桥梁橡胶支座（精选9篇）
桥梁橡胶支座 篇1
桥梁支座作为重要的连接构件, 其主要作用包括:传递桥梁上部结构的支承反力, 包括恒载和活载产生的竖向力和水平力;保证桥梁结构在活载、温度变化、混凝土收缩徐变等因素下的自由变形, 使上、下部结构的实际受力情况符合结构的静力图。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、易于更换等优点, 目前大多数桥梁采用橡胶支座, 使其得到了广泛的应用和发展。但橡胶支座存在的一些缺点常引发病害, 严重时会影响桥梁结构的正常使用。本文对桥梁橡胶支座常见病害进行讨论, 从病害成因着手分析, 探究病害的防治措施, 为工程上桥梁橡胶支座的保养和维护提供建议, 达到使桥梁正常使用并延长使用寿命的目的。
1 橡胶支座常见的病害及成因
1.1 板式橡胶支座
板式橡胶支座由多层橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合、压制而成, 其活动机理是利用橡胶良好的弹性使其产生不均匀弹性压缩实现转动, 利用橡胶较大的剪切变形来满足上部结构的水平位移。板式橡胶支座现今成为中小跨径桥梁中使用最广的一种支座, 其常见病害种类包括钢板偏位或外露、橡胶老化开裂、剪切变形过大、不均匀鼓凸与脱胶、脱空等。1) 钢板偏位或外露是指由于橡胶开裂和支座制造工艺不成熟, 使钢板暴露在空气中或位置偏移, 容易引起钢板锈蚀, 影响支座的使用性能。2) 橡胶老化开裂在支座病害中较为常见, 板式橡胶支座在使用一定年限后表面出现开裂, 剪切裂缝呈水平向, 裂缝较宽且四周连贯, 还有的裂缝大约呈斜向45°, 缝宽, 且短和密。裂缝的产生不只是支座橡胶本身质量的问题, 橡胶支座开裂可能是由支座脱空、异常变形等病害引起的, 施工因素、超载车辆、支座垫石等其他多方面的影响也是诱使裂缝产生的原因, 支座开裂是支座病害中最常见的问题。3) 支座脱空是由于支座垫石和梁底钢板不水平, 或者支座底部砂浆松散开裂, 造成支座局部脱空或顶部完全脱空, 还有就是施工过程中支座安装温度控制不当, 梁体变形过大超过支座承受范围导致破坏。预防支座脱空, 可提高支座垫石混凝土的质量, 采用振捣密实并充分养护, 保持混凝土表面平整、干净, 在支座安装时要控制好环境温度, 应在低温天气或夜间施工, 严格执行施工规范所规定的内容。4) 支座本身质量不达标或安装操作不当会导致板式橡胶支座的异常变形。支座在生产过程中, 因生产厂家的制作水平欠缺, 使支座抗压和抗剪强度降低, 不能满足桥梁结构受力需要, 以至于产生过大变形, 引起结构附加内力, 降低结构的安全性能。在支座安装时, 由于施工技术人员操作不当, 使支座初始变形过大, 影响结构耐久性, 过大剪切变形会加速橡胶老化, 降低板式橡胶支座的使用寿命。预防支座异常变形:对支座垫石标高严格控制, 防止支座脱空;选择适当的安装温度, 降低温度应力对支座变形的不利影响;尽可能减小纵坡坡度, 控制纵向剪切变形。5) 支座不能正常滑动是因为墩顶落有大量的混凝土碎块, 不锈钢板锈蚀, 使支座处的摩阻力增大, 导致支座滑动困难。及时清理墩顶混凝土垃圾, 做好钢板防锈除锈工作, 对支座进行定期检查, 及时养护, 确保支座能够正常滑动。
1.2 盆式橡胶支座
盆式橡胶支座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。橡胶在盆内受到侧向限制, 不能被压缩和横向伸长, 所以支座可承受相当大的压力, 在均匀承压下可实现微量转角。盆式橡胶支座的水平位移较大, 承载能力较高, 转动灵活, 重量轻, 结构紧凑, 且加工制作简便, 能节约材料和工程费用。一般的板式橡胶支座无侧向受压, 其抗压强度低, 再加上其水平位移由橡胶允许剪切变形和支座高度决定, 位移量要求越大则支座越厚, 因此在板式橡胶支座的承载能力和位移值不能满足工程需要时, 常采用盆式橡胶支座代替。盆式橡胶支座常见的病害类型有钢盆裂纹、变形锈蚀、聚四氟乙烯板磨损严重、支座位移和转角超限、钢件脱焊以及锚栓剪断等。盆式橡胶支座产生的病害, 除了受支座本身的质量影响外, 还受施工单位在安装支座时的技术影响, 因此要对生产厂家的制造工艺进行改良, 对施工单位的操作技术加以提高。盆式橡胶支座的钢盆表面产生可见裂纹和明显的锈蚀, 在过大荷载值作用下, 钢板发生强制翘曲。聚四氟乙烯板与不锈钢滑板表面相互接触, 发生滑动时相互摩擦, 使聚四氟乙烯板被磨损消耗, 常利用聚四氟乙烯板的外露高度来衡量板的磨耗程度。由于设计和安装操作不当造成聚四氟乙烯板滑出不锈钢表面, 使得支座位移超限, 还造成支座转角超出荷载设计值时的预期值, 该转角可由盆式橡胶支座顶、底板之间间隙的最大值和最小值求得。
2 病害常规处理方法
桥梁支座是连接桥梁上部结构和墩台的重要构件, 一旦出现病害, 将影响桥梁结构整体的使用年限和行车安全。
2.1 更换支座
此方法能彻底消除支座病害对结构的影响和支座的耐久性问题等。缺点是支座更换工程量大, 有时受施工环境和结构的影响, 难以实施。常用方法:1) 把超薄单向千斤顶放置在主梁和墩顶间的狭小空间内, 配合百分表直接顶起相关的梁体。2) 用桥墩本身做支撑将支架搭设在盖梁上, 设计成“鞍”形支架, 放置千斤顶来顶升梁体。3) 以相邻跨梁体为支撑基础, 设置钢扁担梁, 辅以顶升设备将梁体抬升。
2.2 灌浆处理
工程上常采用灌注环氧砂浆的方法来解决支座脱空问题, 对支座局部脱空或顶部整体脱空部位进行密实填充, 可使支座均匀受力, 优化支座的受力性能。
2.3 加垫钢板处理
目前最常用加垫钢板的方法来解决桥梁施工和维护过程中的支座问题, 加垫钢板的材料、质量和规格必须满足设计和有关规定的要求, 钢板在安装前要进行防腐处理, 确保钢板在使用过程中不出现腐蚀现象, 并对钢板进行必要的清洁。
2.4 增加支座
当个别桥梁支座出现严重损坏, 但更换难度相当大时, 可考虑在损坏支座附近增设相应规格的支座, 帮助原支座传力, 改善原支座和梁体的受力性能。
2.5 其他注意事项
1) 对桥梁结构进行全面分析, 在遵循安全、经济、实效等原则的基础上选定最合适的支座病害处理方案。
2) 施工时应避免桥面荷载对支座更换时的影响, 对交通进行封闭, 杜绝桥梁任何部位出现损坏。
3) 施工过程中, 做好统一指挥和专人监控工作, 确保施工技术人员的人身安全以及设备无损。
4) 在更换支座时, 做好测量、记录工作, 正确计算新旧支座的高度差, 保证顶升同步, 支座更换时间不宜过久, 一般控制在30 min以内为宜。
5) 验算桥梁上部结构受力情况, 特别是对于连续桥梁, 由于其属于超静定结构, 要控制多余约束处结构次内力的大小, 以免过大次内力对桥梁结构造成损伤。
3 结语
桥梁橡胶支座的病害贯穿于桥梁整个使用过程中, 做好对支座的检测与维护工作, 为桥梁结构的正常使用提供保障。橡胶支座的病害受材料质量、生产工艺、施工控制等多方面影响, 本文探讨了病害预防以及病害处理的常见方法, 采用基本的防治措施, 与桥梁施工实际情况相结合, 提高结构的安全性和耐久性。支座在材料选用上确保质量, 优化设计方案, 施工过程遵循规范要求, 对支座安装、设计方案等做好检查, 促使施工质量和安全到位。对橡胶支座的病害进行具体分析, 制定有针对性的解决方案, 抓好支座生产、设计、施工各重要环节。
摘要：对板式橡胶支座与盆式橡胶支座常见的病害及成因进行了研究, 并对更换支座、灌浆处理、加垫钢板处理、增加支座等支座病害常规处理方法作了阐述, 以有效防治支座病害, 延长支座使用寿命。
关键词：支座,病害,应力,桥梁
参考文献
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[4]吴玉财, 张勇.广东省公路桥梁板式橡胶支座病害调查分析[J].铁道建筑, 2014 (6) :43-46.
