公路桥梁板式橡胶支座减震原理与应用分析

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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：桥梁支座在整个桥梁结构中的作用是有目共睹的，其质量好坏不仅关乎桥梁是否具有较长的使用寿命，更关乎整个结构的安全性。而板式橡胶支座由于具有较高的性价比、加之安装方便以及较低廉的造价等优势，成为城市桥梁中应用最为广泛的一种支座类型。针对这一点本文主要深入总要了在桥梁中，桥梁支座超高的抗震性，着重剖析了与桥梁相关的抗震设计的相关理论，科学设计并结合实际施工，提出科学的养护方法。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:Bridgebearingisanimportantpartofthebridgestructure,whichdirectlyaffectstheservicelifeandsafetyofthebridge.Becauseoftheadvantagesofsimplestructure,reliableperformance,convenientinstallationandreplacement,andlowcost,theplatetypeelastomericpadbearingiswidelyusedinhighwayandurbanbridgeconstruction.Focusingonthebridgesupportsanimportantroleintheoverallseismicperformanceofthebridge.Basingontheresearchofbridgeseismicdesignmethodandtheory,thisessaywillputforwardthecopingstrategiesanddailymaintenancemethodtosolvethecommonproblemsintheprocessofdesigningandconstruction. KeyWords:Platetypeelastomericpadbearings;Aseismictheory;Platetypepadbearingdesign;Constructionanddailymaintenance.交通部出台了于2004年3月《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T4-2004）等相关规范设计文件，该文件于2004年6月1日实施。而经过10余年的发展，刚性支座逐渐退出历史的舞台，取而代之的则为各类橡胶支座。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、构造板式橡胶支座，及具体的减震原理、设计方法桥梁隔震装置主要有：其一为阻尼装置；其二为柔性支撑装置。而在柔性支撑装置中，橡胶支座以实用性强、适用范围广泛著称。首先薄橡胶板与薄钢板的交替叠合而成，并在这一前提下结合氯丁胶、天然橡胶高温硫化粘结而成。相较而言，后者更具优势，其优势主要体现在抗腐蚀、弹性以及抗冻，抗老化等方面。 另外在钢板、橡胶层与薄钢板紧密相连的。这样一来，当橡胶支座需要承载重量时，就有可能引起变形。总体上说在承载力、刚度等方面橡胶支座均具有一定的优势。另外，橡胶板的剪切不会受到薄钢板的影响，因此相较于其它水平方向的运动而言，橡胶板具有柔性约束力，换言之也就是当橡胶支座面临着较大的荷载时，即可减少橡胶层的侧移，这样一来就算整体侧移橡胶支座也不用担心，其稳定性受到影响，另外刚度为1/500-1/1500。叶爱君，范立础，桥梁抗震[M]，北京：人民交通出版社，2002.较小，这样一来，在竖橡层在竖向地震的影响下，可以说作为一种隔城装置，其拉力是相当不错的。具体而言，优势如下：承载力、水平刚度以及水平侧容许值、竖向地震等各个方面。众所周知为提高桥梁抗震能力，在传统的设计中多会强化桥梁的延性、强度。显然这样的设计具体的地震中并没有充分发挥作用，换言之也就是传统的设计中还是经常发生桥梁结构倒塌的现象的，而这也让人们开始认识到要充分发挥桥梁结构的抗震能力，预估其抗震能力本身就不是一件简单的事。正是因为这样，所以近几年来越来越多的研究人员开始深入分析强化桥梁结构抗震性能的具体方法。其中最具代表性的主要有：第一减隔震技术；第二被动控制技术；第三主动控制技术；第四混合控制技术。而减隔震支座则是其中研究最多的一方面，比如铅芯以及高阻尼橡胶支座等等。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/TB02-01-2008）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%。CJJ166-2011，城市桥梁抗震设计[S]，北京：中国建筑工业出版社，2011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，除此之外，预埋孔，预埋偏移等事件在具体的安装中也时有发生。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），板式橡胶支座相较于其它类型的支座而言，其具体的优势主要体现在：性能稳；容易加工；构造简单；安装方便；价格低等，因而总体上说具有较强的适用性。