解读桥梁支座构造设计与计算

桥梁支座、墩台与基础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。(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；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固定支座传递竖竖向力和水平力力，允许上部结结构在支座处能能自由转动但不不能水平移动；；活动支座则只传传递竖向力，允允许上部结构在在支座处既能自自由转动又能水水平移动。活动支座又可分分为多向活动支支座(纵向、横向均可可自由移动)和单向活动支座座(仅一个方向可自自由移动)。1.按其变位的可能能性分:大致可分为:简易支座钢支座钢筋混凝土支座座橡胶支座特种支座(如减震支座、拉拉力支座等）2.按材料分固定支座和活动动支座的布置，，应以有利于墩墩台传递纵向水水平力为原则：：(1)对于桥跨结构，，最好使梁的下下缘在水平力的的作用下受压，，从而能抵消一一部分竖向荷载载在梁下缘产生生的拉应力。(2)对于桥墩，应尽尽可能使水平力力的方向指向河河岸，以使桥墩墩顶部在水平力力作用下不是受受拉。(3)对于桥台，应应尽可能使水水平力的方向向指向桥墩中中心，以使桥桥台顶部受压压，并能平衡衡一部分台后后土压力。三、支座的布布置原则(1)对于有坡桥跨跨结构，易将将固定支座布布置在标高低低的墩台上(2)对于连续梁桥桥及桥面连续续的简支梁桥桥，为使全粱粱的纵向变形形分散在梁的的两端，宜将将固定支座设设置在靠近桥桥跨中心；但但若中间支点点的桥墩较高高或因地基受受力等原因，，对承受水平平力十分不利利时，可根据据具体情况将将固定支座布布置在靠边的的其它墩台上上(3)对于特别宽的的梁桥，尚应应设置沿纵向向和横向均能能移动的活动动支座。对于于弯桥则应考考虑活动支座座沿弧线方向向移动的可能能性。对于处处在地震地区区的梁桥，其其支座构造还还应考虑桥梁梁防震的设施施，通常应确确保由多个桥桥墩分担水平平力。四、支座的布布置注意事项项：桥梁支座的布布置方式，主主要根据桥梁梁的结构形式式及桥梁的宽宽度确定。简支梁桥一端端设固定支座座，另一端设设活动支座。。铁路桥梁由由于桥宽较小小，支座横向向变位很小，，一般只需设设置单向活动动支座(纵向活动支座座)，如图6-1所示(图中箭头所指指表示支座活活动方向，无无箭头者表示示不能活动)。公路T形梁桥由于桥桥面较宽，因因而要考虑支支座横桥向移移动的可能性性、支座布置置如图6-2所。即在固定定墩上设置一一个固定支座座，相邻的支支座设置为横横向可动、纵纵向固定的单单向活动支座座，而在活动动墩上设置一一个纵向活动动支座(与固定支座相相对应)，其余均设置置多向活动支支座。图6-1铁路简支梁桥桥支座布置图图6-2公路简支梁桥桥支座布置连续梁桥每联联只设一个固固定支座。为为避免梁的活活动端伸缩缝缝过大，固定定支座宜置于于每联的中间间支点上。但但若该处墩身身较高，则应应考虑避开，，或采取特殊殊措施，以避避免该墩身承承受水平力过过大。其支座座布置如图6-3所示。曲线连续梁桥桥的支座布置置会直接影响响到梁的内力力分布，同时时，支座的布布置应使其能能充分适应曲曲梁的纵、横横向自由转动动和移动的可可能性。通常常宜采用球面面支座，且为为多向活动支支座，此外，，曲线箱梁中中间常设单支支点支座，仅仅在一联梁的的端部(或桥台上)设置双支座，，以承受扭矩矩。