桥梁橡胶支座 篇2
一、概况
马莱高速公路十五合同孝义水库大桥（中心桩号：K225+500），下部结构为柱式墩（上有盖梁）；肋式桥台（上有台帽）。上部结构为20孔×30米后张预应力连续箱梁，全桥共分 联，非连续端及伸缩缝位置，即本桥左幅在0、20号台、4、7、11、16号墩上设置GYZF4250×65mm滑板支座（每片箱梁端2个），在左幅其余墩顶上设置GYZ375×77板式支座；右幅在0、20号台、6、10、14、17号墩上设置GYZF4250×65mm滑板支座（每片箱梁端2个），在右幅其余墩顶上设置GYZ375×77板式支座。
二、现场描述
目前我部箱梁已安装至第12孔，但是本桥所用两种制作是自衡水冀军桥闸工程橡胶有限公司进的，在抽样送交通部检查后，结果不合格，为此，我部马上通知厂家来人进行分析原因，将库存支座全部召回。
为此决定不再使用此厂家生产的该类型的支座，而改用 使用的支座（河北衡水橡胶支座厂生产的。经抽检合格）。而左幅在0、号台、4、7、11、号墩及右幅在0、号台、6、10、墩上的滑板制作则必须更换下来。
三、前期准备工作
因预制箱梁安装后横隔板已连接起来，浇筑了混凝土，使半幅桥面形成了整体，如果单独把每片箱梁顶起，一个一个地更换滑板支座则混凝土箱梁横隔板连接处会因为弯折而容易产生裂缝或其它意想不到的破坏。因此，若将伸缩缝出的支座更换下来，则必须将该半幅箱梁同时、同步顶起一定距离后，将旧 支座取出来、新支座安上去，再将箱梁落在新支座上进行操作。为此，需进行以下工作：
1、千斤顶数量和顶位的选择，需更换支座的每半幅箱梁，必须每片箱梁配备相同的千斤顶，由于箱梁底距支座垫石的距离太小，不到7cm,无法设置千斤顶，所以千斤顶拟设置于箱梁的端横隔板预制部分的根部，内外边梁的外侧则设置于翼板的根部，这样每片箱梁设置2个千斤顶位（详见“布置示意图”）。
2、在设置千斤顶的位置，台帽或盖梁上应修整平整，放边长至少为25cm的正方形钢垫板，使千斤顶平稳放置，在千斤顶的顶部亦设置边长为25cm的钢垫板与箱梁横隔板或翼板根部接触。千斤顶吨位为： 每个50吨。
3、前期应尽早进行台帽或盖梁安放千斤顶处混凝土的整平，及钢管桩砂箱支柱的制作。并准备以下事项：
①准备30块钢垫板（正方形边长不小于25cm,厚为2—3cm）和橡胶板（或硬木板），用于千斤顶上、下的支垫。千斤顶顶部的钢板支垫应是从下到上逐级增大平面尺寸，并焊接成整体，以扩大传力面积。再在其上垫放橡胶板（或硬木板）保护箱梁底面。
②准备30块20*20cm方木，每块长约50cm,应现场量取箱梁底部至墩顶(或盖梁、桥台顶)的距离，当箱梁被顶起时，垫在(另加垫部分钢板)墩顶和箱梁之间，起临时支垫箱梁的作用，以防止千斤顶意外回油，造成危险。准备80块薄、厚不均的长条形钢板，随时塞缝用。
③搭设临时碗扣支架工作平台。准备好合格的支座。④事先试验如何将已经安装的支座取下来（如用刀具切割或其他工具和方法）。
⑤在支座顶部、箱梁底面的锚固钢板上用笔明确标示出支座的周圈位置线，以确保新支座安装的位置准确。
四、千斤顶布设示意图 布设示意图：
五、受力分析
1、一孔箱梁，按10片计，中梁每片88吨，边梁每片94吨，则892吨/孔，用千斤顶顶起一端，计446吨。
2、千斤顶位置布设如下图：（！）侧面图
千斤顶
（2）平面图
3、用20个千斤顶，每个50吨，从千斤顶布设和箱梁的自重分布情况来看，千斤顶的承载力能够满足需要，且具有2倍的保险系数。
六、现场操作
（一）人员组织
项目副经理：荆长良 项目副总工：顾业波 试 验 室：孙立民 技术负责人：毕文生 测量、检测：刘凯 施工队队长：刘乃彬 操作工人： 20 人 其它人员： 10人
（二）计划安排
根据施工任务要求，计划用7天时间完成该工作。
（三）操作
1、该项施工共需20个千斤顶，每个顶使用前需进行校验，和油泵配合校验，以确保能输出足够的支顶力。
2、千斤顶按照上图图示位置，操作人员现场安顶，位置必须准确无误。千斤顶顶面、底部加垫钢板和橡胶板，并予以固定。
3、在盖梁上或千斤顶旁边设置临时方木支撑，随着千斤顶的顶升及时塞垫钢板，以防止千斤顶意外回油、造成事故，从而增加施工的安全性。
4、试顶，正式顶升前应先进行试顶。全部千斤顶按起升重量的25%、50%、75%、100%同步、逐级加压，并检查千斤顶、支垫情况是否出现异常。若出现异常应停止加压，处理完毕后继续重复以上步骤的工作内容，直至无异常情况出现。然后开始正式顶升作业。
5、顶升，采用20点受力整体顶升法，即一孔箱梁端整体一齐顶升，以千斤顶的缸体行程作为顶升控制。每级顶升行程为5mm，各顶同步顶升。严格控制顶升速度，尽可能确保每台千斤顶出顶速度、行程同步，顶升速度宜慢不宜快，千斤顶出顶速度拟定为2.5mm/分钟。
6、更换支座，当箱梁被千斤顶连续顶起、其底面离开支座顶1-1.5cm左右，达到更换支座的空间时，人工将旧支座取出，按照规范和图纸要求更换新的支座。
7、新支座安装完毕即可千斤顶卸载，卸载时，逐级回油，每级行程5mm，严格控制每台顶回油的速度，确保每台千斤顶卸顶同步、箱梁回落稳定，满足 要求。
（四）质量控制
1、严格按照已经制定并通过认可的施工方案进行操作。
2、加强现场施工管理，杜绝野蛮施工，技术员对施工过程中的每道工序严格进行技术控制。
（五）安全措施
1、所有人员必须经过培训合格。岗前对施工人员进行安全教育、技术交底。
2、所有作业人员必须佩戴安全帽或安全带等。
3、所有操作均由一人统一指挥，指挥人员应配备口哨、指挥旗。所有操作工人必须听从指挥，及时、准确地按指挥人员的指示、意图进行操作。
桥梁橡胶支座 篇3
【摘 要】根据连霍高速公路商丘段桥梁存在的病害，简述桥梁支座更换维修在桥梁养护中的应用。
【关键词】桥梁养护；支座；更换维修
1.桥梁病害与维修养护方案的分析
连霍高速商丘段支座存在不同成度的病害，维修养护方案详述如下：
病害表现：个别橡胶支座脱空、缺失。
病害产生原因分析：支座老化，桥面重载交通荷载的长期冲击作用。
维修养护方案：对于支座丢失、脱空进行更换，采用单幅整体顶升，更换为同型号的支座。
2.桥梁病害处理施工工艺
整体顶升更换支座
由于顶升更换支座是一项复杂的工作，各方面的技术、安全保障措施以及人员、机械设备的安排相比其它工作要复杂得多。因此，我们将顶升支座的施工工艺和施工方案作为重点进行。经现场实际考察并多方论证，支座更换采取支座外侧直接顶升法。主要原理是利用超薄型同步油压千斤顶将其安放在桥台或盖梁顶面，通过主控制器，所有千斤顶同步工作，将整个半幅桥全部同时顶起约<16mm后，更换支座。
2.1使用的工具有关技术指标
A.超薄型同步千斤顶参数：工作能力：100T，行程：16mm，自身高度：85mm，外径：145mm，杆经：100mm。
B.电动液压泵主要参数：工作压力：63Mpa，工作流量：0.8L/min，油箱4容积：16L，电源：～380V。
C.分流阀主要参数：型号：FJ1-3、FJ1-4，工作压力：64Mpa。
2.2计算顶升力F
A.据设计图纸计算空心板单幅20米跨径桥：
单跨桥的重量G=30t/片梁×12片=360t；
桥面系的重量G′=80t
则F=1/2×（G+G′）=1/2×（90+360）=225t
13只千斤顶同时顶升，则每只千斤顶的顶力F′
F′=225t÷13只=17.3t/只
而每只千斤顶的额定顶升力f=100t≈5.8倍F′，安全系数大于3.0，是安全的。
B.据设计图纸计算空心板单幅30米跨径桥：
单跨桥的重量G=40t/片梁×12片=480t；
桥面系的重量G′=120t
则F=1/2×（G+G′）=1/2×（120+480）=300t
13只千斤顶同时顶升，则每只千斤顶的顶力F′
F′=300t÷13只=23.1t/只
而每只千斤顶的额定顶升力f=100t≈4.3倍F′，安全系数大于3.0，是安全的。
2.3准备工作
在墩台位处设置操作支架平台，平台最小宽度及长度应满足作业要求。对于干坡地段采取搭设支架方式，可用普通钢管，扣件连接。对于水中墩位采用悬吊脚手架。所有支架搭设应根据实际作出设计图示，其强度、稳定性均应符合规定，以保证作业安全。
支架完成后对各墩位支座进行全面检查，并作好全方位的检查记录，完善编号。
