摘要：橋梁支座主要功能是傳遞上部結(jié)構(gòu)的力給下部結(jié)構(gòu)，并提供上部結(jié)構(gòu)所需變形，是橋梁的關(guān)鍵部件。實(shí)施是否得當(dāng)對(duì)橋梁承載能力和使用壽命影響很大。本文對(duì)板式支座的設(shè)計(jì)及更換進(jìn)行論述，從提高效果、減少難度、節(jié)省造價(jià)等方面提出了一些簡(jiǎn)便易行的措施，為支座設(shè)計(jì)及施工提供部分基礎(chǔ)資料。
關(guān)鍵詞：下部結(jié)構(gòu)  板式支座  變形  承載能力  支座位移


1、引言

近年來(lái)，我國(guó)橋梁建設(shè)取得舉世公認(rèn)的成績(jī)，然而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)和交通事業(yè)的發(fā)展，大量正在使用的橋梁隨著使用年限的增長(zhǎng)，甚至個(gè)別剛投入運(yùn)營(yíng)的橋跨結(jié)構(gòu)危害問(wèn)題已日益突出，橋梁加固任務(wù)十分繁重。
橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，可謂一座橋梁的咽喉所在，關(guān)系重大，一旦出現(xiàn)病害，將影響到上下部結(jié)構(gòu)的使用壽命和交通安全。
2、支座設(shè)計(jì)
2.1支座抗壓計(jì)算
支座尺寸需滿足本身抗壓及接觸面局部抗壓強(qiáng)度：Αe=Rck/σc；γ0Fld=1.3ηsfcdA1n。局部抗壓不足時(shí)，多用鋼筋網(wǎng)或鋼板加強(qiáng)。支座本身形狀系數(shù)需滿足5≤S≤12，S按規(guī)范8.4.1條計(jì)算。
2.2支座剪移計(jì)算
橋梁上部結(jié)構(gòu)的縱向水平位移主要通過(guò)支座橡膠片剪切變形完成，算出在各種因素影響下，該支座在全聯(lián)所處位置的水平總位移，并由此推出該支座橡膠片及支座厚度：
te≥Δl總/[tanα]；
另需滿足穩(wěn)定要求：
0.1la(0.1D)≤Σte≤0.2la(0.2D)。
（1）溫度位移：
Δlt=±α×Δt×L
混凝土膨脹系數(shù)：α=1.0×10-5；
Δt：為安裝氣溫與最高或與最低氣溫之差；
L：支座距全聯(lián)位移變形零點(diǎn)距離。
（2）干縮位移《橋規(guī)》6.2.7條：
Δls=-εcs(tu,t0)×L
ε：收縮應(yīng)變系數(shù)終極值
（3）徐變位移：
Δls=-Py×φ(tu,t0) ×σh×L/(Ah×Eh)
Py：為梁體截面平均預(yù)應(yīng)力值；
Ah：為梁體截面積；
Eh：為混凝土彈模；
φ：為徐變系數(shù)終極值，一般按存梁2～3個(gè)月考慮。
（4）溫差影響與撓度位移：梁體上、下溫度差使梁端轉(zhuǎn)動(dòng)及由于撓度產(chǎn)生的梁端位移一般較小，可略計(jì)。
（5）縱坡位移：
Δli=(i×N總-μf×N) ×Ki/(Gi×Ai×ΣKi)
N總：全聯(lián)總豎向力；
uf：滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)；
N：所有滑動(dòng)支座支反力；
Δli、Ki、Gi、Ai分別為相應(yīng)墩臺(tái)位移、組合抗推剛度、支座剪切模量、支座面積。當(dāng)縱坡對(duì)稱，或緩坡，或中間設(shè)固定墩時(shí)，可不計(jì)。
（6）制動(dòng)位移：
ΔlT=(T-Σ-μf×N)×Ki/(Gi×Ai×ΣKi)
ΔlT：制動(dòng)力位移；
T：全聯(lián)汽車制動(dòng)力。