有意将曲曲梁支点向曲曲线外侧偏离离，可调整曲曲梁的扭矩分分布图6-4为曲线梁支座座布的示意图图。当桥梁位于坡坡道上时，，固定支座座应设在较低低一端以使使梁体在竖向向荷载沿坡追追方向分力的的作用下受压压，以便能抵抵消一部分竖竖向荷载产生生的梁下缘拉拉力；当桥梁梁位于平坡上上时固定定支座宜设在在主要行车方方向的前端。。桥梁的使用用效果与与支座能否否准确地发发挥其功能能有着密切切的关系，，因此在在安放支座座时应使上上部结构的的支座位置置与下部结结构的支座座中线对中中，但绝绝对的对中中是很难做做到的因此此，要注意意使可能的的偏心在允允许的范围围内，不不致影响支支座的正常常工作。正确地确定定支座所承承受的荷载载和活动支支座的位移移量，关系系到支座的的使用寿命命。一般而而言，固定定支座除承承受竖向压压力外，还还必须能承承受水平力力，其中包包括可能产产生的制动动力、、风力、活活动支座的的摩阻力、、主梁弹弹性挠曲对对支座的拉拉力等。这这些水平力力总是应当当偏大地取取用，且要要求支座伸伸至上、下下部结构构中进行锚锚固或销结结。对于弯弯、斜斜和宽桥，，支座的受受力比较复复杂，需要要认从三个个坐标方向向去研究、、即使是在在同一支座座位置，不不同的部位位在受力上上可能会有有很大的差差别。位移量的计计算要考虑虑各种可能能出现的工工况。（1）对温差产产生的位移移要有足足够的估计计。（2）桥梁的挠挠曲、基础础的不均匀匀沉降都会会产生纵向位移，对对于高桥墩墩，墩顶位位移可通过过活动支座座上的挡块加加以限制，，它能使基基底反力变变化，并且且阻止不均匀沉沉降；（3）由于一些些不可估计计的因素，，通常计算算的位移量宜乘以1.3左右的安全全系数。。梁桥支座的的支承面一一般是水平平的。图6-3连续梁支座布布置图6-4幻灯片6曲线连续梁支座座布置第二节桥桥梁支座的的类型和构造一、简易垫层支支座二、钢支座三、钢筋混凝支支座四、橡胶支座五、拉力支座一、简易垫层支支座简易支座是指在在梁底和墩台顶顶面之间设置垫垫层来支承上部部结构。垫层可可用油毛毡、石石棉板或铅板等等做成，利用这这些材料比较柔柔软又具有一定定强度的特性来来适应梁端比较较微小的转动与与伸缩变形的要要求，并承受支支点荷载。固定定的一端，加设设套在铁管中的的锚钉锚固。锚锚钉预埋在墩台台帽内。简易支座仅适于于跨度10m以下的公路桥和和4m以下的铁路板桥桥。由于这种支支座自由伸缩性性差，为避免主主梁端部和墩台台混凝土拉裂，，宜在支座部位位的梁端和墩台台顶面布设钢筋筋网加强。二、钢支座1.铸钢支座2.特殊钢支座钢支座是靠钢部部件的滚动、摇摇动和滑动来完完成支座的位移移和转动的。特点：承载能力力强,能适应桥梁的位位移和转动的需需要,目前仍广泛应用用于铁路桥梁。。钢支座常用的的有铸钢支座和和特种钢支座。。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碳素钢或优质钢钢经过制模、翻翻砂、铸造、热热处理、机械加加工和表面处理理制成、是一种种传统形式的支支座。各类支座基本上上都由可以相对对摆动的所谓谓上、下摆组成成。摇轴与辊轴轴支座还包括摇摇轴(可以看作下摆摆)、辊轴与底板板。图6-5(a)所示平板支座座的上、下摆摆就是两块平平板。固定支支座的上、下下平板间用钢钢销固定。活活动支座只将将上平板销孔孔改成长圆形形。平板支座构造造简单、加工工容易，但反反力不集中，，梁端不能自自由转动,伸缩时要克服服较大的摩阻阻力，故只适适用于小跨度度的梁。（1）平板支座图6-5(b)所示弧形支座座是将平板支支座上、下摆摆的平面接触触改为弧面接接触，其它完完全一样。