根据记录情况，确定更换支座部位和数量以及交通运行情况，制定最佳支座更换计划。
在作业前应对布置千斤顶位置处清除杂物，以利千斤顶及垫板的安放平稳，便于顺利操作及安全。
液压千斤顶、高压油表、高压泵站应先进行校验标定后方可投入使用。不合格者不得使用。
确定超垫使用的垫板，采用195毫米直径的厚壁无缝钢管（壁厚20毫米）制作成圆形保护环放置于千斤顶之上，以便在梁顶升过程中随时保墩超垫楔紧。
根据桥梁支座垫石实测情况预制支座垫石。支座垫石需达到要求强度方可使用。需准备一定数量不同厚度的薄钢板以备顶升超垫使用。
2.4更换作业
（1）在单跨横向各梁端头肋板下均布置一个千斤顶，千斤顶上下必须用钢板垫平，使千斤顶全面接触受力，如空隙较大，可用薄钢板超垫平稳。
（2）合理布置油泵等设备，接上高压油管，经检查后可进行顶升作业。设备应布置在有效顶升梁体以外，以减少顶升力的格外负担。同时应注意各油管的有效长度均匀性。
（3）同时在盖梁上每片梁底设置一个百分表，以检查梁体升高位移情况，相邻梁体顶升高差值应控制在1毫米内。顶升前作好各标尺的初始读数，顶升到设计值时应记录最后读数。这个最后读数与初始读数之差为桥梁的最终位移值，估计该值在7毫米以内。根据以往的桥梁整体顶升经验，不会对梁体连接部位造成损害。
（4）顶升开始，对千斤顶供油，流量、压量、压强缓慢地增加，将压力顶升到计算值的85%时，停止供油，关闭阀门，检查各个部位，全部正常再对千斤顶供油，观察标尺等进行全面检查，后开始整体顶升，以3mm/min速度顶升，顶升到5mm停一下，静态下观测顶升值，若有相差，即作调整；若无，则进行支座下垫钢板增高的工作。顶升应由慢到快进行，随时检查升高位移值的均匀性，并即时进行调整。为了保持梁体在横向上的连续性，防止变形过大而开裂，严格控制各千斤顶顶力在横向上的分配。
（5）在各梁梁端千斤顶上设置保护环超墩，该超墩应随顶升升高而进行加高，当停止工作时应将该超墩即时楔紧，以防止意外，确保结构物及施工安全。顶梁时，千斤顶应缓慢、分级加载，即5Mp、10Mp 15Mp、20Mp、25Mp 以5Mp为一个加载档次，当梁体升高达到设计值时，停止加压做稳压处理。每次加载后认真检查千斤顶、油管、油泵是否有漏油现象。顶梁过程中对梁体的横向和纵向变形进行监控，同一盖梁上的横向相邻两板梁位移差控制在1mm以内，纵向同一盖梁上板梁变形差控制在1mm以内。
（6）当梁体顶升高度以能拆除更换支座时，将对应更换的支座处千斤顶的闸门关紧，保持该千斤顶的顶升力度，这时立即更换损坏的支座，更换支座只能单个进行，完成一个后再进行下一个的更换，不得同时进行。
（7）采用专用工具将损坏的支座取出，取出前应对原有支座的位置进行测量记录，然后用专用工具将新支座安放在原位置上，并检查位置是否正确，高矮是否合适，接触是否良好。应该说所更换的支座应与原支座位置一致，但高度上应约高于原支座为宜。
（8）当应该更换的支座全部到位后，然后打开闸门，油泵作业，取下超墩保护环，慢慢均匀放松各千斤顶，将梁体落座就位。落座过程也十分重要，需认真观察，小心从事。
按上述支座更换步骤要求，完成其它桥跨支座更换作业。全部更换完毕，检查支座合格更换后，逐渐回油，拆卸顶升系统、平台及限位等。
3.结束语
桥梁橡胶支座 篇4
近年来,应用铅芯橡胶支座进行桥梁减(隔)震受到各国研究人员的广泛关注,并取得了一些有价值的研究成果[1,2,3]。铅芯橡胶支座是一种新型减(隔)震支座,它是由普通叠层橡胶支座插入铅芯形成,由于铅芯能同时耗散地震能量和增加静荷载下的刚度,满足了隔震体系的大部分要求,被认为是进行桥梁隔震较理想的装置,已在美国、日本、新西兰和意大利等国广泛应用。一些隔震桥梁已在数次地震中表现出良好的抗震性能,进一步显示了桥梁隔震技术的优越性和广阔的发展前景[4,5]。
我国对隔震支座的应用研究尚属起步阶段,而对铁路桥梁采用铅芯橡胶支座(LRB)的较少,铁路桥梁多采用盆式橡胶支座,研究铁路铅芯橡胶支座隔震桥梁抗震性能具有现实意义。理论分析与实验结果都表明,在桥梁中采用了减(隔)震支座后,桥梁的整体动力特性发生了改变,传统的桥梁延性抗震设计方法已经不再适用于隔震桥梁[6]。铅芯橡胶支座的滞回耗能特性主要由支座初始弹性刚度与屈服后刚度及硬化比等动力参数确定,同时铅芯直径和高度的变化,对铅芯橡胶支座吸收耗散能量的功能有直接的影响。本文建立了隔震多跨简支梁桥体系的全桥模型,将支座、梁和桥墩作为一个整体考虑,给出了铅芯橡胶支座滞回特性的等效线性模型以及这种支座设计参数的计算方法和取值范围。通过改变地震激励特性、地震动强度和车速等参数,对隔震桥梁在不同激励下的响应规律和特点进行了系统的研究。
1 铅芯橡胶支座动力分析模型
1.1 铅芯橡胶支座滞回模型
从大量的试验结果可知,铅芯橡胶支座的荷载—变形关系是非线性的,Bouc-Wen[7]通过对结构动力滞回特性研究提出的微分型滞回恢复力模式,在一定程度上接近滞回特性的实际情况,能方便地考虑橡胶支座水平变形的后期硬化特性。为简化计算,根据滞回曲线中正反向加载卸载时,初始刚度与卸载刚度以及屈服后刚度相平行的特点,将支座的滞回曲线简化为双线性曲线,从而建立起铅芯橡胶支座的滞回特性等效双线性模型。滞回曲线主要由铅芯橡胶支座的动力参数确定,最重要的就是屈服前刚度,屈服后刚度和屈服强度,而影响这些参数的主要因素是铅芯橡胶支座的橡胶面积,铅芯直径和高度,以及铅芯橡胶支座的剪切模量。当确定了支座的尺寸和材料特性,就可以求出支座模型的三个重要参数。图1为铅芯橡胶支座简图,图2描述了铅芯橡胶支座等效双线性恢复力模型。
1.2 铅芯橡胶支座的初始刚度与屈服后刚度
本文的支座参数分析采用日本桥梁免震设计条例[9]给出的根据实验结果建立的公式:
Ku=6.5Kd (1)
F=ARFγ+APq0 (3)
Qd=Apq0 (4)
q0=85.0 kgf/cm2,对应于剪应变γ=0 时铅芯的剪应力,q是铅芯剪应力,按下式取值:
1.3 铅芯的直径和高度
理论分析与实验结果表明:铅芯橡胶支座的耗能主要是通过铅芯的变形来实现。即铅芯橡胶支座的耗能随支座的特征强度的增大而增大,随支座的最大变形的增大而增大。当两支座铅芯有效变形体积相同时,多芯支座的耗能略低于单芯支座。为了保证铅芯橡胶支座正常的力学性能,铅芯的直径dp与其有效高度HP之比应满足下面的关系:1.25≤HP/dp≤5.0。
2 隔震桥梁地震响应分析实例
2.1 五跨简支梁桥的基本参数
某铁路五跨简支梁桥,采用32 m箱梁,圆端形实体桥墩,20 m墩高,墩身为C35混凝土现浇,纵向钢筋全截面配筋率为0.43%。桥址处50年超越概率为2%,设计水平地震加速度a=0.2g,罕遇水平地震加速度a=0.4g,Ⅱ类场地,特征周期为0.55 s。
2.2 有限元分析模型
采用ANSYS建立五跨简支梁桥全桥空间分析模型,采用Beam188单元模拟箱梁和桥墩,墩底固结。根据前述研究,铅芯橡胶支座在滞变加载实验中的滞回曲线近似呈现为双线性的行为,故在数值模拟中采用双线性模式模拟铅芯橡胶支座的行为。在ANSYS中,隔震支座的力学模型可以简化为由水平两方向的非线性弹簧、粘滞阻尼器以及竖向的线性弹簧所组成,竖向刚度的模拟采用Combin14单元;在两个水平方向采用Combin40单元,该单元可以引入双线性的强化模型、粘滞阻尼的影响。
2.3 铅芯橡胶支座设计
根据前述理论,铅芯橡胶支座尺寸及计算参数见表1。
3 铅芯橡胶支座隔震桥梁动力响应计算及分析
3.1 计算过程
为了分析减隔震支座的减震效果,考虑了三种工况及其组合:
1)列车分别以160 km/h,200 km/h,250 km/h,300 km/h,350 km/h的车速过桥;
2)桥梁分别考虑普通盆式橡胶支座和铅芯橡胶支座;铅芯橡胶支座尺寸及计算参数见表1;
3)输入El Centro地震动加速度时程,分别考虑横向和纵向常遇地震、设计地震和罕遇地震,地震力组合为Ex+0.65Ez,Ey+0.65Ez。
桥梁结构在隔震前基本周期为0.462 0 s,隔震后的基本周期为1.127 4 s。通过输入El Centro地震动,以列车时速350 km/h纵桥向罕遇地震输入为例,计算隔震前后结构的墩顶位移和墩底剪力以及墩底弯矩的最大值见表2。160 km/h时速时隔震前后纵向罕遇地震墩顶顺桥向位移见图3;350 km/h隔震前后纵向罕遇地震墩顶顺桥向位移见图4;减震率
