桥梁工程 第六章 桥梁支座

第六章桥梁支座第一节概述第二节支座的类型和构造第三节支座计算2020/2/12第一节概述1.支座的作用和要求2.支座的布置2020/2/121.支座的作用和要求位置：支座设置在桥梁的上部结构与墩台之间。支座2020/2/12作用：把上部结构的各种荷载传递到墩台上，并能够适应活载、温度变化、混凝士收缩与徐变等因素所产生的变位（位移和转角），使上下部结构的实际受力情况符合设计的计算图式。支座型式和规格的选用，要考虑的因素包括桥梁跨径、支点反力、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。2020/2/12桥梁支座的布置方式：主要根据桥梁的结构型式及桥梁的宽度确定。简支梁桥一端设固定支座，另一端设活动支座。铁路桥梁由于桥宽较小，支座横向变位很小，一般只需设置单向（纵向）活动支座。公路梁桥由于桥面较宽，要考虑支座横桥向移动的可能性。2.支座的布置2020/2/122020/2/12•连续梁桥每联（由两伸缩缝之间的若干跨组成）只设一个固定支座。•为避免梁的活动端伸缩量过大，固定支座宜布置在每联长度的靠中间支点处。但若该处墩身较高，则应考虑避开，或采取特殊措施，以避免该墩顶承受过大的水平力。2020/2/122020/2/12•曲线连续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。•曲线箱梁中间常设单支点支座，仅在一联范围内的梁的端部（或桥台上）设置双支座，以承受扭矩。有意将曲梁支点向曲线外侧偏离，可调整曲梁的扭矩分布。2020/2/122020/2/12当桥梁位于坡道上时，固定支座应设在较低一端，以使梁体在竖向荷载沿坡道方向分力的作用下受压，以便能抵消一部分竖向荷载产生的梁下缘拉力；当桥梁位于平坡上时，固定支座宜设在主要行车方向的前端。桥梁的使用效果，与支座能否准确地发挥其功能有着密切的关系，因此在安放支座时，应使成桥后的上部结构的支点位置与下部结构的支座中线对齐。如果考虑到工后徐变，可能需要设置预偏量。2020/2/12第二节支座的类型和构造1.支座的类型2.支座的构造3.支座的选择2020/2/121.支座的类型按制作材料：钢支座聚四氟乙烯支座橡胶支座板式橡胶支座盆式橡胶支座混凝土支座铅支座按支座容许变形：固定支座单向活动支座多向活动支座2020/2/12按能否承受拉力：只受压支座拉压支座2.支座的构造2.1简易支座采用几层油毛毡或石棉制成，压实后的厚度不小于1cm，可用于跨径小于10m的板梁桥。2020/2/122.2钢支座钢支座是靠钢部件的滚动、摇动和滑动来实现支座的位移和转动功能的。它的特点是承载能力强，能适应桥梁的位移和转动的需要，目前仍应用于铁路桥梁。钢支座常用的有铸钢支座和新型钢支座。2020/2/122.2.1铸钢支座铸钢支座采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，是一种传统型式的支座。视跨度与荷载的大小，钢支座有平板支座、弧形支座、摇轴支座、辊轴支座等几种型式。各类支座基本上都由可以相对摆动的上、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。2020/2/12（1）平板支座平板支座的上、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。2020/2/12（2）弧形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。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。2020/2/12（3）摇轴支座摇轴支座由上摆、底板和两者之间的辊子组成。将圆辊多余部分削去成为扇形，就形成摇轴。摇轴支座能满足活动支座的各项要求。摇轴的直径可以加大，承载能力可以提高。但支承反力越大，相应地要求辊子（摇轴）的直径也越大，这就使支座高度变得很大。2020/2/122020/2/12（4）辊轴支座辊轴支座能满足活动支座的各项要求。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。2020/2/12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盆式橡胶支座。2020/2/122.2.2新型钢支座新型钢支座主要有：不锈钢或合金钢支座、滑板钢支座、球面支座。特点：①采用不锈钢或高级合金钢材料制造，支座可封闭在油箱内，以防生锈并减少维护或免维护；②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；③支座的转动部分采用钢制或黄铜制成的球冠形，在球冠的上、下分别设置聚四氟乙烯板以减少摩阻力，构成球面（型）支座。2020/2/12球面支座2020/2/122020/2/12板式橡胶支座有矩形和圆形。支座的橡胶材料以氯丁橡胶为主，也可采用天然橡胶。氯丁橡胶一般用于最低气温不超过-25℃的地区，天然橡胶用于-30℃-40℃的地区。根据试验分析，橡胶压缩弹性模量E、容许压应力[]和容许剪切角[tgr]的数值，均与支座的形状系数S有关。形状系数为橡胶支座的承压面积与自由表面积之比。2.3橡胶支座2.3.1板式橡胶支座2020/2/12矩形支座形状系数为：tbabaS2式中：a顺桥方向橡胶支座的长度；b横桥方向橡胶支座的宽度；t中间橡胶层的厚度。