《桥梁工程(第3版)》课件 第6章 桥梁支座

第6章桥梁支座6.1概述

支座(Bearing)设置在桥梁的上部结构与墩台之间,其作用是把上部结构的各种荷载传递到墩台上,并保证上部结构在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作用下的自由变形,使上、下部结构的实际受力情况符合结构的静力图式。

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桥梁支座按其变位的可能性分成固定支座(Fixedbearing)和活动支座(Movablebearing)两种。固定支座既要将主梁固定在墩台上并传递竖向力和水平力,又要保证主梁发生挠曲时在支承处能自由转动。活动支座仅传递竖向力,同时要保证主梁在支承处既能自由转动又能水平移动。

按照静力图式,简支梁桥应在每跨的一端设置固定支座,另一端设置活动支座。悬臂梁桥的锚固跨也应在一侧设置固定支座,另一侧设置活动支座,挂梁的支座布置与简支梁相同。连续梁桥应在每联中的一个桥墩(或桥台)上设置固定支座,其余墩台上均应设置活动支座。此外,悬臂梁桥和连续梁桥在某些特殊情况下支座需要传递竖向拉力时,应设置能承受竖向拉力的拉力支座。固定支座和活动支座的布置,应以有利于墩台传递纵向水平力为原则。2对于多跨的简支梁桥,相邻两跨简支梁的固定支座不宜集中布置在一个桥墩上;但若个别桥墩较高时,为减小水平力引起的桥墩弯矩,可在其上布置相邻两跨的活动支座。对于坡桥,宜将固定支座设置在标高低的墩台上。对于连续梁桥,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中间的支点处;但若中间支点的桥墩较高或因地基受力等原因,对承受水平力十分不利时,可根据具体情况将固定支座布置在靠边的其他墩台上。

此外,对于特别宽的梁桥,尚应设置沿纵向和横向均能移动的双向活动支座。对于弯桥则应考虑活动支座沿弧线方向移动的可能性。对于处在地震地区的梁桥,其支座构造尚应考虑桥梁防震和减震的设施。36.2支座的类型与构造

桥梁支座,通常用钢、橡胶或钢筋混凝土等材料制作,钢筋混凝土支座由于构造复杂,安装难度大,目前已很少采用。

支座的类型很多,应根据桥梁跨径的长短、支点反力的大小、梁体变形的程度以及对支座结构高度的要求等,视具体情况加以选用,以下为公路桥梁上常用的几种支座类型和构造。4图6.1简易垫层支座56.2.1简易垫层支座

小跨径简支板或简支梁桥可不设专门的支座结构,直接将板或梁的端部支承在由几层油毛毡或石棉做成的简易垫层上面。垫层经压实后的厚度不小于1cm。这种简易垫层自由伸缩变形性能较差,为防止墩、台顶部前缘被压裂,避免上部结构端部和墩或台顶部可能被拉裂,通常应将墩、台顶部的前缘削成斜角(图6.1),并在板或梁的端底部以及墩、台顶部内增设钢筋网予以加强。66.2.2弧形钢板支座

弧形钢板支座用于跨径在20m以内、支承反力(Reaction)不超过600

kN

的简支梁、板桥。

图6.2(a)和(b)示出跨径为16m的钢筋混凝土T形梁桥所采用的弧形钢板支座构造。

78比支座下垫板尺寸大4～5cm的定位钢板。支座上垫板预埋在主梁内。当主梁就位时,放置下垫板,校正好位置后将下垫板焊固在定位钢板上。安装活动支座时,应根据安装时的气温,将上下垫板沿纵向错开某一距离Δ放置,以使当达到常年平均气温时上下垫板的中线正好对准。

弧形钢板支座由两块厚度4～5cm铸钢制成的上、下垫板所组成,上垫板是平的矩形钢板,下垫板是顶面切削成圆柱面的弧形钢板。这样,上垫板沿着下垫板弧形接触面的相对滑动和转动实现了活动支座的功能要求:如果在上垫板上做齿槽(或销孔),在下垫板上焊齿板(或销钉),将齿板嵌入齿槽(或销钉伸入销孔),保证上、下垫板位置固定,并且通过齿板(或销钉)的抗剪来承受水平力作用(图6.2(b)、(c),则变成固定支座。一般齿槽应比齿板宽2mm,且将齿板顶部削斜,以允许上垫板的自由转动;若用销钉固定,钉径也应较销孔小2mm,且伸出的钉头也应做成顶部缩小的圆锥形。安装前,在墩、台帽的顶面应预埋一块厚约1.2cm、边长约弧形钢板支座上下垫板之间的摩擦系数为0.2。96.2.3板式橡胶支座