3.2 结果分析
利用ANSYS对以上三种工况组合进行计算,结果表明:
1)随着列车速度和地震强度的增加,桥梁动力响应有增大的趋势,但不是线性增加,对于隔震桥梁的减震率来说,亦是如此。
2)与普通橡胶支座相比,铅芯橡胶支座既能降低强震作用下结构的墩顶位移,又能降低梁体的位移,同时桥梁所受的弯矩剪力都大为减少。采用铅芯橡胶支座对桥梁进行合理的隔震设计,可以使桥梁在罕遇地震作用下由铅芯橡胶支座吸收大部分地震能量,使大部分变形都发生在支座部位,即使桥墩发生有限的非弹性变形,隔震设计仍然可以起到有效保护桥墩的作用。
4 结语
本文建立了铅芯橡胶支座滞回特性的等效线性化模型,给出了这种减震装置的设计参数的计算方法及合理的取值范围。以高速铁路多跨简支梁桥进行减隔震计算分析,计算结果表明:
1)随着列车速度和地震强度的增加,隔震桥梁动力响应有增大的趋势,但不是线性增加;2)与普通橡胶支座相比铅芯橡胶支座具有良好的减震性能,铅芯橡胶支座能降低强震作用下结构的位移弯矩等内力;3)合理的选择减隔震支座动力参数是减小结构的地震响应的关键所在,对桥梁减隔震体系的参数优化应深入研究。
摘要：给出了铅芯橡胶支座滞回特性的等效线性模型以及支座设计参数的计算方法和取值范围,建立了隔震多跨简支梁桥体系的全桥模型,通过改变地震激励、地震动强度和车速等参数,对隔震桥梁在不同激励下的响应规律和特点进行了系统的研究,分析了隔震效果。
关键词：铁路桥梁,铅芯橡胶支座,减隔震
参考文献
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桥梁橡胶支座疲劳损伤的初步研究 篇5
1 橡胶支座疲劳寿命分析
1.1 影响支座疲劳寿命的因素
支座的失效形式主要表现为裂纹贯穿橡胶保护层。由于保护层失去作用,钢板很快受到腐蚀作用失去其应有的作用。裂纹在橡胶保护层中的贯穿过程,可视为橡胶材料在循环荷载作用下的疲劳损伤过程。
影响橡胶的疲劳因素主要有两方面:荷载作用的过程和环境的因素[1]。
荷载作用的过程主要有交变荷载及荷载最大值;荷载最小值;平均荷载及循环比;静态荷载的作用时间;加载顺序;加载多轴向性;加载频率及波形。环境的因素主要有温度、臭氧、氧和电荷。其中橡胶的疲劳性能对最大值和最小的循环荷载极限值非常敏感[1]。
最大值和最小的循环荷载极限可用最大应变和最小应变极限来表示。即采用最大应变和最小应变之间的应变变化幅度。文献[2]根据Ogden模型(用于模拟不可压缩的和各向同性弹性体的力学模型)给出了橡胶材料的疲劳寿命关于应变变化幅度的趋势图,见图1,并提出了橡胶材料疲劳寿命的估算公式:
式中:Nf为疲劳循环次数;Δε为应变变化幅度
该公式是在厚1.9 mm的拉伸试件做试验得出的,见图2。
1.2 形状系数对支座性能的影响
橡胶支座在支撑巨大竖向力的同时还必需提供必要的移动和转动。橡胶本身一种非常柔软的材料,很容易产生变形和转动,而没有足够的强度来支撑巨大竖向重力,增加交互层叠薄钢板可提高承载能力。
所有材料在承压时都将产生横向变形(泊松效应),在承压时柔性的橡胶将大量向外膨胀(凸出)变形。值得注意的是,由于高刚度加劲板的约束,在受压时橡胶改变了膨胀模式,剪应变弹性极限将下降(橡胶变硬),增加了承压能力。橡胶支座的膨胀效应近似由支座的形状系数(S)来表述,S是有效承压面积与单层橡胶层的可变形的侧表面积的比值。
AASHTO(1996年)强调剪切模量是设计支座最关键的性能和参数。剪切模量和形状系数决定了支座的抗压应力应变特征曲线。橡胶支座的设计,正是通过调节形状系数来控制极限应变和承载力。支座剪切变形的极限取决于剪切应变和大应变条件下的失效变形模式(局部翘曲、扭面),缺陷通常出现在夹角处。
2 支座损伤的分析
2.1 不可压缩弹性理论解
根据不可压缩弹性理论,可以得出支座在轴向压力作用下支座内部胶层的应力,其分布规律[3,5]可由下式表示:
式中:pm为支座的平均压应力;σ为压应力;τ为剪应力;R为支座的半径;r为点到支座中心的距离。
当r=R时,τ有最大值。
这说明支座中最大剪应力与支座的形状系数成反比。支座的形状系数越小,最大剪应力的数值越大。依据JT/T4—2004《公路桥梁板式橡胶支座》[4]标准,板式橡胶支座的形状系数取值范围为5~12,结合公式(4)可找出形状系数与剪应力的对应关系,见图3。按照以上经典理论,剪应力的大小并不足以让边缘处的胶层开裂。文献[3]指出:当形状系数S>20时,剪应力的有限元计算结果基本上与不可压缩弹性理论解相吻合;当形状系数S<20时,则在橡胶层与钢板连接的边缘处存在剪应力集中的现象,剪应力集中系数与形状系数的关系见图4。
依据JT/T4—2004《公路桥梁板式橡胶支座》[4]标准,板式橡胶支座的形状系数取值范围为5~12。根据图4可以近似得出应力集中系数与形状系数S的对应关系,见图5。
结合公式(4)与图5中剪应力集中系数与形状系数S的对应关系,可得出剪应力放大系数与形状系数的对应函数关系,见图6。
式中:y为放大系数;x为形状系数
最后的结果应为支座的最大剪应力与平均压应力在不同形状系数下的对应关系。
若支座的平均压应力为10 MPa,形状系数为5,则支座的最大剪应力为平均压应力的1.63倍,为16.3 MPa,超过标准规定的胶层与钢板之间的剥离强度10 MPa,接近标准规定的橡胶拉伸撕裂强度17 MPa。当支座的形状系数较低时,支座局部(胶层与钢板结合边缘处)极易出现损伤现象。
通过支座轴向受压试验研究基本上验证了胶层局部损伤的过程。试验中支座形状系数S=3.3,放大系数为3.4,当压应力小于4 MPa时,橡胶层的损伤为零,见图7(a)。当压应力为4.2 MPa时,理论推算主拉应力为14.3 MPa,已超过标准规定的胶层与钢板之间的剥离强度10 MPa,此时观测到橡胶层的空穴,呈半圆形,半径为0.1 mm,见图7(b)。当压应力为6 MPa时,理论推算主拉应力为20.4 MPa,已超过标准规定的橡胶拉伸强度17 MPa,空穴迅速成长。观测到橡胶层的空穴,渐呈三角形,空穴宽度为1.2 mm,见图7(d)。当压应力大于6 MPa时,观测到橡胶层的空穴,呈锐角,空穴宽度为1.8 mm,见图7(e)。随着载荷的增加,内部胶层空穴在成长、发展,裂尖明显,如果存在交变负荷则裂纹必将在裂尖处形成裂纹并扩展,将直接影响支座的耐久性。直至穿透5 mm厚的橡胶保护层,使加劲钢板失去保护。支座的局部损伤首先表现为橡胶层首先与钢板剥离,其次为橡胶层的开裂,最后为裂纹的扩展。理论推算的结果基本上与试验现象相符合。
3 疲劳寿命的估算
根据上述分析,支座的疲劳寿命与应变的变化幅度有关,当有一辆汽车通过桥梁时,支座胶层与钢板结合边缘主拉应变就会产生一次变化过程,形成一次疲劳循环。设
式中:ΔP为支座在车辆通过时的平均压应力的变化幅度;Pmax为支座在车辆通过时最大荷载下的平均压应力;Pmin为支座在桥梁恒载作用下的平均压应力。
通过式(3)、式(5),可计算出Δτmax,根据式(2)钢板与胶层结合边缘处的压应力为零,此处实际上为纯剪切应力状态,近似根据应力与应变在线弹性范围的对应关系,可求出Δε。
再根据式(1)得出支座疲劳循环的次数,从而大致估计出其疲劳寿命。从以上的过程不难看出,当形状系数变小时,Δτmax变大,相应的Δε亦增加,Nf变小,疲劳寿命缩短。以下根据[7]的桥梁设计实例,按现行的设计规范设计出不同形状系数的支座,分别取5 mm,8 mm胶层厚度的2种支座,进行疲劳寿命的估算。
某桥为5梁式双车道简支梁桥,标准跨径L=20 m,计算跨径l=19.5 m,荷载为汽车-20级、挂车-100级。上部结构恒载反力N=165 kN,汽车与人群荷载最大反力N汽+人=171 kN,挂车荷载最大反力N挂=307 kN,汽车与人群引起跨中最大挠度为12.8 mm,主梁计算温度差ΔT=35℃。疲劳寿命估算不考虑轻型车辆的影响,只考虑重载车辆的影响;不考虑胶层厚度的不均匀对支座形状系数的影响。车辆通过时,计算支座反力不考虑桥梁横向变形的影响,按5根梁平均承担车辆荷载计算。