因制動(dòng)力作用下支座剪切變形系數(shù)增加0.2，該項(xiàng)位移驗(yàn)算一般都能滿足要求，可略算。
（7）地震影響：按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）驗(yàn)算，內(nèi)容較多，本文不作詳細(xì)論述。
2.3支座偏轉(zhuǎn)驗(yàn)算
為確保支座偏轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生脫空而出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，豎向平均壓縮變形：
δc,m=Rckte/AeEe+Rckte/AeEb，
需滿足：
θ×la/2≤δc,m≤0.07te；支座彈模Ee=(5.4GeS2)MPa。
2.4支座安裝坡度設(shè)計(jì)
為減輕橋面重量及增加橋面使用效果，采用等厚橋面鋪裝，橋面縱、橫坡均通過(guò)下部構(gòu)造調(diào)整，對(duì)應(yīng)支座安裝有水平放置和順坡斜置兩種情況，兩種情況均需設(shè)置支座墊石，墊石一般較高，為支座檢查、更換留有空間。
（1）第一種水平放置情況，支座的上、下接觸面通過(guò)支座墊石調(diào)平，消除上部下滑力對(duì)支座的剪切影響。
（2）第二種順坡斜置情況，《橋規(guī)》8.4.2條規(guī)定可知：板式橡膠支座在橋梁縱坡小于或等于1%時(shí)，橫坡坡度i≤2％時(shí)，板式支座可以斜置；否則應(yīng)在支座表面與梁底之間采取措施，使支座平面仍保持水平；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T4-93）規(guī)定：“滑動(dòng)支座須水平放置，采用墊坡或鋼板調(diào)平；板式橡膠支座要求盡可能水平放置，當(dāng)i≤2％時(shí)，支座可以斜置。”由于大梁端底墊坡及墩臺(tái)頂設(shè)墊石調(diào)坡很麻煩，支座斜置，允許支座有不大的初始剪切變形，可減少很多施工麻煩。當(dāng)橋面縱、橫坡對(duì)稱時(shí)，除安裝大梁時(shí)產(chǎn)生很小的初始剪切變形，連續(xù)以后下滑力相互平衡，已不再增加支座剪切變形，或當(dāng)坡度不大，支座斜置是非常可行的。
（3）也有根據(jù)結(jié)構(gòu)需要與橋面一起進(jìn)行坡度調(diào)整的，橋面2%橫坡是通過(guò)橋面鋪裝層及墊坡各調(diào)整1%來(lái)處理的，主要是T梁太高，怕2%橫坡均由墊坡調(diào)整，造成大梁傾斜失穩(wěn)。
3、支座更換
板式支座使用壽命至少50年，目前板式支座使用壽命一般也就20～30年，小于結(jié)構(gòu)壽命，實(shí)際上更換率還要高，有的尚未通車就更換，有的通車1年多就更換，因此支座更換應(yīng)該給于足夠的重視。《通規(guī)》3.5.8條提到：“墩臺(tái)構(gòu)造應(yīng)滿足更換支座的要求，必須留有檢查和更換支座構(gòu)造措施。”但墊石設(shè)置高度及如何更換均無(wú)敘及，橡膠支座可采取以下措施進(jìn)行更換：
（1）如橋下墩臺(tái)不高，搭設(shè)支架方便，可在橋墩邊搭設(shè)臨時(shí)頂高橋面用支架，在板梁底設(shè)置千斤頂頂高橋面，如墩臺(tái)較高不便搭設(shè)支架，也可在橋面上架設(shè)鋼短橫梁和吊桿，在橋上用千斤頂頂起橋面。詳見(jiàn)徐啟友《橋梁修理及技術(shù)改造》中的支座修理。該法造價(jià)較高，目前一般不用。