板式橡胶支座(Platetypeelastomericpadbearings)由多层橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合、压制而成(图6.3)。由于薄钢板的存在使支座具有足够的竖向刚度以承受垂直荷载,且能将上部构造的压力可靠地传递给墩台,其活动机理是利用橡胶的良好弹性使其产生不均匀弹性压缩实现转角位移,利用橡胶较大的剪切变形以满足上部构造的水平位移。板式橡胶支座具有构造简单、支座高度小、节省钢材、价格低廉、安装养护简便、易于更换等特点。此外,橡胶支座摩阻小,能分布水平力且吸收部分震动作用,可减少动载对桥跨结构和墩台的冲击,对高墩和地震区的桥梁有利。所以,板式橡胶支座已成为中小跨径桥梁中使用最广的一种支座。10图6.3板式橡胶支座结构示意图(a)矩形板式橡胶支座;(b)圆形板式橡胶支座11与其他支座不同,板式橡胶支座一般无固定支座与活动支座之分,纵向水平力和位移可由各个支座均匀分配,必要时可以采用高度不同的橡胶板来调节各支座传递的水平力和水平位移。

按橡胶形状的不同,板式橡胶支座可分为圆形板式橡胶支座(代号GYZ)和矩形板式橡胶支座(代号GJZ)两种形式。矩形板式支座用于正交的直线桥梁,而斜桥、弯桥及需要多向变位的桥梁,宜采用圆形板式橡胶支座。

按支座材料和适用温度的不同,橡胶支座有以下两种:一种是常温型橡胶支座,采用氯丁橡胶(CR)生产,适用温度为-25～60℃;另一种是耐寒型橡胶支座,采用天然橡胶(NR)生产,适用的温度为-40～-60℃。12

板式橡胶支座的安装,是保证支座正常使用的关键。支座应水平安装,由于桥梁纵坡和横坡等构造要求需倾斜安装时,则坡度最大不能超过1%,否则应采用预埋钢板、混凝土垫块或其他措施将梁底调平,以保持支座上、下面的水平放置。在选择支座时,仅须考虑由于支座倾斜安装而产生的剪切变形所需要的橡胶层厚度。板式橡胶支座的使用寿命一般为20～30年,低于主体结构的使用寿命,因此,在构造设计时必须考虑更换、拆除和安装支座的方便(通常设置支座垫石)。在梁设置板式橡胶支座的单个支承点上,顺桥向只能设置一个支座,以适应梁纵向挠曲的需要,否则会导致梁受力的不均匀;横桥向梁体刚度较大,但也不应多于两个支座,也不允许把不同规格的支座并排安装。13

支座安装位置应准确,支承垫石水平,每根梁端的支座尽可能受力均匀,不得出现个别支座脱空现象,以免支座受力后产生滑移及脱落等情况。对大跨径桥梁,或弯桥、斜桥、坡桥等,需在支座与所支承的结构之间设置必要的横向限位设施,以使梁体的横向移动控制在容许限度以内。146.2.4四氟滑板橡胶支座

四氟滑板橡胶支座,有圆形板式四氟滑板橡胶支座(GYZF4)和矩形板式四氟滑板橡胶支座(GJZF4)两种,是板式橡胶支座的一种特殊形式,它是将一块平面尺寸与橡胶支座相同,厚为1.5～3mm的聚四氟乙烯板材,粘结在普通板式橡胶支座顶面的支座。此外,在梁底支点处,设置一块有一定光洁度的不锈钢板,可在支座四氟乙烯板表面来回移动。这种支座除了具有橡胶支座的优点外,还能满足位移量需要较大的要求。四氟滑板式支座能满足支座反力为90～3600kN

和水平位移较大的桥梁需要,不仅适用于较大跨度的简支梁桥,也适用于桥面连续的桥梁和连续梁桥等。156.2.5盆式橡胶支座

一般的板式橡胶支座处于无侧限受压状态,故其抗压强度不高,加之其位移量取决于橡胶允许剪切变形和支座高度,要求的位移量越大,支座就越厚,所以板式橡胶支座的承载能力和位移值均受到了限制。

盆式橡胶支座(Pot-typeelastomericpadbearing)将橡胶板置于扁平的钢盆内,盆顶用钢盖盖住。在高压力下,橡胶板的作用如液压千斤顶的粘性液体,盆盖相当于千斤顶活塞。橡胶在钢盆内受到侧向限制,不可能被压缩,也不可能横向伸长,所以支座能承受相当大的压力,在均匀承压应力的情况下可作微量转动,这就是盆式橡胶支座的工作原理。

盆式橡胶支座适用于支座承载力为1000kN

以上的公路桥梁,也适用于城市、林区、矿区的桥梁。

16座(SX,又称多向活动支座)和单向活动支座(DX);双向活动支座具有竖向转动和纵向与横向滑移性能,而单向活动支座仅具有竖向转动和单一方向(纵向或横向)滑移性能。图6.4所示为固定支座示意图,固定支座由上座板、密封圈、橡胶板、底盆、地脚螺栓和防尘罩等组成。按使用性能分,盆式橡胶支座可分固定支座和活动支座。固定支座(GD)仅具有竖向转动性能,活动支座又可分为双向活动支17图6.4固定支座18(JT391—1999)按支座竖向承载力(即支座反力单位10k3N)大小,活动支座由上座板(包括顶板和不锈钢滑板)、聚四氟乙烯滑板、中间钢板、密封圈、橡胶板、底盆,地脚螺栓和防尘罩等组成,单向活动支座在沿活动方向两侧还设有导向挡块,限制方向的活动。