桥梁支座的设计步骤:
(1)计算支座反力并初步拟定平面尺寸;
(2)计算支座位移并确定支座总高;
(3)计算支座转角、验算支座不脱空条件。
根据最大支座反力,初步选择支座半径为R=250 mm。
当20 t车辆通过桥梁时的支座反力为:1.191×(13+5.6)×9.8/5=43.42 kN,平均应力的变化幅度,
(1)中间橡胶层厚度5 mm
S=4×5240=12,由式(5)放大系数为y=0.381,Δτ=
(1+μ)=30.3.066(1+0.5)=0.183(广义虎克定律)。
以上是按1.9 mm厚的橡胶片的疲劳破坏结果计算,裂纹从支座内部扩展到支座边缘为5 mm,循环次数应按比例修正,修正结果Nf=31.34×106。
(2)中间橡胶层厚度8 mm
S=4×8240=4.5,由式(5)放大系数为y=0.880,Δτ=
修正结果Nf=1.44×106。
2种支座均满足支座的设计要求,但其疲劳寿命却相差很大。主要原因是支座的形状系数对橡胶层与钢板连接的边缘处的剪应力集中现象有很大的影响,尽管车辆通过时2种支座平均应力变化幅度是相同的,但是由于两者对平均应力的放大系数相差2.31倍,从而使主拉应变的变化幅度相差2.31倍。主拉应变的变化幅度也同样按此比例变化,而疲劳寿命取决于主拉应变的变化幅度,导致两者疲劳寿命差距。由此可见支座的形状系数对其疲劳寿命影响起到决定性的作用。因此在支座的设计上应将形状系数作为支座设计的主要控制参数和支座成品验收的主要依据。
4 结语
支座的损伤与疲劳寿命与其形状系数密切相关。支座的损伤主要由于支座钢板边缘的剪应力,剪应力与形状系数成反比,并且有应力集中的现象也与形状系数成反比,当形状系数较小时,胶层与钢板之间容易达到剥离强度,容易造成胶层与钢板剥离,产生空穴,支座的损伤程度较高。支座的形状系数对支座的疲劳寿命起到决定性的影响,因此在支座的设计上,除了要考虑支座承载面积和支座高度这两个主要因素外,还应将支座的形状系数作为设计的主要参数予以考虑。在支座设计中,应将形状系数作为支座设计的主要控制参数和支座成品验收的主要依据。
摘要：系统地对公路桥梁板式橡胶支座在容许荷载作用下进行了试验研究,根据橡胶支座内部橡胶与钢板结合部位的应力集中特点,分析了橡胶支座裂纹萌生的扩展情况,初步建立了简单的损伤模型,并根据该模型预测了橡胶支座损伤发展的趋势。
关键词：橡胶支座,损伤模型,裂纹扩展,应力集中
参考文献
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新建桥梁橡胶支座的常见病害分析 篇6
关键词：橡胶支座,常见病害,处治方法
桥梁支座按材料可分为钢支座、聚四氟乙烯支座、橡胶支座、混凝土支座和铅支座等。近年来, 橡胶支座以其结构简单、造价低廉、施工方便、性能可靠、养护工作量少等优点而成为最主要的桥梁支座形式。我国目前新建的公路桥梁, 几乎100%的使用板式橡胶支座和盆式橡胶支座。本文结合珠三角地区某市265座新建桥梁的定期检查结果, 探讨橡胶支座主要病害的成因, 提出合理的处治方法。
1 橡胶支座的类型及适用范围
橡胶支座按其结构形式主要分为板式橡胶支座、盆式橡胶支座和聚四氟乙烯滑板式橡胶支座。
板式橡胶支座由多层橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合、压制而成, 其承载力可达到10 000 kN, 主要用于中小跨径的简支梁桥。
盆式橡胶支座是将橡胶板密封在钢制凹盆内, 使橡胶板处于三向应力状态, 大大提高了承载能力。与板式橡胶支座相比, 盆式橡胶支座具有承载能力大, 容许支座位移大, 转动灵活等优点, 因而特别适宜在大跨度桥梁上使用。
聚四氟乙烯滑板式橡胶支座是板式橡胶支座的一种特殊形式, 它是在普通板式橡胶支座的表面粘贴一层聚四氟乙烯板, 在主梁支点底面设置一块有一定光洁度的不锈钢板, 通过聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的相对滑动来适应桥梁的伸缩变形, 主要作为活动支座使用, 也可以在桥梁顶推法施工中作为滑块使用。
2 橡胶支座的常见病害、原因分析及处治方法
本次检查是对某市外环线新建桥梁竣工一年后进行的定期检查, 本标段共有桥梁265座, 其中特大桥5座、大桥75座、中桥115座、小桥70座。主要为装配式梁桥和连续箱梁桥, 所有桥梁几乎都采用板式橡胶支座和盆式橡胶支座, 其中板式橡胶支座主要存在局部脱空与完全脱空现象。盆式橡胶支座总体状况良好, 部分支座钢盆处轻微锈蚀, 具体病害有以下几种。
2.1 支座脱空
支座脱空有完全脱空、局部脱空和支座被压碎而形成的脱空, 检查发现全线相当部分桥梁的橡胶支座存在局部脱空现象, 甚至完全脱空, 个别位置未放置支座, 典型病害见图1, 图2。
该病害主要是由施工不当引起的, 即在安装支座时支承垫石或梁底不平整, 或者每片梁两端垫石面高差过大, 而个别点未放置支座的情况则是施工中绝对不允许出现的。另外, 由于珠三角地区多软土地基, 墩台沉降也是支座脱空的原因之一。
对局部脱空30%以上的支座应进行调整, 主要采用钢板进行垫实、垫平。对支座缺失的位置应尽快安装合适的支座。
2.2 异常变形
橡胶支座在正常使用状态下, 以橡胶的压缩变形来承受竖向荷载, 以橡胶的剪切变形来承受水平荷载, 以橡胶的不均匀压缩来适应上部结构的转动。在温度、汽车制动力等作用下, 容许支座有适当的变形, 变形过大则会引起支座的开裂乃至毁坏。经检查发现, 有部分板式橡胶支座存在剪切变形过大的现象, 这些支座多位于横桥向的端部, 即位于主梁横向变形最大的位置。有部分支座压缩变形过大, 超过支座厚度的15%, 个别支座被压坏, 典型病害见图3, 图4。
产生上述病害的原因主要有两个方面:
1) 施工方面:落梁时不够平稳, 造成支座过大的初始剪切变形;支座脱空造成支座受力不均, 个别支座受力过大导致变形过大甚至被压坏。2) 支座本身质量方面:支座保护层厚度不足, 内部钢板偏心, 有的厂家为了降低成本, 甚至采用再生胶和劣质钢板, 造成产品质量低劣。处治变形超过限值支座的方法是进行支座更换。
2.3 支座开裂
部分支座出现橡胶开裂现象, 有水平裂缝和45°方向的斜裂缝, 以斜裂缝居多, 裂缝短而密。
产生上述病害的原因主要有:1) 施工方面:施工不当造成支座受力不均, 个别支座受力过大而产生开裂。2) 支座本身存在质量缺陷。3) 超载的影响:由于本线路实行免收费政策, 汽车超载比较严重, 实际活载可能超过设计荷载。4) 其他因素:墩台顶有残留混凝土垃圾、砂土等杂物限制了支座的正常变形。处治上述病害的方法为更换支座。
2.4 支座锈蚀
部分盆式橡胶支座钢盆表面有锈蚀现象, 板式支座的钢垫板普遍存在锈蚀现象, 典型病害见图5, 图6。
产生上述病害的原因主要有:1) 施工方面:支座防腐、防锈处理质量不高。2) 养护维修方面:对墩台处防水装置的缺陷未及时处理, 使支座或钢垫板受雨水侵蚀而锈蚀。
上述病害的处治方法为:及时对防水装置的缺陷进行处理;对橡胶支座应经常清扫污水, 排除墩、台帽积水;对钢垫板进行喷漆以防锈蚀;对表面锈蚀的盆式支座, 应进行除锈防腐处理;个别锈蚀特别严重的支座应进行更换。
2.5 其他病害
除上述常见病害之外, 板式橡胶支座还存在支座垫石破损、支座下垫油毛毡、钢垫板错位、支座偏位、垫石模板未脱、支座处杂物堆积等病害;盆式橡胶支座还存在支座螺母松动、支座约束未解除、防尘罩缺失等病害, 典型病害见图7, 图8。
产生这些病害的原因主要有:
1) 施工方面:砂浆填充不密实, 砂浆强度不够, 吊装时的碰撞等是造成支座垫石破损的主要原因;安装支座时定位不准是造成支座偏位的主要原因;施工的疏忽造成了垫石模板未脱、支座约束未解除、防尘罩缺失等诸多病害。
2) 管养维修方面:支座处的杂物未及时清理, 螺栓松动未及时修理。
上述病害的处治方法为:垫石破损处加以修补, 油毛毡垫块更换为钢垫板, 钢垫板错位、支座偏位严重者应重新调整, 模板未脱的应进行拆模, 支座处杂物予以清除, 松动螺母重新紧固, 约束未解除的及时解除约束, 防尘罩缺失的加以修补。
3 结语
桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件。橡胶支座因其具有许多突出的优点而在桥梁工程中得到广泛应用, 为使橡胶支座处于良好的技术状态, 延长支座的使用寿命, 提出以下几点建议:1) 严格按照国家颁布的产品标准和技术指标要求组织生产。2) 合理地选择橡胶支座的类型和尺寸, 严格按规范要求施工, 保证支座的施工质量。3) 安装支座前, 监理部门和施工单位应对支座进行严格抽样检验, 合格后方可使用。4) 严格按照养护规范对桥梁进行定期检查, 结合日常的检查与养护工作, 以便及早、及时发现病害, 对出现病害的桥梁支座应当及时进行维修处理, 并针对不同的病害程度采取不同的维修措施, 从而改善结构受力, 提高桥梁的服务水平, 延长桥梁使用寿命。另外, 要加强对桥梁运营的管理, 限制汽车的超载超速。
参考文献
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桥梁橡胶支座 篇7
某桥跨径6×30 m,全桥共2联,前3孔一联,后3孔一联。上部采用预应力混凝土先简支后桥面连续T梁,单孔横向5片梁。下部构造:桥墩采用柱式墩、空心薄壁墩,Φ2.0 m、Φ2.2 m钻孔灌注桩基础;0#桥台采用组合式桥台,Φ1.5 m钻孔灌注桩基础;6#桥台采用柱式桥台,Φ1.7 m钻孔灌注桩基础。
根据桥梁结构的总体构造布置,建立全桥动力特性和地震反应分析的3维有限元分析模型。
主梁、桥墩、横系梁、盖梁和桩模拟采用考虑剪切变形的3维铁木辛克弹性梁单元,承台本应该是实体建模,但因为在地震响应计算中,承台主要作为质量单元参与地震响应贡献,所以承台也作为梁单元处理,但质量仍然精确反映。主梁采用梁格模型,较精确地模拟了上部结构的刚度和质量。要注意的是,在大震作用下,虽然加装了隔震装置,但桥墩仍很有可能进入抗弯屈服工作阶段,所以必须对桥墩是否进入抗弯屈服进行判断。如果发现墩身出现塑性铰,应将墩身改为3维弹塑性梁单元重新进行分析。
使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础。将土层分层离散为文克尔弹簧,离散后的等效弹性支承的弹簧刚度k,就等于弹性支承作用面积A,(即单元高度与基础计算宽度的乘积)与地基系数C0的乘积,即k=A×C0。在离散等效弹性支承时,同一土层可根据精度需要,将其分成若干部分,但在土层分界处,必须分开。将每一个分出的部分看成一个弹性支承,其作用点就在该部分的合力作用点处。据此可得:
式中:Ki为每层土弹簧的刚度系数;hi为每层土的厚度。
依据《公路桥梁抗震设计细则》第6.3.8条,动力计算时,土抗力的取值比静力大,一般取m动为2～3倍的m静,本文取2.5m静。
全桥空间有限元模型见图1。
2 铅芯橡胶支座及伸缩缝的模拟
根据分析目的的不同,铅芯橡胶支座大致可分为2种模拟方式:(1)针对于振型分析、反应谱分析等线性分析,一般采用具有等效刚度及等效阻尼比的线性恢复力模型弹簧元;(2)针对于非线性静力分析、非线性时程等非线性分析,一般采用双线性恢复力模型(如新西兰MWD CDP818/A规范)或修正的双线性恢复力模型(如日本桥梁免震条例)。国内外很多学者对铅芯橡胶支座的力学参数进行了研究,大部分的研究表明(如范立础《桥梁减隔震设计》,吴彬、庄军生《铅芯橡胶支座的非线性动态分析力学参数试验研究》,等)其主要力学参数在支座剪应变时变化趋势明显变缓,而一般在地震作用下支座剪应变都比较大。所以目前在非线性分析中使用较多的是常数型双线性恢复力模型。
本次地震响应分析的方法主要采用非线性时程分析,所以可以较真实地考虑支座的非线性行为,支座的水平剪切恢复力模型见图2。
本桥采用某厂提供的270 mm×270 mm×141mm方形铅芯橡胶支座,厂家提供的支座力学参数见表1。
在地震作用下,联与联之间的梁体在纵桥向可能发生不同步振动,此时梁体间相对压缩位移若是超过了梁缝的初始间距,两联间的主梁将发生碰撞引发桥梁的破坏甚至落梁。特别是在加装了隔震支座桥梁的地震分析时,考虑到梁梁间的纵横向相对位移比较大,应该考虑梁梁间存在的碰撞可能。在非线性时程分析时可采用如图3所示的间隙单元来模拟伸缩缝。
3 计算结果
依据《公路桥梁抗震设计细则》第3.4条,地震作用下的效应组合应包括永久作用效应+地震作用效应,在永久作用效应基础上按照横向1.0+纵向1.0+竖向0.5的系数同时输入3向人工地震波,如图4所示。
3.1关键截面轴力-弯矩屈服面能力分析
当考虑3向地震力同时作用时,除了竖向地震荷载会导致双柱墩和桩群轴力发生很大变化外,在横桥向地震力作用下,双柱墩和群桩基础还会因为“框架效应”也会导致产生很大的轴拉力,所以双柱墩和桩群也必需通过截面的P-M屈服面来进行判别,其中屈服面以首根钢筋受拉屈服定义。
截面轴力-弯矩屈服面能力分析的原理是把横截面按约束混凝土、非约束混凝土、纵向钢筋双向划分为平面网格,每一网格的中心为数值积分点。网格的纵向微段即定义为纤维。通过计算每个纤维的应力,并在断面内进行数值积分,即可求解每个微段的内力变化过程。此时,只要纤维分得足够细,材料本构关系正确,计算精度就可满足相应的要求。
钢筋纤维采用考虑了“Bauschinger”效应和硬化阶段的修正的Menegotto-Pinto本构。圆形截面钢筋混凝土纤维一般采用mander本构。
通过验算可以看到,墩柱及桩所有最不利截面在E2地震作用下其内力P-M相关时程点基本都处于截面P-M屈服面内(偶尔有极少部分内力相关点超过了屈服面,此时截面的裂缝宽度可能会超过容许值,但混凝土保护层还是完好。由于地震过程的持续时间比较短,地震后,由于结构自重,地震过程开展的裂缝一般可以闭合,不影响使用),所以判断双柱墩和桩在E2地震作用下均处于弹性阶段内工作。图5给出了2#墩的最不利截面的验算图示。
通过计算还表明,0#桥台伸缩缝在E2地震作用下不会发生碰撞,5#桥台伸缩缝在E2地震作用下的某些特定工况会发生碰撞。所以在构造上两端部桥台处(特别是5#桥台)伸缩缝需要加橡胶缓冲吸能垫。
4 隔震结构隔震性能评估
对隔震结构的隔震性能评估一般可通过2方面来表现:(1)隔震结构构件最大内力与非隔震结构构件最大内力之比;(2)隔震结构基本周期与非隔震结构基本周期之比。本次分析参考《公路桥梁抗震设计细则》第10.1.6条,采用第2种评估方法。
隔震结构的基本周期是与隔震支座的等效刚度密切相关的,而支座的等效刚度又和支座的有效位移相关。参考平成14年3月的《道路桥示方书(V耐震设计编)同解说》,支座的有效位移取为支座整个时程位移中最大值的70%。具体的方法就是根据非线性直接积分法得到每个支座的顺桥向、横桥向最大位移结果,然后取每个值的70%作为有效位移,根据该有效位移再得到每个支座顺桥向、横桥向方向的有效刚度,最后得到整个结构的周期、振型。
将所有的隔震支座换成与非隔度结构相同尺寸的普通板式橡胶支座,其水平剪切刚度应与铅芯隔震支座的一次刚度相同为4 700 kN/m,隔震桥梁与非隔震桥梁同期对比见表2。
通过表2可以看出,隔震结构的第1阶周期是非隔震结构的第1阶周期的1.44倍,而从第2阶周期开始则增加为1.8倍。到第10阶周期时,则达到了2倍。显然,隔震效果非常明显,采用隔震装置后结构的动力特性性能基本达到《公路桥梁抗震设计细则》第10.1.6条的建议值。
5 结论
本次研究表明,在高烈度地区的桥梁结构,使用铅芯橡胶支座进行隔离、吸收和耗散地震能量效果显著。但要注意的是:
(1)对于安装了减隔震装置的桥梁的下部结构,在大震作用下也不一定是一定在弹性范围内工作,一定要对其进行屈服验算,否则可能需要对其减隔震装置的性能、安置方式进行调整;
(2)对于安装了减隔震装置的桥梁的上部结构,在大震作用下主梁端很容易因为较大的位移发生碰撞,此时一定要注意在伸缩缝处设置吸能缓冲装置,以减小碰撞给上部结构带来的损坏。
参考文献
[1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2]黄方,王爽.两种弹塑性梁单元在桥梁地震响应分析中的研究比较[J].中国西部科技,2009,8(23):31-33.