（2）梁下用千斤頂頂起更換，目前使用的微型千斤頂高度有50t采用5cm高；100t采用7cm高或9cm高，國(guó)外還有3cm高；200t采用10cm高。故建議設(shè)計(jì)時(shí)支座+墊石高不小于10cm為宜。當(dāng)梁下墩臺(tái)間空隙過(guò)小時(shí)，可在墩臺(tái)上設(shè)錨筋焊接鋼板作為支承。所有千斤頂總承載能力須一般取兩倍梁體荷載重，簡(jiǎn)支橋面連續(xù)墩臺(tái)支座或連續(xù)梁，聯(lián)內(nèi)支座往往需要同時(shí)頂起，用PLC系統(tǒng)較好。
（3）由太原鐵路研究所研制的CQ鋼絲網(wǎng)氣囊千斤頂，厚度只有3cm，充氣加壓后可抬高20～50cm，原用在搶險(xiǎn)救人中；也可承擔(dān)支座更換工程。CQ鋼絲網(wǎng)氣囊千斤頂具有適應(yīng)性強(qiáng)、起重速度快、不需配套動(dòng)力、功能多、系列全等優(yōu)點(diǎn)。可以解決原先沒(méi)設(shè)支座墊石或設(shè)置高度很小的板式支座更換。
（4）F4支座的使用年限取決于不銹鋼板的使用期，1.5mm不銹鋼板的在正常使用狀態(tài)下磨損期為50年，實(shí)際多采用2～3mm厚不銹鋼板。實(shí)際調(diào)查顯示，F(xiàn)4支座和一般板式支座更換頻率相當(dāng)。F4支座易出現(xiàn)的主要問(wèn)題是：硅脂油不涂，影響滑動(dòng)效果，另外由于伸縮縫內(nèi)嵌石或漏水、漏沙等，影響F4壽命和使用功能。滑動(dòng)支座比較重要，一旦滑動(dòng)功能失靈，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算模式改變，加速橋梁破壞，另外F4支座施工與更換也比普通板橡膠支座更為麻煩，所以較小的剪切變形應(yīng)盡量通過(guò)橡膠支座的厚度調(diào)整，盡可能少用滑動(dòng)支座。
（5）保證支座正常使用途徑探討：解決支座老化的途徑可從以下三方面考慮：第一，提高支座的使用年限，使其大于結(jié)構(gòu)使用年限，支座無(wú)需更換，目前支座材料還難以達(dá)到；第二，預(yù)防為主，實(shí)際中更換支座多因產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題、違章施工安裝、位移設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等人為因素造成，故應(yīng)從支座設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)、施工及養(yǎng)護(hù)方面嚴(yán)格控制，加強(qiáng)管理，使支座在使用期內(nèi)盡量免于更換；第三，加強(qiáng)檢查，及時(shí)更換支座，但此舉難度較大。盆式支座更換的難度更大，將花費(fèi)大量人力、物力，也無(wú)太多成熟經(jīng)驗(yàn)，且隨著大跨徑橋梁的日益增多，盆式支座的廣泛采用，支座更換更影響較大。應(yīng)加強(qiáng)支座橡膠的抗老化性能、增加支座外層保護(hù)、加強(qiáng)支座日常養(yǎng)護(hù)，使支座使用壽命等同于或大于橋梁使用壽命才是解決問(wèn)題的更好辦法，這也是橋梁設(shè)計(jì)師對(duì)材料科研部門、廠家及養(yǎng)護(hù)部門的共同期盼。
4、選用及安裝事項(xiàng)
（1）支座尺寸夠用即可，過(guò)大對(duì)橋梁下部產(chǎn)生的水平推力也大，當(dāng)前采用支座多偏大。
（2）順、橫向支座尺寸哪邊大，以滿足受力及構(gòu)造要求為準(zhǔn)，無(wú)嚴(yán)格規(guī)定。
