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公路桥梁板式橡胶支座减震原理与应用分析摘要：桥梁支座是桥梁结构的重要组成部分，直接影响桥梁的使用寿命和结构安全。其中，板式橡胶支座由于具有构造简单、性能可靠、安装更换方便、造价低等优点，被广泛应用于公路、城市桥梁建设中。本文聚焦于桥梁支座在桥梁整体抗震性能中的重要作用，在对桥梁相关抗震设计方法及新的设计理论进行研究的基础上，结合其在设计选用、建筑施工中等问题，提出了应对策略以及日常养护方法。关键词：板式橡胶支座；减震原理；板式支座设计；施工与日常养护。Abstract: Bridge bearing is an important part of the bridge structure, which directly affects the service life and safety of the bridge. Because of the advantages of simple structure, reliable performance, convenient installation and replacement, and low cost, the plate type elastomeric pad bearing is widely used in highway and urban bridge construction. Focusing on the bridge supports an important role in the overall seismic performance of the bridge. Basing on the research of bridge seismic design method and theory, this essay will put forward the coping strategies and daily maintenance method to solve the common problems in the process of designing and construction.Key Words: Plate type elastomeric pad bearings; Aseismic theory; Plate type pad bearing design; Construction and daily maintenance.2004年3月17日，交通部以交科教发2004124号批准发布了公路桥梁板式橡胶支座（JT/T 4-2004）以及相关的设计规范文件，该文件于2004年6月1日实施。如今12年过去了，我国的公路桥梁大部分都已经使用各类橡胶支座，橡胶支座几乎完全取代弊病较多的刚性支座而成为桥梁支座的主要构造形式。值得一提的是板式橡胶支座，我们可以看到，在各大城市的高架桥梁、各类型的跨径公路中，板式橡胶支座得到了广泛运用，在近年我国的地震灾害中也体现出了很大的优越性。然而，板式橡胶支座依然在支座设计、加工制作、施工安装以及日常养护等过程中存在着一些问题。本文将在阐述板式橡胶支座构造、原理及抗震设计方法的基础上，着重对其施工安装、日常养护等环节上出现的一些常见问题提出相应的措施。一、板式橡胶支座构造及减震原理及抗震设计方法常用的桥梁隔震装置有阻尼装置和柔性支承装置两种类型，其中橡胶支座可以称得上是目前世界上应用最广、实用性最好的一种柔性支承装置。橡胶支座由薄钢板和薄橡胶板交替叠合，并经过高温硫化粘结后制成，所采用的橡胶种类一般有天然橡胶和氯丁胶。其中后者除了在抗冻和弹性良好之外，在耐油、抗腐蚀、抗老化等方面，均优于前者。不过，由于在橡胶层中需要加夹层薄钢板，再加上橡胶层与夹层钢板之间紧密粘结，因此，当橡胶支座承受垂直荷载时，橡胶板的横向变形就受到了约束，这使橡胶支座具有较大的竖向承载力和竖向刚度。此外，因为薄钢板对橡胶板的剪切变形不具有影响，这使得橡胶板对任何水平方向的运动均呈现柔性约束，这意味着当橡胶支座承受水平荷载时，橡胶层的相对侧移会大大减少，使得橡胶支座即使达到很大的整体侧移也不至于失去稳，加之保持的水平刚度较小，仅为竖向刚度的1/500-1/1500。由于夹层钢板与橡胶层的紧密粘结，因此橡胶层在竖向地震作用下依然能够承受一定的拉力，如此一来，橡胶支座可以称得上是一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、能够承受竖向地震作用的理想隔震装置。在传统的桥梁抗震设计中，我们一般从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能力。可是实际上，因为桥梁结构在地震中严重破坏甚至倒塌的例子不胜枚举，人们意识到准确估计桥梁结构的抗震能力和抗震作用并非易事。为了尽量避免传统抗震设计的不足，进一步提升桥梁结构的抗震性能，近年来一些研究人员提出了几种新的抗震技术，其中包括：被动控制技术、减隔震技术、主动控制技术和混合控制技术等。目前最主要的研究集中在减隔震支座上，如高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座等。根据美国减隔震规范的规定：减隔震装置必须有一个恢复力来减少或消除地震作用之后产生的永久性侧向位移。