桥梁橡胶支座 篇8
通过近年来的调查、检测、施工和桥梁病害分析发现, 橡胶支座在产品内在质量、试验检测、设计选用、施工安装以及养护维修等方面存在诸多问题和隐患, 如板式橡胶支座生产质量堪忧, 橡胶材料和金属板材料不合规范, 制作工艺不合理, 更有甚者为降低成本, 在橡胶胶料中掺加再生橡胶, 导致橡胶支座品质劣化、容易老化。支座的正确施工安装也是影响桥梁技术性能的一个重要环节, 然而施工中一些技术人员对支座安装施工质量意识薄弱, 常常出现支座垫石不平整、支座与梁底脱空、支座偏位、支座型号与设计不符等质量问题等等, 上述问题直接影响了橡胶支座的使用性能和使用寿命, 对桥梁结构造成严重影响。
2 板式橡胶支座构造及减震原理
常用的桥梁隔震装置有柔性支承装置和阻尼装置两种类型, 其中橡胶支座是世界上应用最广、实用性最好的一种柔性支承装置。橡胶支座由薄钢板和薄橡胶板交替叠合经高温硫化粘结而成, 所采用的橡胶一般有天然橡胶和氯丁胶。由于在橡胶层中加设夹层薄钢板, 而且橡胶层与夹层钢板紧密粘结, 当橡胶支座承受垂直荷载时, 橡胶板的横向变形受到约束, 使橡胶支座具有很大的竖向承载力和竖向刚度。因薄钢板不影响橡胶板的剪切变形, 使橡胶板对任何水平方向的运动均呈柔性约束, 当橡胶支座承受水平荷载时, 其橡胶层的相对侧移大大减少。使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致失稳, 而且保持较小的水平刚度。并且由于夹层钢板与橡胶层紧密粘结, 橡胶层在竖向地震作用下还能承受一定的拉力, 使该种支座成为一种竖向承载力极大、水平刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想隔震装置。
3 板式橡胶桥梁支座设计
板式橡胶支座的基本设计数据如下: (1) 支座使用阶段的平均压应力限值σc=10.0Mpa, 常温下支座剪变模量Ge=1.0MPa橡胶支座剪变模量随橡胶变冷而递增, 当累年最冷月平均温度的平均值为0~-10℃时, Ge值应增大20%;当低于-10℃时, Ge值应增大50%;当低于-25℃时, Ge值应为2Mpa。 (2) 橡胶支座抗压弹性模量和支座形状系数应按下式计算:Ee=5.4GeS, 矩形支座:, 圆形支座:。式中:Ee-支座抗压弹性模量 (MPa) ;Ge-支座剪变模量;S-支座形状系数;l0a-矩形支座加劲钢板短边尺寸;l0b-矩形支座加劲钢板长边尺寸;d0-圆形支座钢板直径;t1-支座中间层单层橡胶厚度。橡胶弹性体体积模量Eb=2000Mpa。
4 支座安装应用
安装时, 应按照设计图纸要求, 在支座垫石和支座上均标出支座位置中心线, 以保证支座准确就位;支座安装时, 应防止支座出现偏压或产生过大的初始剪切变形。安装就位完成后, 必须保证支座与上下部结构紧密接触, 不得出现脱空现象, 对未形成整体的梁板结构, 应避免重型车辆通过;预制梁板落梁时, 应先放置略高于支座的对头木楔块保护支座, 以防止落梁时支座移位或发生较大初始剪切变形, 待梁体就位准确后, 退出木楔块均匀落梁。个别支座落空、出现不均匀受力或支座压偏严重、局部受压侧面鼓出异常时须重新调整。对于弯、坡、斜桥重点控制支座标高, 使每片梁四块垫石标高控制点处于一个平面上。安装聚四氟板支座时, 应注意聚四氟乙烯板面应向上;预应力梁板张拉后, 梁体因中间起拱而支承于两端, 因而特别要防止梁端台座的沉降;支座安装后, 应全面检查是否有支座漏放, 支座安装方向、支座型式是否有错, 临时固定措施是否拆除, 防尘罩是否安装, 四氟滑板支座是否注入硅脂油等现象。一经发现, 应及时调整和处理, 确保支座安装后的正常工作, 并记录支座安装后出现的各项偏差及异常情况。
5 板式橡胶支座应用常见问题及预防处理措施
支座垫石与梁底支承楔块的位置、尺寸、标高的施工偏差过大。预防要点:墩台、支座垫石及梁底支承楔块施工前应对测量放线进行复核, 确保其施工控制线的精度满足要求, 并向有关的施工人员进行技术交底, 施工时严格遵照设计与规范要求进行, 确保其施工质量满足要求。
支座垫石混凝土顶面不水平、不平整, 且强度不足, 混凝土不密实, 内部有空洞等缺陷, 影响承载能力。预防要点:垫石侧模安装时应用水平尺侧模顶的水平情况, 不水平时应及时予以调整。垫石混凝土施工时注意对垫石顶面进行抹平但不得压光, 使垫石混凝土顶面与侧模顶接顺在同一水平面上, 且如果有必要应征得设计人同意, 提高混凝土标号。垫石部位帽梁表面混凝土应凿毛彻底, 垫石混凝土方量较小, 但也必须机械拌合, 严禁人工随意拌合。
支座垫石与梁底支承楔块内钢筋缺漏或保护层厚度过大。预防要点:重视支座垫石与梁底支承楔块等细小部位的施工质量, 严格按设计图纸和规范要求安装上述部位的钢筋。
支座安装的位置、方向的施工偏差过大, 甚至支座长宽方向倒置。预防要点: (1) 墩台与支座垫石应严格按设计与规范要求施工, 确保墩台顶与垫石的轴线位置、标高、垫石尺寸、平整度等方面的施工质量满足设计与规范要求。 (2) 支座安装前应在垫石上标示支座纵向与横向设计位置的中心线, 并在支座上标示支座轴线, 支座安装时使支座轴线与垫石上的支座设计位置中心线重合。 (3) 垫石上测放支座设计位置的中心线时, 应注意复核支座位置纵向控制线的方向是否与桥梁中心线重合或平行 (按设计要求) , 确保其施工控制线的精度满足要求。
支座上、下面未与梁底支承面、垫石顶面完全密贴或支座顶面不水平、支座顶标高的施工偏差过大, 出现支座局部脱空、偏压等现象。预防要点: (1) 垫石侧模安装时应用水平尺检查侧模顶的水平情况, 不水平时应及时予以调整, 使垫石混凝土顶面与侧模顶接顺在同一水平面上。 (2) 支座安装前, 应先将垫石顶面清理干净, 确保垫石顶面无浮砂、灰尘、油污, 然后在垫石上采用环氧树脂砂浆找平、坐浆, 将支座及时安放在砂浆上, 并采用水平尺检查支座的水平度, 确保支座顶面水平。 (3) 应在支座上加设一块比支座稍大的支承钢板, 注意支承钢板外观应平整, 无翘曲、变形、锈蚀、裂缝等现象, 钢板还应刷防锈漆。当梁体采用整体现浇混凝土结构时, 支承钢板上焊锚固钢筋与梁体连接, 此时支承钢板可兼作梁体底模的一部分;当梁体采用装配式施工时, 支承钢板与梁底之间采用环氧树脂砂浆粘结, 注意砂浆厚度应均匀、合适, 以确保梁底填充砂浆饱满、密实。
四氟乙烯滑板与不锈钢滑板划伤、表面脏污、硅脂未注满, 四氟滑板倒置。预防要点:四氟滑板式橡胶支座开箱后, 应注意对支座内的四氟乙烯滑板与不锈钢滑板进行保护, 避免划伤和表面粘附脏物、砂尘等, 并注意检查四氟乙烯滑板表面储油坑是否已注满, 如果不满, 则应在支座安装前, 采用产品使用说明书上规定的硅脂予以注满, 避免四氟乙烯滑板与不锈钢滑板之间的摩擦系数超大。
摘要：近年来我国交通事业发展迅速, 桥梁作为我国重要社会基础设施的地位愈显突出, 在国民经济和居民日常生活中发挥着重要作用。桥梁支座是桥梁结构的重要组成部分, 直接影响桥梁的使用寿命和结构安全, 其中, 板式橡胶支座由于其具有构造简单、性能可靠、安装更换方便、造价低等优点, 被广泛应用于公路、城市桥梁建设中。通过对桥梁板式橡胶支座的研究探讨, 强化支座在桥梁结构建设中的重要作用, 提出各级设计、施工、生产技术管理人员应对支座质量重要意义充分认识, 加强质量管理的责任心, 不断提高桥梁建设水平。
关键词：板式橡胶支座,应用,耐久性
参考文献
[1]鲍卫刚, 郑学珍等.公路桥梁板式橡胶支座的应用[J].公路, 2006.