这这样，反力便便能集中传递递，梁端也能能自由转动。。但伸缩时仍仍要克服较大大的摩阻力、、所以仍只适适用于较小跨跨度的梁。（2）弧形支座座跨度大于20m左右的梁，，固定支座座就得改用用图6-5(c)或(d)左边的式样样，将下摆摆加高，做做成类似钢钢轨的截面面形式，两两侧用肋加加强。这样样，下摆底底部可以其其有较大的的面积，摆摆身有足够够的刚性，，可将较大大的支承反反力均匀分分布于墩台台顶垫石面面上。活动动支座应采采用图6-5(c)右边所示的的摇轴支座座，或图6-5(d)右边所示的的辊轴支座座。摇轴支支座由上摆摆、底板和和两者之间间的辊子组组成。将圆圆辊多余部部分削去成成为扇形，，就是所谓谓摇轴。摇摇轴支座能能很理想地地满足活动动支座的各各项要求。。如果摇轴轴的直径可可以任意加加大它的承承载能力从从理论上讲讲是没有限限制的。但但支承反力力愈大，相相应要求辊辊子(摇轴)的直径也愈愈大,这就使支座座高度变得得很大。(3)摇轴支座为了克服摇摇轴支座的的缺点，跨跨度更大的的梁，可以以采用辊轴轴支座，它它相当于将将图6-5(c)左边的固定定支座放在在一些钢辊辊子上。辊辊轴支座除除了能很好好地满足活活动支座的的各项要求求外，由于于反力是通通过若干辊辊轴压在底底板上的，，因此辊子子的直径可可以随其个个数的增多多而减小，，反力也可可分散而均均匀地分布布到墩台垫垫石面上。。辊轴支座座适用于各各种大型桥桥梁。辊轴轴的个数视视承载力大大小而定,一般为2~10个。以上各式铸铸钢支座能能较好地适适应不同跨跨度桥梁的的要求。但但钢支座构构造复杂，，用钢量大大，大型辊辊轴支座可可高达数米米。当弧面面半径很大大时，若积积有污垢，，就转动不不灵，需要要定期养护护。目前公公路桥梁已已较少采用用铸钢支座座，铁路桥桥梁也开始始使用其它它类型支座座，如橡胶胶支座。（4）辊轴支座座图6-6铸钢支座类类型示意图图①采用不锈钢钢或高级合合金钢支座座，并封闭闭在油箱内内，以防生生锈;②对承受接触触应力的部部分进行表表面硬化处处理，以提提高其容许许承载力;③将支座的转转动部分制制成钢制或或黄铜制成成的球冠形形，在钢制制球冠的上上、下分别别设置聚四四氟乙烯板板，构成球球面(型)支座。(2)特种钢支座座特种钢支座主主要采用以下下几种形式:三、钢筋混凝凝土支座1.钢筋混凝土摆摆柱式支座2.混凝土铰1.钢筋混凝摆柱柱式支座钢筋混凝土摆摆柱式支座可可用于跨径大大于或等于20m的公路梁桥，，或跨径大于于13m的公路悬臂梁梁桥的挂孔。。它的水平位位移量较大，，承载力为5500kN左右，摩阻系系数为0.05。钢筋混凝土摆摆柱放在梁底底与支承垫石石之间，它的的上下两端各各放弧形固定定钢支座一座座。摆柱由40~50号混凝土制成成，柱体内一一般按含筋率率约为0.5%左右配置竖向向钢筋，同时时要配置水平平钢筋网，以以承受支座受受竖向压力时时所产生的横横向拉力。2.混凝土铰混凝土铰有各各种类型。桥桥梁上常用弗弗莱西奈铰，，它是利用颈颈缩部分混凝凝土的双向或或三向应力状状态而使其承承压能力提高高，并可沿铰铰竖向轴线作作少量转动。。混凝土铰是是最简单、也也是最便宜的的中心可转动动的支座，其其构造见图6-9。混凝土铰需要要在铰颈上、、下设置足以以抵抗横向拉拉应力的钢筋筋,铰颈高度为铰铰颈宽度的1/2~1/3。铰颈部分应应做成顺滑的的抛物线形，，铰颈两旁可可用玛缔脂或或沥青材料填填塞。混凝土铰曾多多次在大跨径径桥梁中采用用，支承反力力可达10000kN。