根据我国城市桥梁抗震设计规范（JTJ/T B02-01-2008）规定，隔震装置必须具有自复位能力和最小恢复力，当水平位移从50%的设计位移增加到设计位移时，其恢复力增重不能低于其上部结构重量的2.5%。此外，传统减隔震支座还具有设计复杂、造价高等缺点，在我国，广泛使用的各种桥梁一旦采用铅芯橡胶支座不仅会增加造价成本，还可能在安装过程中出现预埋孔或预埋件的偏移等问题。相比而言，板式橡胶支座的阻尼比较小（仅为5%左右），从严格意义上说，不具备以上提及的减隔震装置特征（自复位能力和最小恢复力），但同其他类型的支座相比，板式橡胶支座具有构造简单、加工制作容易、受力性能稳定等优点，加上其成本低廉和安装方便，故适用性更强。不过板式橡胶支座虽然没有类似铅芯橡胶支座的污染性和高阻尼橡胶支座对橡胶材料的高标准要求，但值得注意的是，板式橡胶支座的自复位能力不强，在大地震的作用下可能发生较大的永久变形。针对这种支承体系的特点，我们可以把桥梁支座设计成“保险丝式单元”的形式，以此减小传递到下部结构的地震力，而该结构设计具有足够的搭接长度以避免支座损伤后可能发生的落梁等问题。二、板式支座设计所需考虑的因素以及常见设计图纸问题目前，常用的橡胶支座种类繁多，一般来说，我们可以根据桥梁强度、结构形式、设计荷载等级、桥梁纵横向坡度、桥面连续情况、气候和地震条件等因素的不同采用不同形式，设计者需要了解橡胶支座准确的设计参数，才能选取合适的材料，做到设计合理的同时又能满足橡胶支座的功能要求。桥梁支座的设计需要根据其功能的确定。首先必须详细计算支座的反力、转角和位移。正确选择桥梁支座的形式和种类，则需要根据不同结构的桥梁计算出气反力、转角和位移。桥梁结构除却竖向反力外，还有纵向、横向水平力，这些反力和水平力以及位移和转角将进行最不利组合，用以确定最合理的支座设计和参数的选用。支座设计还需要考虑支座的振动周期和频率，这是为了满足桥梁的减震和抗震方面的性能要求。而支座的振动周期与桥型、跨度、宽度、截面尺寸、材料性质、支座布置和数量等因素都有关系。其中，首要考虑的问题是抗震性能与地震和台风的直接关系，对于振动周期长、频率低、位移大的支座，按抗震设计时，通常采用增大阻尼的方式来解决大位移问题；其次要考虑到减振性能与车载量、车速度、车流密度、刹车力等问题的直接关系，对于振动周期短、振动频率相对高的支座，减振设计时，可以采用橡胶隔层的办法来解决小位移问题。一般来说，在支座设计中，这两种因素都应该考虑，以抗震性能来控制设计。但我们在综合多例设计图纸之后发现，实践中的板式橡胶支座设计需注意如下事项：一是设计人员采用的计算方法要按照规范，根据实算的桥梁参数、支座竖向承压力、竖向变形倾角和纵向剪切变形等已知条件计算来设计支座平面尺寸、加劲钢板厚度、橡胶层总厚度、单层橡胶厚度及支座总厚度等，并验算支座的受压稳定性及抗滑稳定性。此外，也可以根据支座的最大承压力来选择支座规格系列表中的型号后再进行各项验算。二是设计图纸中需加入详细说明，其中包括支座主要的技术要求、制作主要工艺控制、所选用材料指标、检验重点项目内容、支座安装工艺要求及支座成品与安装后的验收等，以便施工人员及监理人员拥有遵循依据。三是设计图中的尺寸需要全部标明，当支座较少时标出尺寸数字即可，但支座型号、数量较多时，尺寸要用符号替代，并列出支座规格尺寸表，上面需要注明型号及图示中各符号所代表的数据。不管是橡胶支座、四氟滑板橡胶支座还是其他附件均要列全，以便施工和检验使用。三、板式橡胶支座在施工与养护方面的常见问题及其治理虽然板式橡胶支座安装比较简单，但在实践施工过程中，事故仍然时有发生。例如固定支座和活动支座互相错放、不合格产品照常安装等。尽管这些问题的发生大多数情况归咎于操作或者管理上的疏忽，但我们亦不能逃避在技术上存在的问题。以下将对施工上的技术规范标准进行归纳。首先，我们需要对支座产品的入场质量检验进行把关。所用支座应该在安装前1520天就进场，并送样进行检验，检测标准为根据使用量每种随机抽取1至3组，每组3块或3对。检验内容主要为力学性能和内在质量，其中包括极限抗压强度、抗剪弹性模量、抗压弹性模量、竖直转角正切值、抗滑最小承受力及摩擦系数、水平最大剪切位移植等七项，而内在质量则包括橡胶层总厚度、加劲钢板单片厚度、橡胶板单层厚度、钢板平面尺寸、橡胶剥离后的技术性及钢板与橡胶层粘结情况等六项。如果抽检结果一旦判定某一组检验件中有两件或两件以上不能满足要求，则判断该批支座不合格。如果只有一件不能满足要求，则继续从该批支座中随机再抽取双倍数量进行复检，若仍有一件不合格，则判断本批支座不合格。对支座安装质量相关的桥梁墩台帽、预埋钢板顶面、垫石顶面及桥梁地面支座位置在浇筑时要做到清洁、平整、强度不低于设计或C30以上。支座位置标高力求准确无误，在平坡状态下，同一片梁的两端在各支座下的标高应处于同一平面内。不同支座或同一支座各点高差允许值需按标准规范执行。墩台帽或梁板上的锲型垫块需与主体混凝土同时浇筑，以避免二次补做。此外，形状尺寸、标高必须达到设计要求，不可随意制作或取消。支座安装时则要避免出现偏压受力、过大初始剪切变形、梁板或墩台与支座脱空、接触不紧密甚至偏歪等现象发生。最后需要强调的是实践中经常出现的养护不周的情况应如何解决。很多时候，在桥梁建成交付使用后，常常由于种种原因对整个桥梁养护不及时、不彻底，尤其是对板式橡胶支座这个重