值得一提的是板式橡胶支座并不具备自复位能力上的优势，换言之也就是如果是强地震的话，也是有可能形成永久性变形的，当然了在污染性及标准等方面还是具有一定的优势的。范立础，王志强.桥梁减隔震设计[M].北京：人民交通出版社，2001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 在选择橡胶支座形式时，具体可结合以下几方面进行科学选择：其一结构形式；其二桥梁强度；其三荷载等级；其四桥面情况；其五桥梁的纵横向坡度；其六地震条件以及气候等相关因素。除此之外要求设计得在设计老实中还要无误的了解橡胶的设计参数，从而最大限度的契合橡胶支座的功能要求，合理的设计并选择材料。桥梁支座的设计需要根据其功能的确定。谨慎的计算得出支座的位移、转角、反力，并在这一基础上选择桥梁支座的种类、形式。选用桥梁结构，即选用具体的参数、支座设计具体要考虑到的因素主要包括横向、纵向的水平力、竖向反力以及转角、水平力等相关因素。在设计中还要充分考量到桥梁的抗震及减震等方面的需求，即确实考虑支座的振动频率、周期，值得一提的是这两指标与支座的材料、截面尺寸以及支座本身的宽度、跨度、想桥型等均有关。首先要结台风、地震等相关因素科学考量其抗震性能，为解决频率低、振动周期长、位移大等问题，一般可采用增大阻力的方法；除此之外还要充分考量刹车力、车流密度、速度等相关因素与减振性之间的关系，另外如果支座的振动频率高，周期短的话，针对位移小的问题则可结合橡胶隔层的方法解决。综上所述，如果能够同时考虑到两大因素，结合抗震性的具体要求，控制设计即可。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， 结合各已知条件，比如支座的竖向承压力、变形倾角、桥梁参数等等确定橡胶层厚度、加劲钢板厚度、支座厚度、单层橡胶厚度以及支座的抗滑及受压的稳定性。另外在选择支座规格系列过程中，具体可结合各支座的具体承压力，并验算各项型号。其次详细说明设计图纸的相关工艺要求，具体主要包括：选用材料的指标；控制制作工艺、设计支座要求；检验重点；安装支座成品、工艺等等，以便施工人员及监理人员拥有遵循依据。最后还标明设计图中各项的尺寸，在支座不多的情况下，只要标出具体的尺寸数字即可，而如果支座的数量、型号较多时，可用符号代替具体的尺寸，制作支座规格尺寸表并符合各符号所代表的图示、型号。为方便施工及检验需要列全各类橡胶支座的附件。三、板式橡胶支座在施工与养护方面的常见问题及其治理总体上说在安装方面，板多橡胶支座具有方便等特点。仅管如此，但是在具体的施工过程中还是频发事故，比如错放活动支座、固定支座，安装方法不合规等等。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。以下简单归纳相关技术规范。 首先，检验支座产品，确定其入场质量符合相关要求。具体要求在安装半个月前就安排支座进场，以随机的方式送样检验。可随机抽取每组3块或3队，并抽取1到3组。检验内容主要为力学性能和内在质量，其主要包括七项，具体如下：第一极限抗压强度；第二抗剪弹性模量；第三抗压弹性模量；第四竖直转角正切值；第五抗滑最小承受力；第六摩擦系数；第七最大水平剪切位移值。而内在质量主要有六项，其分别为第一项：橡胶层总厚度；第二项加劲钢板单片厚度；第三橡胶板单层厚度；第四钢板平面尺寸；第五橡胶剥离后的技术性；第六橡胶层和钢板均存在较为严重的粘结情况。在具体的抽检过程中，如果有两件以上含两年不符合检验标准，那么则认为支座是不合格的。而如果仅有一项不符合相关要求，则随机抽取双倍支座进行复检，如果检验结果还不合格，那么则认为本批支座是不合格的。沙立新，阮欣，桥梁结构健康监测与评估方法发展现状综述.青岛建筑工程学院学报，2004，24（4）：19222.对另外在浇筑过程中还要注意与支座安装质量相关的诸如钢板顶面、桥梁墩台帽、垫石顶面等的平整、清洁，同时还要注意将其强度控制在C30下。力求准确的设计支座位置，即在各支座下，平坡状态下的支座的标高是一样的。另外规范执行各支座的点高差允许值。同时浇筑铸具型垫块、墩台帽，杜绝二次补做。另外要结合具体的设计要求设计标高、尺寸，不可无根据取消、制作。避免过大的偏压、初始剪切变形、支座脱空、接触偏歪，不紧密等情况。交通部行业标准“公路桥涵养护规范”（JTGH11-2004）[S],北京：人民交通出版社，2004.6.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要部位的养护更是没有引起足够的重视。笔者通过实地考察发现，当前桥梁支座存在以下两方面的问题：其一橡胶板支座变质、老化的问题非常严重，伸缩能力有待进一步提高。而这样一来，就有可能使台帽混凝土、桥墩、梁端等部位出现破裂的情况，即引起啃边、掉角等，从而影响橡胶板的伸缩缝，防尘罩的性能；其次垫石混凝地压坏及支座从板掉解、剥离、损害剥离的情况非常严重。总体上说，除了要进行常规性的检查之外，做好定期的加固维护，对于强化桥梁支座的性能，具有重要的意义。一般情况下，在检查中如果发现存在问题应该及时更换或者修补。参考文献：1.叶爱君，范立础，桥梁抗震[M]，北京：人民交通出版社，2002.2.CJJ166-2011，城市桥梁抗震设计[S]，北京：中国建筑工业出版社，20113.范立础，王志强.桥梁减隔震设计[M].北京：人民交通出版社，20014.沙立新，阮欣，桥梁结构健康监测与评估方法发展现状综述.青岛 建筑工程学院学报，2004，24（4）：19222.5.交通部行业标准“公路桥涵养护规范”（JTGH11-2004）[S],北京：人民交通出版社，2004.6.