它的优点是是支座高度小小，构造简单单，用钢量少少;缺点是不能抵抵抗拉力，不不能调整高度度，转动量少少，不便于更更换和修理。。图6-6克劳茨高级钢钢支座橡胶支座与其其它金属刚性性支座相比，，具有构造简简单、加工方方便、节省钢钢材、造价低低、结构高度度小、安装方方便等一系列列优点。此外外，橡胶支座座能方便地适适应任意方向向的变形，故故对于宽桥、、曲线桥和斜斜桥具有特别别的适应性。。橡胶的弹性性还能消减上上、下部结构构所受的动力力作用，这对对于抗震也十十分有利。在桥梁工程中中使用的橡胶胶支座大体上上可分为两类类，即板式橡橡胶支座和盆盆式橡胶支座座。四、橡胶支座座（1）板式橡胶支支座（2）盆式橡胶支支座板式橡胶支座座是仅用一块块橡胶板做成成的适用于中中、小跨度桥桥梁的一种简简单橡胶支座座。它的活动机理理是：利用橡橡胶的不均匀匀弹性压缩实实现转角，利利用其剪切变变形实现水平平位移，见图图6-10(c)。因橡胶与钢或或混凝土之间间有足够大的的摩阻力(摩擦系数0.25~0.40）橡胶板与梁梁底和墩台顶顶之间一般无无须连接。在在墩台顶部，，需铺设一层层砂浆，以保保证支座放置置平稳(图6-10a)。采用橡胶支支座可以不设设固定支座，，所有水平力力由各个支座座均匀分担，，必要时也可可采用不等高高的橡胶板来来调节各支座座传递的水平平力。（1）板式橡胶支支座无加劲层的纯纯橡胶支座、、由于其容许许压应力甚小小，约为3000kPa，故只适合于小小跨径桥梁。常用的板式橡胶胶支座都用几层层薄钢板或钢丝丝网作为加劲层层(见图6-10b)。由于橡胶片之之间的加劲层能能起阻止橡胶片片侧向膨胀的作作用，从而显著著提高了橡胶片片的抗压强度和和支座的抗压刚刚度，其抗压容容许应力可以达达到8~10MPa，而加劲物对橡橡胶板的转动变变形和剪切变形形几乎没有影响响。加劲板式橡橡胶支座的承载载能力可达2000-8000kN，目前已广泛用用于中`小跨度的公路及及铁路桥梁。国内使用的橡胶胶以氯丁橡胶为为主，也可采用用天然橡胶。氯氯丁橡胶的使用用温度不低于-25℃，天然橡胶不低低于-40℃。橡胶的硬度、压压缩弹性模量E、剪切弹性模量量G、容许压应力[σ]容许剪切角的正正切[tanγ]等，应按桥梁的的使用级别按现现行《铁桥规》或《公桥规》的有关规定取用用。根据试验分析，，橡胶压缩弹性性模量、容许压压应力和容许剪剪切角的值，均均与支座的形状状系数有关。形形状系数S为加劲板式橡胶胶支座的承压面面积与自由表面面积之比，即式中a——顺桥向橡胶支座座的长度；b——横桥向橡胶支座座的长度；h——橡胶层的厚度图6-10加劲板式橡胶支支座图6-12盆式橡胶支座的的一般构造（尺尺寸单位：mm）当活动支座的位位移量较大时，，要使橡胶板产产生相应较大的的剪切变形，就就必须增加橡胶胶板的厚度。这这样一则多耗材材料，再则支座座不稳,而且相邻支座厚厚度可能不一，，车辆驶过时会会产生高差，行行车不顺。为克服这一缺缺点，可在用用作活动支座座的橡胶板顶顶面贴一片聚聚四氟乙烯板板，再在聚四四氟乙烯板与与梁底之间垫垫上一块光洁洁度很高的不不锈钢薄板。。由于聚四氟氟乙烯板与不不锈钢板之之间的摩阻力力极小(摩擦系数小于于橡胶支支座0.04）故可利用形状系数——用来表示支座座的形状特征征。为满足橡胶的的容许压应力力和使支座能能适应转动的的要求，支座座的长度a与宽度b之比取决于主主梁下的有效效宽度及所需需的剪切角。。一般应充分利用有有效宽度b，而尽可能减小a的尺寸，以降低阻阻抗力矩。