公路桥梁支座简介.ppt

第六章桥梁支座 第一节概述 第二节桥梁支座的类型和构造 第三节桥梁支座的设计和计算 第一节概述 一 支座的作用和要求 二 支座的分类 三 支座的布置原则 四 支座的选用 一 支座的作用和要求 支座设置在桥梁的上部结构与墩台之间 它的作用是 2 保证结构在活载 温度变化 混凝土收缩和徐变等因素作用下能自由变形 以使上 下部结构的实际受力情况符合结构的静力图式 适应变形 1 传递上部结构的支承反力 包括恒载和活载引起的竖向力和水平力 传递荷载 6 1简支梁的静力图示 二 支座的分类 1 按其变位的可能性 2 按材料分 固定支座 活动支座 竖向力 水平力 竖向力 简易支座 钢支座 橡胶支座 板式橡胶支座盆式橡胶支座 钢筋混凝土支座 固定支座活动支座固定支座传递竖向力和水平力 允许上部结构在支座处能自由转动但不能水平移动 活动支座则只传递竖向力 允许上部结构在支座处既能自由转动又能水平移动 活动支座又可分为多向活动支座 纵向 横向均可自由移动 和单向活动支座 仅一个方向可自由移动 1 按其变位的可能性 大致可分为 简易支座钢支座钢筋混凝土支座橡胶支座特种支座 如减震支座 拉力支座等 2 按材料分 1 对于有坡桥跨结构 宜将固定支座布置在标高低的墩台上 三 支座的布置原则 2 对于连续梁桥及桥面连续的简支梁桥 为使全梁的纵向变形分散在梁的两端 宜将固定支座设置在靠近桥跨中心 三 支座的布置原则 3 对于简支梁 一端固定 一端活动 三 支座的布置原则 对于特别宽的梁桥 因为要考虑支座横桥向移动的可能性 支座布置如图示 即在固定墩上设置一个固定支座 相邻的支座设置为横向可动 纵向固定的单向活动支座 而在活动墩上设置一个纵向活动支座 与固定支座相对应 其余均设置多向活动支座 4 曲线梁桥的支座布置会直接影响到梁的内力分布 同时 支座的布置应使其能充分适应曲梁的纵 横向自由转动和移动的可能性 通常宜采用球面支座 且为多向活动支座 三 支座的布置原则 四 支座的选用 应根据桥梁结构的跨径 支点反力的大小 梁体的变形程度 对建筑高度的要求 适应单向和多向位移及其位移量的需要 以及防震 减震的需要等因素来选取支座类型 中小跨度公路桥一般采用板式橡胶支座 大跨度连续梁桥一般采用盆式橡胶支座 第二节桥梁支座的类型和构造 一 简易垫层支座 二 钢支座 三 钢筋混凝土支座 四 橡胶支座 五 拉力支座 一 简易垫层支座 简易支座是指在梁底和墩台顶面之间设置垫层来支承上部结构 简易支座仅适于跨度10m以下的公路桥 由于这种支座自由伸缩性差 为避免主梁端部和墩台混凝土拉裂 宜在支座部位的梁端和墩台顶面布设钢筋网加强 二 钢支座 铸钢支座 构造复杂 用钢量大 高度大 定期养护 2 新型钢支座 钢支座是靠钢部件的滚动 摇动和滑动来完成支座的位移和转动的 1 铸钢支座 1 平板支座 2 弧形支座 3 摇轴支座 4 辊轴支座 铸钢支座使用碳素钢或优质钢经过制模 翻砂 铸造 热处理 机械加工和表面处理制成 是一种传统形式的支座 各类支座基本上都由可以相对摆动的所谓上 下摆组成 摇轴与辊轴支座还包括摇轴 可以看作下摆 辊轴与底板 平板支座的上 下摆就是两块平板 固定支座的上 下平板间用钢销固定 活动支座只将上平板销孔改成长圆形 平板支座构造简单 加工容易 但反力不集中 梁端不能自由转动 伸缩时要克服较大的摩阻力 故只适用于小跨度的梁 1 平板支座 弧形支座是将平板支座上 下摆的平面接触改为弧面接触 其它完全一样 这样 反力便能集中传递 梁端也能自由转动 但伸缩时仍要克服较大的摩阻力 所以仍只适用于较小跨度的梁 2 弧形支座 跨度20m左右的梁 下摆加高 做成类似钢轨的截面形式 两侧用肋加强 这样 下摆底部可以其有较大的面积 摆身有足够的刚性 可将较大的支承反力均匀分布于墩台顶垫石面上 活动支座应采用图右边所示的摇轴支座 摇轴支座能很理想地满足活动支座的各项要求 如果摇轴的直径可以任意加大 它的承载能力从理论上讲是没有限制的 