（3）安裝滑動(dòng)支座時(shí)，特別需要強(qiáng)調(diào)的是：一定要涂硅脂油并設(shè)防塵設(shè)施。
（4）支座的其他性能指標(biāo)及檢測(cè)、安裝等要求詳見(jiàn)規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
（5）前幾年在圓板支座頂部加設(shè)4～10mm球冠，認(rèn)為可以較好地改善支座的偏壓現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)具有較大縱橫坡的彎、斜、坡橋采用較多，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這樣的支座反而損壞更多，故新規(guī)范《通規(guī)》（JTGD60-2004）第3.5.8條有規(guī)定：“彎、坡、斜、寬橋梁宜選用圓板式橡膠支座。公路橋涵不宜使用帶球冠的板式橡膠支座或坡形的板式橡膠支座。”
5、工程算例
現(xiàn)以某橋?yàn)槔f(shuō)明支座設(shè)計(jì)，該橋總長(zhǎng)222m＝6×16+30+6×16(m)，中間通航孔為30m預(yù)應(yīng)力T梁，兩邊各6跨16m預(yù)應(yīng)力空心板梁，雙幅總寬24.5m，新、老幅各寬11.5m，單向1.5%橫坡，其中6#、7#墩為30m與16m跨共用墩。該橋已通車9年，效果很好。
上部構(gòu)造、支座、錨栓、連續(xù)、伸縮縫及下部構(gòu)造相互關(guān)聯(lián)，先確定一聯(lián)長(zhǎng)度及一聯(lián)變形零點(diǎn)，計(jì)算出各墩對(duì)應(yīng)上部水平位移，并由此計(jì)算出支座厚度，一聯(lián)可按（制動(dòng)力+支座剪切變形反力＞支座摩阻力）及變形量設(shè)滑動(dòng)支座；以一聯(lián)縫處變形總量設(shè)置伸縮縫。本例只計(jì)算部分內(nèi)容。
5.1支座抗壓計(jì)算
16m板單支座恒載97kN，最大活載77kN，總計(jì)為174kN，初擬支座平面尺寸16×16cm:
S=loalob/2tes(loa+lob)=15.5×15.5/(2×0.5×(15.5+15.5))=7.75(5≤S≤12)，
σ=N/(a×b)=174/(0.155×0.155)＝7242kPa＜[σ]=10000kPa；
30m梁?jiǎn)沃ё爿d454kN，最大活載346kN，總計(jì)為800kN，初擬支座平面尺寸30×35cm，計(jì)算同上S=7.95，σ=7860kPa＜[σ]=10000kPa。
由以上計(jì)算可知：支座抗壓滿足要求；另支座局部抗壓也滿足要求，計(jì)算過(guò)程略。
5.2水平位移計(jì)算
全橋作一聯(lián)處理，縱坡對(duì)稱、平緩，對(duì)位移影響很小，不計(jì)；制動(dòng)、撓度、溫差等對(duì)位移影響很小，均略去不計(jì)；僅計(jì)由溫度、干縮、徐變?nèi)?xiàng)引起的梁體位移。梁體安裝、橋面連續(xù)、伸縮縫安裝溫度均按15℃計(jì)，正、負(fù)氣溫差均按25℃計(jì)。由對(duì)稱可知，30m跨中為變形零點(diǎn)，各墩位移影響長(zhǎng)度分別為：L6、7=15m；L5、8=31m；L4、9=47m；L3、10=63m；L2、11=79m；L1、12=95m；L0、13=111m。
(1) 度位移：
Δlt=±α×Δt×l
6#、7#墩：
Δlt=±10-5×25×15000=±3.75mm;每增加一跨16m：Δlt=±10-5×25×16000=±4mm。
(2) 干縮位移：