图6-11聚四氟板式橡胶支支座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-橡胶盆式橡胶支座是在在板式橡胶支座的的基础上进一步改改进后更为完善的的一种橡胶支座。。它与板式橡胶支座座的主要区别在于于：它不是利用置置于橡胶中的加劲劲物来加强橡胶，，而是将素橡胶板板置于圆形钢盆内内来加强橡胶。橡胶在受压后的变变形由于受钢盆的的约束，处于三向向受压状态，只要要钢盆不破坏，橡橡胶就永远不会丧丧失承载力。这时时橡胶的容许抗压压强度可以进一步步提高到25MPa。密封在钢盆内的的橡胶板，可以做做适度不均匀压缩缩来实现转动，如如果再加上聚四氟氟乙烯板和不锈钢钢板，则还可以实实现水平位移。（2）盆式橡胶支座座因此，盆式橡胶支支座可做成固定支支座，也可做成活活动支座，活动支支座又可为多向活活动支座和单向活活动支座。常用盆式橡胶支座座的构造如图6-12。它是由上支座板板不锈钢板、聚四四氟乙烯(PTFE)板、圆钢盆、橡胶胶板、紧箍圈、防防水圈和下支座板板等组成。盆式橡胶支座具有有很大的承载能力力，水平位移量大大，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)和重量不到钢支座座的1/10；而且，它在纵向向及横向均可转动动和移动,在功能上优于钢支支座、能满足宽桥桥对支座横向也要要能转动及伸缩的的要求。图6-13GPZ和TPZ盆式橡胶支座实物物照片盆式橡胶支座构造造要点1.钢盆2.承压橡胶板3.钢衬板4.聚四氟乙烯烯板5.上支座板6.不锈钢滑板板7.钢紧箍圈8.密封胶圈固定与滑动动盆式橡胶胶支座多向活动支支座（DX）纵向活动支支座（ZX）固定支座（（GD）5、其它支座座QGZ球型钢支座座QGZ球型钢支座座三、支座的的设计与计计算l.支座受力与与变位分析析2.钢支座的设设计与计算算3.板式橡胶钢钢支座的设设计与计算算l.支座受力与与变位分析析(l)受力分析(2)位移分析在进行桥梁梁支座的设设计时，首首先必须求求得每个支支座上所承承受的竖向向力和水平平力以及需需适应的位位移和转角角。然后，，根据它们们来选定支支座的各部部尺寸并进进行强度、、稳定等各各项验算。。作用于支座座上的竖向向力有结构构自重的反反力、活载载的支点反反力及其影影响力。在计算活载载的支点反反力时，要要按照最不不利位置加加载，并计计入冲击效效应。当支支座可能会会出现上拔拔力(负反力)时，应分别别计算支座座的最大竖竖向力和最最大上拔力力。例如，当连连续梁边跨跨较小而中中跨较大时时，或桥跨跨结构承受受较大的横横向风力时时，支座锚锚栓会受到到负反力作作用。(l)受力分析作用于支座座上的水平平力包括纵纵向水平力力和横向水水平力。正交直线桥桥梁的支座座，一般仅仅需计算纵纵向水平力力。对斜桥和弯弯桥还需要要计算离心心力或风力力所产生的的横向水平平力；对铁路桥梁梁，还需要要计算由列列车横向摇摇摆力所产产生的横向向水平力。。支座上的纵纵向水平力力，包括由由列车或汽汽车荷载的的制动力(牵引力)、风力、支支座摩阻力力或温度变变化支座变变形所引起起的水平力力以及其它它原因如桥桥梁纵坡产产生的水平平力。列车或汽车的的制动力(牵引力)应分别按照《铁桥规》与《公桥规》的要求确定，，制动力在各各支座上的分分配亦应按各各自规范计算算。位于地震区的的桥梁支座的的设计计算,应根据设计的的地震烈度，，按铁路或公公路抗震设计计规范的规定定进行。支座的水平位位移包括纵向向位移和横向向位移。