但支承反力愈大 相应要求摇轴的直径也愈大 这就使支座高度变得很大 3 摇轴支座 3 摇轴支座 为了克服摇轴支座的缺点 跨度更大的梁 可以采用辊轴支座 它相当于将固定支座放在一些钢辊子上 辊轴支座除了能很好地满足活动支座的各项要求外 由于反力是通过若干辊轴压在底板上的 因此辊子的直径可以随其个数的增多而减小 反力也可分散而均匀地分布到墩台垫石面上 辊轴支座适用于各种大型桥梁 辊轴的个数视承载力大小而定 一般为2 10个 4 辊轴支座 4 辊轴支座 以上各式铸钢支座能较好地适应不同跨度桥梁的要求 但支座构造复杂 用钢量大 大型辊轴支座可高达数米 当弧面半径很大时 若积有污垢 就转动不灵 需要定期养护 目前公路桥梁已较少采用铸钢支座 铁路桥梁也开始使用其他类型支座 如盆式橡胶支座 采用不锈钢或高级合金钢支座 并封闭在油箱内 以防生锈 对承受接触应力的部分进行表面硬化处理 以提高其容许承载力 将支座的转动部分制成钢制或黄铜制成的球冠形 在钢制球冠的上 下分别设置聚四氟乙烯板 构成球面 型 支座 2新型钢支座 主要形式 不锈钢或合金钢支座 滑板钢支座 球面支座 球面支座 钢筋混凝土摆柱式支座 跨径大于或等于20m的公路梁桥 或跨径大于13m的公路悬臂梁桥的挂孔 它的水平位移量较大 承载力为5500kN左右 摩阻系数为0 05 钢筋混凝土摆柱放在梁底与支承垫石之间 它的上下两端各放弧形固定钢支座一座 摆柱由C40 C50混凝土制成 三 钢筋混凝土支座 橡胶支座与其它金属刚性支座相比 具有构造简单 加工方便 节省钢材 造价低 结构高度小 安装方便等一系列优点 此外 橡胶支座能方便地适应任意方向的变形 故对于宽桥 曲线桥和斜桥具有特别的适应性 橡胶的弹性还能消减上 下部结构所受的动力作用 这对于抗震也十分有利 在桥梁工程中使用的橡胶支座大体上可分为两类 即板式橡胶支座和盆式橡胶支座 四 橡胶支座 板式橡胶支座 四氟滑板式橡胶支座 球冠圆板式橡胶支座 可克服安装后产生的偏压 脱空现象 对坡桥 无需在梁底进行调平 1 板式橡胶支座 变形机理 1 不均匀弹性压缩实现转动 2 剪切变形实现水平位移 3 无固定和活动支座之分 显然橡胶支座水平位移和转动变形的大小与支座的厚度有关性能指标 1 容许应力 2 弹性模量和剪切模量 3 容许剪切的正切值 适用范围 支座反力为3000 10000kN的桥梁 无加劲层的纯橡胶支座 由于其容许压应力甚小 约为3000kPa 故只适合于小跨径桥梁 常用的板式橡胶支座都用几层薄钢板或钢丝网作为加劲层 其抗压容许应力可以达到8 10MPa 而加劲物对橡胶板的转动变形和剪切变形几乎没有影响 加劲板式橡胶支座的承载能力可达2000 10000kN 目前已广泛用于中 小跨度的公路及铁路桥梁 1 板式橡胶支座 板式橡胶支座代号表示方法 如GJZ300 400 47 CR 表示公路桥梁矩形 平面尺寸300 400 厚度为47的氯丁橡胶支座 又如GYZF4300 54 NR 表示公路桥梁圆形 直径300 厚度为54 带聚四氟乙烯滑板的天然橡胶支座 1 板式橡胶支座 板式橡胶支座的构造 常见矩形板式橡胶支座的尺寸 12 14cm15 18cm15 20cm厚度 28 51mm 竖向支撑反力3000 10000kN材料有氯丁橡胶 天然橡胶 三元乙丙橡胶三种 式中a0 顺桥向橡胶支座钢板的长度 短边 b0 横桥向橡胶支座钢板的长度 长边 t 中间层单层橡胶片厚度 d0 圆形支座钢板直径 a t 形状系数S 支座的物理力学性能 圆形 在用作活动支座的橡胶板顶面贴一片聚四氟乙烯板 再在聚四氟乙烯板与梁底之间垫上一块光洁度很高的不锈钢薄板 由于聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的摩阻力极小 摩擦系数小于0 06 故可利用它们之间的滑动来满足活动支座位移的需要 四氟滑板式橡胶支座 1 板式橡胶支座 其他板式橡胶支座 聚四氟板式橡胶支座1 上支座板 