Δls=-ε×l；ε對(duì)30mT梁取0.18×10-3，對(duì)16m先張法預(yù)應(yīng)板梁取0.16×10-3。
6#、7#墩：
Δls=-0.18×10-3×15000= -2.7mm；每增加一跨16m：Δls=-0.16×10-3×16000=-2.56mm。
(3) 徐變位移：
Δlx=－Py×φ×L/(Ah×Eh)
30mT梁截面平均荷載：Py =3711kN；
面積：Ah=0.80m2；
C50混凝土彈模：Eh=3.45×104MPa；
系數(shù)：φ=1.4。
6#、7#墩：
Δlx=-3711×10-3×1.21×0.5×15000/(0.8×3.45×104)=-1.22mm；
16m板梁截面平均受荷：Py =1322kN,
面積：Ah=0.64m2，
C40混凝土彈模：Eh=3.25×104MPa，
系數(shù)：φ=1.26，
一跨16m徐變：
Δlx=-1321.7×10-3×1.26×0.5×16000/(0.64×3.25×104)=-0.64mm。
在上面計(jì)算中，用的是平均預(yù)壓應(yīng)力，實(shí)際上由于恒載作用，梁內(nèi)的平均壓應(yīng)力要減少，故在計(jì)算中考慮0.5折減系數(shù)，若考慮活載作用，梁內(nèi)平均壓應(yīng)力還要小，從支座最不利角度來(lái)看，活載引起的壓應(yīng)力沒(méi)有再考慮。
(4) 支座型式選用:
各墩上選用的支座厚度，可提供剪切位移均大于相應(yīng)墩頂支座位移大值。
6、7#墩選用28mm厚支座，20×0.5=10mm＞7.64mm；
5、8#墩選用42mm厚支座，30×0.5=15mm＞14.24mm；
4#、9#墩選用63mm厚支座，45×0.5=22.5mm＞21.44mm；
余采用44mm厚滑動(dòng)支座，以滿足較大的水平位移。
(5) 支座安裝坡度設(shè)計(jì):
縱坡對(duì)稱、平緩，下滑作用不計(jì)；對(duì)1.5%單向橫坡，16m梁?jiǎn)沃ё暮爿d橫向下滑力為97×0.015=1.5kN，支座剪切角正切值為P/GA=1.5/1.1×103×0.15×0.15=0.06，遠(yuǎn)小于支座容許的剪切角正切值0.5，支座可斜置，30mT梁計(jì)算結(jié)果同上。該橋考慮滑動(dòng)支座較多，最后所有支座均設(shè)墊石，并水平放置。
(6) 錨栓設(shè)計(jì):
滑動(dòng)支座還是要設(shè)的，為防止地震時(shí)板梁從墩臺(tái)震落，所有墩臺(tái)均設(shè)活動(dòng)抗震錨栓，錨栓方形套管縱向長(zhǎng)為10cm，以滿足上部變形需要。
(7) 伸縮縫設(shè)計(jì):
臺(tái)縫變形量只需計(jì)算與臺(tái)相鄰聯(lián)在該縫處的伸縮量，墩縫變形量需計(jì)算兩聯(lián)在該縫處的伸縮量。0#、13#臺(tái)上部變形最大，膨脹量27.75mm，收縮量為43.34mm，伸縮量合計(jì)27.75+50.24=78mm,選用單聯(lián)縫SSF80型異型鋼伸縮縫即可滿足變形要求，在15℃設(shè)置時(shí)，縫寬預(yù)留3cm即可。
6、計(jì)算施工溫度取值探討
（1）設(shè)計(jì)溫差取值探討