支座纵向位移移有温度伸缩缩位移、混凝凝土收缩徐变变变位、活载载作用下梁体体下翼缘伸长长、下部结构构的位移等;支座横向位移移有温度、混混凝土收缩徐徐变变位、下下部结构横向向位移、斜桥桥和弯桥荷载载引起的横向向变位等。支座沿纵向的的转角有结构构自重和活载载产生的的梁梁端转角、混混凝土收缩缩徐变产生的的梁端转角`因下部结构变变位产生的梁梁端转角等。。把以上各项支支座反力和变变位的计算结结果按桥规的的规定进行组组合，就可为为支座的设计计提供了计算算数据。(2)位移分析下面以弧型型支座为例例说明钢支支座的设计计计算算方方法。图6-14为弧型支座座的计算图图式。其设设计步骤如如下:2.钢支座的设设计与计算算(1)确定平面尺尺寸a和b(2)确定垫板高高度h(3)确定圆弧曲曲面半径r(4)验算钢销钉钉抗剪强度度确定圆弧弧曲面半径径r根据梁底和和墩台顶面面混凝土的的局部承压压强度要求求而定。目目前局部承承压强度《铁桥规》用容许应力力法计算,《公桥规》用极限状态态法计算。。(1)确定平面尺尺寸a和b1.容许应力法法计算支座下部局局部承压的的混凝土最最大正应力力——支座的计算算反力；——钢筋混凝土土与素混凝凝土局部承承压容许应应力值；——局部承压面面积；——截面全部面面积；——中心受压时时混凝土的的容许应力力。2.极限状态法计算支座垫块按混凝土土局部承压强度计计算，即a、b——承压钢板的平面边边长，a为顺桥面边长，b为横桥向边长；——混凝土局部承压标标准强度的提系数数；——局部承压面积；——局部承压时按规范范规定采用的计算算面积；——混凝土抗极限压强强度，（同标准强强度）；——混凝土材料安全系系数：——支座的计算反力；；——荷载在支座上产生生的计算反力；——结构的重要性系数数;——荷载安全系数；——荷载组合系数；当图6-14弧形支座计算图示示N——由桥上全部恒载与与活载(包括冲击力)所产生的支承反力力;式中[σw]——铸钢材料的容许弯弯曲应力。(2)确定垫板高度h把垫板作为承受均均布荷载的悬臂梁梁，由梁的最大弯弯矩按容许应力法法确定h。活动支座要考虑由由于温度变化等因因素，上垫板有一一个允许的最大水水平位移小它会引引起附加弯矩，因因此公式变为：(3)确定圆弧曲面半径径r根据赫兹接触应力力公式确定r式中E——铸钢的弹性模量；；N/b1——上下垫板之间的接接触线之间单位长长度上的压力；R——铸钢自由接触时的的容许局部承压力力。(3)确定圆弧曲面半径径r根据赫兹接触应力力公式确定r式中E——铸钢的弹性模量；；N/b1——上下垫板之间的接接触线之间单位长长度上的压力；R、r——接触面上大小圆的的半径；若引入铸钢接触时时的容许局部承压压强度式中——自由接触时钢的径径向承压强度；在此外，当钢板厚厚度h和顺桥向长度a已经确定是时从几几何要求上r应满足：——户型钢板两侧保留留的竖直面高度，，常取(4)验算钢销钉抗剪强强度确定圆弧曲面面半径r式中H——支座摩阻力或制动动力：A——一块齿板或一根销销钉的有效剪切面面积；——销钉容许剪应力。。2.板式橡胶钢支座的的设计与计算（1）确定平面尺寸a、b（2）确定厚度h（3）计算支转角，验验算支座不脱空条条件（4）验算支座的抗滑滑性能（1）确定平面尺寸a、b根据支座厚厚度h与支承垫石石混凝土的的压应力不不超过它们们的容许承承压应力，，确定axb。一般由橡橡胶支座控控制设计Nmax——运营阶段由由桥上全部部恒载与活活载（包括括冲击力））所产生生的最大支支点反力；；[σ]——橡胶支座的的平均容许许压应力；；A——橡胶支座平平面面积，，矩形支座座为axb；当形状系