2 不锈钢板 3 聚四氟乙烯板 4 防护罩 5 A3钢板 6 橡胶 球冠圆板式橡胶支座 可克服安装后产生的偏压 脱空现象 对坡桥 无需在梁底进行调平 适于纵横坡较大 3 5 的立交桥及高架桥 1 板式橡胶支座 其他板式橡胶支座 坡型板式橡胶支座 盆式橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上进一步改进后更为完善的一种橡胶支座 它与板式橡胶支座的主要区别在于 它不是利用置于橡胶中的加劲物来加强橡胶 而是将素橡胶板置于圆形钢盆内来加强橡胶 橡胶在受压后的变形由于受钢盆的约束 处于三向受压状态 只要钢盆不破坏 橡胶就永远不会丧失承载力 这时橡胶的容许抗压强度可以进一步提高到25MPa 密封在钢盆内的橡胶板 可以做适度不均匀压缩来实现转动 如果再加上聚四氟乙烯板和不锈钢板 则还可以实现水平位移 2 盆式橡胶支座 因此 盆式橡胶支座可做成固定支座 也可做成活动支座 活动支座又可为多向活动支座和单向活动支座 常用盆式橡胶支座的构造 它是由上支座板不锈钢板 聚四氟乙烯 PTFE 板 圆钢盆 橡胶板 紧箍圈 防水圈和下支座板等组成 盆式橡胶支座具有很大的承载能力 水平位移量大 摩擦系数小 支座建筑高度低 节省钢材 在同样的载重下 它的体积 高度 和重量不到钢支座的1 10 而且 它在纵向及横向均可转动和移动 在功能上优于钢支座 能满足宽桥对支座横向也要能转动及伸缩的要求 图6 13GPZ和TPZ盆式橡胶支座实物照片 盆式橡胶支座构造要点 单位 mm 盆式橡胶支座代号表示方法 例 GPZ35DX表示GPZ系列中设计承载力为35MN的单向活动的常温型盆式支座GPZ50GD表示GPZ系列中设计承载力为50MN的固定的常温型盆式支座 GPZ表示由我国交通部中交公路规划设计院设计的系列盆式橡胶支座 TPZ 1则表示我国铁道部科学研究院设计的系列盆式橡胶支座 成品盆式橡胶支座的选配 成品盆式橡胶支座的系列成品盆式橡胶支座的主要系列有 GPZ TPZ 1等 其中 GPZ表示由我国交通部中交公路规划设计院设计的系列盆式橡胶支座 TPZ 1则表示我国铁道部科学研究院设计的系列盆式橡胶支座 另外 还有其它科研院所设计的类同系列的盆式橡胶支座 这些系列支座 适用于各类桥梁及具类似受力与变形特性的工程结构 并非有明确的公路 铁路或其它工程结构之分 各种系列的盆式橡胶支座吨位一般从1000起至20000kN 最多分为近40个级 并以DX SX GD分别表示单向 双向活动支座及固定支座 而GDZ则为抗震型固定支座的代号 成品盆式橡胶支座的地区适用性成品盆式橡胶支座的适用地区应考虑温度和地震两个因素 以确定适配常温型或耐寒型支座和采用何种震型支座或抗震措施 各种类型成品盆式橡胶支座的合理选配盆式橡胶支座能否适用于所设计的桥梁 当然首先考虑的是其容许转角及水平能承受的推力能否满足要求 一般来说 GPZ TPZ 1等系列的支座对这两个要求均能满足 若转角和水平推力超出容许范围 则需要改变支座的设计 转角特大 可采用球型支座 关于在桥梁设计中支座如何合理选用问题 即究竟选用何种类型的支座 则需根据桥梁结构图式的要求决定 当然 在一般情况下 固定端选用固定支座 活动端选用活动支座 但若横桥向伸缩值不容忽视的时候 结构图式的固定端就不能单一采用GD类型的支座 这是由于现代桥梁的桥面越来越宽 超过20已屡见不鲜 这时由温度等因素引起的横桥向伸 缩量便不可忽略了 有的可达到中等跨径桥梁纵向的伸缩量 为保证梁不发生纵向位移 又能满足多梁式宽桥的横桥向位移 这时可将单方向活动支座转过90 横置梁下 使其顺桥向起固定支座的作用下 而横桥向则起活动支座的作用 成品盆式橡胶支座承载能力的合理选择支座承载力大小的选择 应根据桥梁恒载 活载的支点反力之和及墩台上设置的支座数目来计算 合适的支座一般为 最大反力不超过支座容许承载力的5 最小反力不低于容许承载力的80 规定最小反力的目的是保证支座具有良好的滑移性能 