[2]橡胶支座在公路桥梁中的应用[J].黑龙江交通科技, 2005.
桥梁橡胶支座 篇9
在桥梁结构中, 支座是桥梁上、下部结构的连接点, 其作用是将上部结构的荷载舒适、安全地传递到桥梁墩台上去, 同时保证上部结构在荷载、温度变化、混凝土收缩徐变等因素作用下的自由变形, 以便使结构的实际受力情况符合计算图式, 并保护梁端、墩台帽不受损伤[1]。
桥梁板式橡胶支座是一种应用广泛的桥梁支座。它适用于中小跨径的公路、城市和铁路桥梁[2]。板式橡胶支座是由几层橡胶和薄钢片迭合而成的, 主要作用是将桥跨结构上的恒载与活载反力传递到桥梁的墩台上, 同时保证桥跨结构所要求的位移与转动, 以便使结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。根据以上要求, 板式橡胶支座应设计成在垂直方向具有足够的刚度, 从而保证在最大竖向荷载作用下, 支座产生较小的变形;在水平方向则应具有一定的柔性, 以适应梁体由于制动力、温度、混凝土的收缩、徐变及其它荷载作用引起的水平位移;同时, 橡胶支座还应适应梁端的转动。在进行桥梁支座受力分析时, 首先必须计算每个支座上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[3]。
2 桥梁板式橡胶支座的设计与计算
板式橡胶支座的设计与计算包括确定支座尺寸、验算支座受压偏转情况以及验算支座的抗滑稳定性[4]。
2.1 确定支座的平面尺寸
橡胶支座的平面尺寸a×b要由橡胶板本身的抗压强度、梁部或墩台顶混凝土的局部承压强度等三方面因素全面考虑后来确定。在一般情况下, 尺寸a×b多由橡胶支座的强度来控制, 即满足表1的要求。
表1中形状系数, 其中δ为中间层橡胶片厚度, a为支座短边尺寸 (顺桥向) , b为支座长边尺寸 (横桥向) 。
2.2 确定支座的厚度
板式橡胶支座的重要特点是:梁的水平位移要通过全部橡胶片的剪切变形来实现。则橡胶片的总厚度t与梁体水平位移△之间应满足下列关系:
式中:-tanγ-为橡胶片的容许剪切角正切值, 桥规[5]规定, 当不记汽车荷载制动力时采用0.5, 计及汽车荷载制动力时可采用0.7。
则t≥1.43-△g+△p-, 式中△g为上部结构在恒载作用下由温度变化等因素引起作用于一个支座上的水平位移;△p为由汽车荷载制动力引起作用于一个支座上的水平位移, 按下式计算:, H为作用于一个支座上的汽车荷载制动力。
同时, 考虑到橡胶支座工作的稳定性, 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5]还规定t不应大于支座顺桥向边长的0.2倍 (t≤0.2) 。确定了橡胶片的总厚度∑t, 再加上金属加劲薄板的总厚度, 就可得到所需支座的总厚度h。
2.3 验算支座的偏转情况
主梁受荷后发生挠曲变形时, 梁端将引起转角θ。此时支座伴随出现线性的压缩变形。为了确保支座偏转时橡胶与梁底不发生脱空而出现局部承压的现象, 则必须满足条件:
式中:δc为支座平均压缩变形;Ee为支座抗压弹性模量;Eb为橡胶弹性体体积模量, Eb=2000MPa;R为支座压力标准值, 汽车荷载应计入冲击系数。
此外, 《桥规》[5]还规定橡胶支座的竖向平均压缩变形应不超过0.07∑t。
2.4 验算支座的抗滑稳定性
为了保证橡胶支座与梁底或墩台顶面之间不发生相对滑动, 则应满足以下条件:不计汽车制动力时:;计入汽车制动力时:
式中:RG为结构自重引起的支座反力标准值;Rc为由结构自重标准值和0.5倍汽车荷载标准值引起的支座反力;μ为摩擦系数, 橡胶与混凝土间的摩擦系数采用0.3, 与钢板间的摩擦系数采用0.2;F为由汽车荷载引起的制动力标准值;A为支座平面毛面积。
3 算例
预应力混凝土五片式T形梁桥全长19.8m, 计算跨径L=19.5m。梁的两端采用等厚度的橡胶支座。已知支座压力标准值R=354.12KN, 其中结构自重引起的反力标准值RG=162.7KN, 公路Ⅱ级和人群荷载引起的支座反力标准值分别为183.95KN和7.47KN;公路级和人群荷载作用下产生的跨中挠度f=1.82cm;根据当地的气象资料, 主梁的计算温差△t=36℃。试设计板式橡胶支座。
⑴确定支座平面尺寸:
选定支座的平面尺寸为a×b=18×20=360cm2, 采用中间层橡胶片厚度t=0.5cm。
(1) 计算支座的平面形状系数S:
(2) 计算橡胶支座的弹性模量:
(3) 验算橡胶支座的承压强度:
⑵确定支座的厚度:
温度变形由两端的支座均摊, 则每一支座承受的水平位移△g为:
橡胶片总厚度计算结果见表2。
选用4层钢板和5层橡胶片组成的支座, 上下层橡胶片厚0.25cm, 中间层厚0.5cm, 薄钢板厚0.2cm, 则橡胶片总厚度:∑t=3×0.5+2×0.25=2.0cm。
支座总厚:h=∑t+4×0.2=2.8cm。
⑶验算支座的偏转情况:
(1) 计算支座的平均压缩变形
(2) 计算梁端转角
由关系式f=5gl4/384EI和θ=gl3/24EI, 可得:
(3) 验算偏转情况
即0.0502cm>18×0.00299/2=0.0269cm, 满足要求。
⑷验算支座的抗滑稳定性:
(1) 计算温度变化引起的水平力
(2) 验算滑动稳定性:
即76.4kN>17.92kN, 表明支座不会发生相对滑动。
4 结语
支座在桥梁中起到承上启下的作用, 施工中, 一定要重视支座设计和施工的质量。桥梁支座的设计和选用, 应根据支座反力的大小、支座处最大竖向及水平位移、桥梁跨度、抗震等级等因素来确定, 不可盲目选用。
板式橡胶支座具有构造简单、加工制造容易、用钢量少、成本低廉、安装方便等优点。本文通过大量计算, 给出了板式橡胶支座设计及稳定性验算方法, 提供的计算方法和步骤简明清晰。
另外, 目前应用前景看好的铅销橡胶支座是在板式橡胶支座中加入铅销而成, 很多基本特性与普通橡胶支座类似, 因此了解和掌握普通板式橡胶支座的构造、设计方法是必要的, 可以利用板式橡胶支座规格系列的原有标准, 进行推广、应用。
参考文献
[1]孙素霞.桥梁支座的类型.黑龙江交通科技.2004, 第3期.
[2]周剑光.桥梁支座类型及其应用.四川建筑.2006, 26 (2) .
[3]黄秀金.桥梁板式橡胶支座的设计计算.辽宁交通科技.2005
[4]邵旭东.桥梁工程.武汉理工大学出版社.2005.
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