桥梁设计中选用何种类型的支座,要根据结构图式的要求加以布置。对于宽桥要注意桥跨结构纵横两个方向均能活动的可能性。

盆式橡胶支座结构紧凑、摩擦系数小、承载能力大、重量轻、结构高度小、转动及滑动灵活、成本较低,在大、中桥梁中使用最广泛。中华人民共和国交通行业标准《公路桥梁盆式橡胶支座》从0.8到60,分为31级。196.2.6拉力支座

桥梁中有的支座在运营荷载作用下会出现上拔拉力,需要设置拉力支座。所谓拉力支座,是一种既能承受压力也能承受拉力的支座。弯桥和斜交角较大的斜桥和有些斜拉桥都可能需要拉力支座。

对于固定支座,则可在盆式橡胶支座中心穿一根预应力钢筋,钢筋套在喇叭状的套管内,可允许预应力筋有微小位移。此外,也可在靠近支座的两侧,上部结构的转动轴线上布置预应力筋,使支座能承受拉力,见图6.5(a)。预应力钢筋的预加力要按1.2倍的上拔力进行施力,使支座不会因锚杆伸长而脱开。20图6.5拉力支座的布置方法21活动拉力支座,可以采用销接的摆动支座。当活动量不是很大时,可选用在柱中心加预应力的混凝土柔性柱,见图6.5(b)。柔性柱的上下端可做成固结或铰接,柱内需要配置受弯钢筋。此外,活动拉力支座也可考虑选用在盆式橡胶支座的两侧设置具有活动量的预应力钢筋。226.3.1支座受力分析

在进行桥梁支座受力分析时,首先必须求得每个支座所承受的竖向力和水平力,根据这些外力来选定支座的尺寸,并进行强度和稳定性验算。6.3支座的计算23(1)竖向力

支座上的竖向力有结构自重反力、活载的支点反力及其影响力。在计算活载的支点反力时,要按照最不利的状态排列计算荷载,汽车荷载支座反力应计入冲击影响力。当支座可能会出现上拔力时,应分别计算支座的最大竖向力和最大上拔力。桥梁上部结构可能被风力掀离的支座,应计算支座锚栓及有关部件的支承力。24(2)水平力

正交直线桥梁的支座,一般仅需计算纵向水平力。斜桥和弯桥,还需要计算由于汽车荷载的离心力或风力所产生的横向水平力。

支座上的纵向水平力,由汽车荷载的制动力、风力、摩擦力或由于温度变化、支座变形引起的水平力以及其他原因如桥梁纵坡产生的水平力。

汽车荷载产生的制动力,应按照《公路桥梁抗震设计细则》(JTGTB02—01—2008)要求,根据车道数确定。板式橡胶支座,当各支座厚度相等时,制动力可平均分配。对于简支梁桥,当采用柔性排架墩时,制动力可按其抗推刚度分配;设有板式橡胶支座的柱式墩台,应考虑联合作用。在计算支座水平力时,汽车荷载产生的制动力不应与支座的摩阻力同时考虑。其他水平力的计算按桥梁设计规范有关条文采用。25按《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89)的规定进行计算和组合。地震地区桥梁支座的外力计算,应根据设计的地震动加速度,266.3.2板式橡胶支座计算

板式橡胶支座各项计算,均按正常使用极限状态和使用阶段计算。

板式橡胶支座的设计与计算包括确定支座有效承压面积、计算支座竖向平均压缩变形、受压偏转以及验算支座的抗滑稳定性等。2728支座形状系数应在5≤S≤12取用。29图6.6橡胶支座厚度计算图式30(2)确定支座厚度 根据板式橡胶支座的活动机理,梁的水平位移要通过全部橡胶片的剪切水平变形来实现,见图6.6。因此,要设计支座的厚度t,必须首先知道主梁由于温度变化、混凝土收缩徐变、制动力等因素预计将产生的纵向最大水平位移Δl

,然后按下式计算:式中:te

——支座橡胶层总厚度;

Δl

——由上部结构温度变化、混凝土收缩徐变等作用标准值 引起的剪切变形,和纵向力标准值(当计入制动力时 包括制动力标准值)产生的支座剪切变形,以及支座 直接设置于不大于1%纵坡的梁底面下,在支座顶面 由支座承压力标准值顺坡方向分力产生的剪切变形; [tanα]——橡胶片剪切角正切值限值,当不计活载制动力 时,取0.5;计入活载制动力时取0.7。3132层厚度,即可得到橡胶支座的厚度t。33(3)计算支座竖向平均压缩变形和转角

主梁受荷载作用发生挠曲变形时,梁端将出现转动,但不允许与支座产生脱空现象。挠曲时梁端转角为θ(图6.7),这时支座表面将产生不均匀的压缩变形,其平均压缩变形δc,m可根据下式计算:34图6.7支座的压缩变形35363738(5)设计计算示例

某桥为五梁式双车道简支梁桥,两侧为重力式桥台。主梁标准跨径为20m,计算跨径l=19.5m,设计荷载为公路２Ⅱ级,