因为聚四氟乙烯板的磨擦系数与压力成反比 如果低于规定的数值 则磨擦系数将会增大 支座选配时 一般不必过多担心支座的安全储备 比如计算得到一个支座的最大反力为4100 最小反力为3700 那就选用承载力为4000的支座 这是因为4000支座的允许支反力变化范围是3200 4200 不要从更安全的角度考虑加大支座的承载力而选用5000的支座 因为5000支座最低合适的承载力是4000 而最小支反力3700已小于此值 故不适宜选用 虽然我们规定最大反力 不超过容许承载力的5 但支座实际的安全系数一般在5 以上 固定与滑动盆式橡胶支座 多向活动支座 DX 纵向活动支座 ZX 固定支座 GD 5 其它支座 QGZ球型钢支座 QGZ球型钢支座 除上述常规支座外 还有一些适合于特殊用途的支座 如拉力支座 铅芯橡胶支座 测力及调高支座等 拉力支座除可正常转动和滑动外 还可承受垂直方向的拉力 负反力 铅芯橡胶支座是在普通板式橡胶支座中设置圆柱形铅芯 以改善支座的阻尼特性 减小地震对桥梁墩台的作用 在抗震型盆式橡胶支座中 通过增设减震橡胶条也能达到一定的减震隔震效果 测力支座除具有普通盆式橡胶支座的所有功能外 还能准确地测定支座反力 在基础可能发生大的沉陷或支座受力不均时 可采用调高支座在一定范围内对支座高度进行调整 第三节支座的设计与计算 l 支座受力与变位分析 2 板式橡胶支座的设计与计算 l 支座受力与变位分析 l 受力分析 2 位移分析 在进行桥梁支座的设计时 首先必须求得每个支座上所承受的竖向力和水平力以及需适应的位移和转角 然后 根据它们来选定支座的各部尺寸并进行强度 稳定等各项验算 作用于支座上的竖向力有结构自重的反力 活载的支点反力及其影响力 在计算活载的支点反力时 要按照最不利位置加载 并计入冲击效应 当支座可能会出现上拔力 负反力 时 应分别计算支座的最大竖向力和最大上拔力 例如 当连续梁边跨较小而中跨较大时 或桥跨结构承受较大的横向风力时 支座锚栓会受到负反力作用 l 受力分析 作用于支座上的水平力包括纵向水平力和横向水平力 正交直线桥梁的支座 一般仅需计算纵向水平力 对斜桥和弯桥还需要计算离心力或风力所产生的横向水平力 支座上的纵向水平力 包括由列车或汽车荷载的制动力 牵引力 风力 支座摩阻力或温度变化支座变形所引起的水平力以及其它原因如桥梁纵坡产生的水平力 直线桥梁的支座 一般仅需计入纵向水平力 汽车荷载产生的制动力 应按照公路桥涵设计规范要求 根据车道数确定 刚性墩台各种支座传递的制动力 按规范中的规定采用 其中 规定每个活动支座传递的制动力不得大于其摩阻力 当采用厚度相等的板式橡胶支座时 制动力可平均分配至各支座 位于地震区的桥梁支座的设计计算 应根据设计的地震烈度 按铁路或公路抗震设计规范的规定进行 支座的水平位移包括纵向位移和横向位移 支座纵向位移有温度伸缩位移 混凝土收缩徐变变位 活载作用下梁体下翼缘伸长 下部结构的位移等 支座横向位移有温度 混凝土收缩徐变变位 下部结构横向位移 斜桥和弯桥荷载引起的横向变位等 支座沿纵向的转角有结构自重和活载产生的的梁端转角 混凝土收缩徐变产生的梁端转角 因下部结构变位产生的梁端转角等 把以上各项支座反力和变位的计算结果按桥规的规定进行组合 就可为支座的设计提供了计算数据 2 位移分析 2 板式橡胶支座的设计与计算 1 确定平面尺寸a b 2 确定厚度h 3 计算支座转角 验算支座不脱空条件 4 验算支座的抗滑性能 1 确定平面尺寸a b 根据橡胶板与支承垫石混凝土的压应力不超过它们的容许承压应力 确定axb 一般由橡胶支座控制设计 Nmax 支座压力标准值 汽车荷载应计入冲击系数 橡胶支座的平均容许压应力 A 橡胶支座平面面积 矩形支座为axb 当形状系数S 8时 当形状系数5 S 8时 2 确定厚度h 梁式桥的主梁由温度变化等因素在支座处产生的纵向水平位移 依靠全部橡胶片 t的剪切变形来实现 与 t的关系为 由 有 tan 橡胶片容许剪