的验算，要根据我国发布的公路桥梁板式橡胶支座的计算方法，按照天然橡胶的450%扯断伸长率参数进行。如果没有进行验算，就容易导致结构性能发生变化，所以必须充分考虑到橡胶扯断伸长率参数，以满足运行标准要求。

板式橡胶支座总应变验算条件如下：板式橡胶支座尺寸为300×350×78mm；反作用力为933kN；总剪切变形为23.1mm；总承压面积为（290×340）mm2；总厚度为60mm；加劲钢板厚度为18mm，共有6 层。

此外，板式橡胶支座的形状系数为7.11、弹性模量是273MPa，在具体的桥梁设计应用中，因为桥梁结构的自重所导致的倾角变化为θG，即0.00448rad；在桥梁表面的汽车荷载的作用下而产生的倾角变化为θa，即0.002rad；板式橡胶支座承压面会因为底部存在0.5%的纵坡而导致承载作用下发生的倾角变化为θi，即0.005rad。由此计算可知，板式橡胶支座总倾角为0.0115rad。

根据上述内部结构的总应变验算条件，进行准确的分析。如果遇到设计人员并未充分考虑、分析总应变作用力变化的情况，就要将橡胶内应力参数设定为9.5MPa。同样，如果剪切作用力会对板式橡胶支座造成影响，则将应力设计为10.2MPa。了解设计应力的具体情况，需通过验算和分析，主要方法是依据板式橡胶支座的规定计算标准来进行。首先，在剪切应变持续作用下，鉴于桥梁项目的承压应变情况有特殊规定，因而按照式（2）进行计算：

如果没有考虑、分析剪切应变的作用，那么计算承压条件的橡胶支座应变参数值，则应按式（3）计算：

最后，板式橡胶支座由于受到剪切作用力的影响所产生的应变参数，按照式（4）计算：

4.3 公路桥梁中板式橡胶支座局部总应变控制的设计理念

在桥梁板式橡胶支座设计中，除了要进行强度、剪切变形等方面的验算和分析外，还要通过计算确定局部总应变参数，从而防止运行中由于局部总应变过大而发生早期开裂的问题，进而保证结构的性能合格，满足使用寿命的要求。

目前，我国的相关标准中，明确了桥梁板式橡胶支座局部总应变的设计要求，主要涉及以下几方面：保证橡胶的扯断伸长率符合运行标准；保证橡胶材料的局部总应变不超出材料规定性能的限值标准；根据实际测量的参数可以确定应力—应变曲线，充分了解两者的关系；在桥梁设计过程中，要考虑到板式橡胶支座在实际使用环节可能产生变形的影响因素、最不利的运行条件等方面的情况，选择合适的应力参数，从而使得其局部总应变在合理的范围内，不会发生结构损坏的严重问题。

在板式橡胶支座设计中，应按照上述局部总应变设计理念进行验算和确认，使用支座设计软件，根据要求进行详细计算，合格后才可投入批量生产，施工、监理单位应对其进行验算、分析，确保其投入使用时符合要求，对提高桥梁运行的安全性起到促进作用。

4.4 桥梁板式橡胶支座的抗震性能

当前，我国桥梁结构的主要设计形式为梁式结构，很多桥梁支座采用的都是板式橡胶支座形式。基于此，本节主要分析桥梁铅销板式橡胶支座的减震率设计，主要包含结构地震控制参数、桥墩位移、墩底剪力等方面的参数。根据目前我国的标准要求，桥梁铅销板式橡胶支座减震率可以通过式（5）进行计算：η=(SLRB－SRB)/SRB（5）式(5)中：η 为桥梁铅销板式橡胶支座的减震率，用%表示；SLRB 为应用桥梁铅销板式橡胶支座的地震反应；SRB 为未应用桥梁铅销板式橡胶支座的地震反应。根据目前的国家标准规定要求，如果在桥梁设计中，其基准期设定为50年内抵御地震烈度超过63.2%，也就是说在L1 地震的持续性作用之下，桥梁铅销板式橡胶支座减震性能并不明显。根据需要增加桥梁铅销板式橡胶支座阻尼系数，以更好地实现减小地震作用的效果，达到使用标准。

通过上述分析发现，桥梁铅销板式橡胶支座的铅销面积会对桥梁的抗震性造成过大影响。因此，在设计环节应针对实际情况，将减震目标设定为抵御L2等级地震。

根据实际情况，以墩高9m 的20m 三跨连续梁桥为案例进行分析发现，铅销面积与减震质量之间存在直接关系。通过分析可以确定，铅销板式橡胶支座的铅销面积主要通过铅销直径来计算。

4.4.1 桥台支座铅销面积会对减震率造成影响。在了解桥梁铅销板式橡胶支座结构特点的基础上，通过分析其结构和桥梁间存在的关系后发现，桥台的减震率会随着桥台支座铅销面积的增大而减小，而桥墩减震率则会随着铅销面积的增大而增大。因此，在设计中，要做好地震能量的控制，从而保护结构的完整性，符合交通运行的要求。

4.4.2 桥墩支座铅销面积对减震率的影响。在地震作用下，通过对墩台结构的抗震频率进行干扰，改变各个墩台结构的制作铅销面积，可以达到运行要求。这就表示，在规定范围内，应该做好对各个墩台结构铅销面积的调整和控制，以保证结构的抗震效果满足要求，达到桥梁的运行标准。