2020/2/12为满足橡胶的容许压应力和使支座能适应梁端转动的要求，支座的长度a与宽度b之比取决于主梁下的有效宽度及所需的剪切角。一般应充分利用有效宽度b，而尽可能减小a的尺寸，以降低转动阻抗力矩。根据支座稳定的要求，支座的总厚度不得大于平面最小尺寸的30%。2020/2/12•构造特点：常用的板式橡胶支座采用薄钢板或钢丝网作为加劲层以提高支座的竖向承载能力。•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。•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70－3600kN的公路、城市桥梁。2020/2/122.3.2四氟滑板式橡胶支座2020/2/12•桥梁球冠圆板式橡胶支座球冠圆板式橡胶支座在有一定纵横坡下优于普通平面圆式橡胶支座，它能有效可靠地将上部结构的荷载传递给下部结构，改善在安装过程中产生的偏压脱空等不良现象，适用于各种布置复杂，纵坡较大的立交桥及高架桥。2.3.3其它类型板式橡胶支座2020/2/122020/2/12坡型板式橡胶支座2020/2/12铅芯橡胶支座2020/2/122.4桥梁盆式橡胶支座盆式橡胶支座是钢构件与橡胶组合而成的新型桥梁支座。具有承载能力大、水平位移量大、转动灵活等特点，适用于支座承载力为1000KN以上的大跨径桥梁。盆式橡胶支座分固定支座与活动支座。活动盆式橡胶支座由上支座板、聚四氟乙烯板、承压橡胶块、橡胶密封圈、中间支座板、钢紧箍圈、下支座板以及上下支座连接板组成。组合上、中支座板构造或利用上下支座连接板即可形成固定支座。2020/2/122020/2/12盆式橡胶支座构造1.钢盆2.承压橡胶板3.钢衬板4.聚四氟乙烯板5.上支座板6.不锈钢滑板7.钢紧箍圈8.密封胶圈2020/2/12固定与滑动盆式橡胶支座多向活动支座（SX）2020/2/12•纵向活动支座（DX）2020/2/12•固定支座（GD）2020/2/12应根据桥梁结构的跨径、支点反力的大小、梁体的变形程度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、中跨度连续梁桥一般采用盆式橡胶支座铁路桥采用盆式橡胶支座和钢支座3．支座的选择2020/2/12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。合适的盆式橡胶支座一般为：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。2020/2/12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4～5以上。2020/2/12第三节支座计算1.支座所受荷载2.板式橡胶支座的设计计算2020/2/12（1）在计算汽车荷载支座反力时，应计入冲击影响力。当支座可能出现上拔力时，应分别计算支座的最大竖向力和最大上拔力。（2）直线桥梁的支座，一般仅需计入纵向水平力。斜桥和弯桥的支座，还需要考虑由于汽车荷载的离心力或其它原因如风力等产生的横向水平力。1.支座所受荷载2020/2/12（3）汽车荷载产生的制动力，应按照设计规范要求，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。（4）对于梁桥，地震地区桥梁支座的外力计算，应根据设计的地震烈度，按规范规定进行计算和组合。2020/2/122.板式橡胶支座的设计计算根据橡胶支座和支承垫石混凝土的压应力不超过它们相应容许承压应力的要求，确定支座平面面积。在一般情况下，面积由橡胶支座控制设计。2.1支座平面尺寸2020/2/12][maxAN式中：Nmax--运营阶段由桥上全部恒载与活载(包括冲击力)所产生的最大支点反力；A--橡胶支座平面面积，矩形支座为ab，圆形支座为/4；[σ]--橡胶支座的平均容许压应力，当支座形状系数S8时[]=10，当5S8时[]=7～9。2020/2/122.2支座高度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，依靠全部橡胶片的剪切变形t来实现,与t的关系为：][tgttgtah][tgt2020/2/12[tgγ]--橡胶片容许剪切角的正切，可取用0.5～0.7，不计活载制动力时用0.5；计及活载制动力时取用0.7，则上式可写成：Dt2)(43.1LDt2020/2/12ΔD---由上部结构温度变化、桥面纵坡等因素，引起支座顶面相对于底面的水平位移。当跨径为L的简支梁桥两端采用等厚橡胶支座时，因温度变化每个支座承担的水平位移可取简支梁向温变变形的一半，即：ltD5.02020/2/12GAtHTL2HT--活载制动力在一个支座上的水平力；G---橡胶的剪切模量；A---橡胶支座的面积。ΔL--由制动力引起在支座顶面相对于底面的水平位移，可按下式计算：2020/2/122.3支座偏转与平均压缩变形验算主梁受荷挠曲时，梁端将产生转动角为(如下图)，但不允许其与支座间产生脱空现象。梁端转动时，支座就受到一个偏心竖向力的作用，表面将产生不均匀的压缩变形，一端为Δs1另一端为Δs2，其平均压缩变形Δs=1/2(Δs1+Δs2)，根据下式计算：2s1sNhEAtNs2020/2/12若梁端转角已知，则有：21ssa)(5.021sssass5.0202s时，表示支座与梁底产生了部分脱空，支座局部承压。其中，a为主梁跨径方向的支座尺寸，又因所以2020/2/122.4支座抗滑性验算橡胶支