在算例中，地區(qū)最低溫度按-10℃計(jì)，最高溫度按40℃計(jì)，各構(gòu)件安裝溫度均按地區(qū)最低、最高的中間溫度15℃計(jì)，故正、負(fù)氣溫差均為25℃計(jì)。也有部分學(xué)者認(rèn)為：施工是連續(xù)的，溫度是變化的，各構(gòu)件安裝溫度有可能在最低或最高溫度時(shí)進(jìn)行，氣溫差應(yīng)按50℃最不利考慮，溫度變形值應(yīng)增大一倍設(shè)計(jì)，由此，支座加大、縫加寬、連續(xù)長(zhǎng)度減短。以上看法從理論可行，但實(shí)際工程多不用。正、負(fù)氣溫差按50℃取極值的算法太保守，主要基于以下幾點(diǎn)：當(dāng)溫度過(guò)低，一般也不施工；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，梁體頂、低面存在較大溫差，頂面相對(duì)膨脹、底面相對(duì)收縮，梁底支座、縫寬受高溫影響也就小的多，而且大梁也可以在安裝前用冷水澆灑進(jìn)行降溫處理；再者，簡(jiǎn)支連續(xù)不是結(jié)構(gòu)連續(xù)，連續(xù)處容許拉裂及轉(zhuǎn)動(dòng)，可完成部分變形，使一聯(lián)的縱向累計(jì)變形減少很多，這也是為什么本人實(shí)測(cè)的支座、伸縮縫實(shí)際變形量小于計(jì)算值的主要原因了，如上述案例冬夏縫寬變化值只有2cm多，故正、負(fù)氣溫差取25℃是可以的，若考慮安裝溫度懸殊太大，設(shè)計(jì)時(shí)可作特殊處理。
（2）施工溫度取值探討
設(shè)計(jì)中一般給出安裝溫度，當(dāng)各構(gòu)件實(shí)際安裝溫度與指定安裝溫度不一時(shí)，要求調(diào)整伸縮縫寬度及支座剪切變形。縫寬可以根據(jù)氣溫調(diào)整，而支座剪切變形根據(jù)溫度調(diào)整是不現(xiàn)實(shí)的，太難，施工單位也不做，從對(duì)設(shè)計(jì)溫差取值的分析可知，安裝溫度變化對(duì)支座實(shí)際影響不會(huì)太大；且上部結(jié)構(gòu)變形實(shí)際是由支座剪切變形及墩身變形共同完成的，在支座厚度設(shè)計(jì)時(shí)尚未慮及墩身變形給予的富余，故支座剪切變形一般無(wú)需隨氣溫調(diào)整。盡管有以上諸多有利因素，為減少氣溫及徐變、干縮對(duì)支座剪切變形及縫寬的影響，施工時(shí)，各構(gòu)件安裝溫度應(yīng)盡量比地區(qū)中間溫度稍低5～10℃進(jìn)行，每次安裝氣溫應(yīng)接近，使支座的正常剪切變形及伸縮縫的伸縮值正、負(fù)變化基本相同,這樣，支座剪切變形最小，縫寬最小，支座受水平力也小。
7、總結(jié)
設(shè)計(jì)者一定要根據(jù)具體工程及各種因素選用支座型式，按適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、簡(jiǎn)單的原則進(jìn)行支座設(shè)計(jì)，以利施工、養(yǎng)護(hù)，由于支座各部分計(jì)算相互關(guān)聯(lián)、繁雜，設(shè)計(jì)者可用程序輔助設(shè)計(jì)，并注意經(jīng)驗(yàn)積累，對(duì)正在施工或已建成的橋梁不斷觀察、總結(jié)，提出問(wèn)題，研究問(wèn)題，克服不足，以提高支座設(shè)計(jì)質(zhì)量及使用效果；由于設(shè)計(jì)者直接選用定型產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量即為設(shè)計(jì)質(zhì)量，科研部門、廠家應(yīng)加大易設(shè)計(jì)、易實(shí)施、易養(yǎng)護(hù)支座的研究，確保產(chǎn)品安全可靠，經(jīng)久耐用；國(guó)家標(biāo)委會(huì)應(yīng)及時(shí)匯集最新成果，在規(guī)范中予以明確，以便統(tǒng)一實(shí)施；同時(shí)建議管理養(yǎng)護(hù)單位定期觀察，及時(shí)養(yǎng)護(hù)，消除隱患，以延長(zhǎng)支座使用壽命。