浅析铁路桥梁支座设计

宋春天

【摘 要】随着我国经济的发展，运输量不断增加，桥梁在运输中起着关键的作用。因此，做好桥梁支座的设计尤为重要。本文通过对桥梁支座的作用和种类进行了介绍，结合桥梁的布置方式，提出了桥梁支座的设计原则和设计方法，针对桥梁支座的抗震设计做了重要分析，具有一定的现实指导意义。

【关键词】桥梁；支座；设计；抗震设计

0 引言

桥梁支座作为桥梁的重要组成部分，在桥梁的整体中起着非常重要的作用，它使桥梁构成一个整体，桥梁支座也是桥跨结构的重要支撑部分，它是连接桥梁上部结构和下部结构的重要部件。它能够将桥跨结构的支撑反力传给桥墩，并且它还需要能够保证桥跨结构在荷载和温度变化的作用下具有设计时所要求的一些静力条件，从而能够适应梁体转动和自由伸缩的需要。并且还应该具备便于安装、维修和养护的作用，支座还必须能够保证在墩台上的位置充分的固定，不能滑落。桥梁支座的好坏直接影响着桥梁的整个结构，因此对桥梁支座的研究是非常重要的。

1 桥梁支座的分类

按支座变形的情况分为：固定支座、单项活动支座、多向活动支座。

按支座材料的情况分为：钢支座、混凝土支座、铅支座、聚四氟乙烯支座、橡胶支座。

按支座结构形式分为：弧形支座、板式橡胶支座、摇轴支座、盆式橡胶支座、球型支座等。

下面简单介绍几种支座：

（1）板式橡胶支座

板式橡胶支座由数层薄橡胶片与薄钢板镶嵌、粘和、压制而成。它需要具有足够的竖向刚度，以承受垂直荷载，能将上部结构的反力可靠地传递给墩台，需要有良好的弹性，以适应梁端的转动，有较大的剪切变形以满足上部结构的水平位移。板式橡胶支座适用于中小跨径的公路、城市和铁路桥梁。我国公路桥梁规范规定，标准跨径20m以内的梁和板桥，一般可采用板式橡胶支座，但在实际应用中往往超越上列跨径界限，只要严格按设计原则考虑，均能取得比较满意的结果。板式橡胶支座有矩形和圆形两种。国产板式橡胶支座的支座承载能力范围可在150～7000KN间。

（2）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，也适用于城市、林区、矿区的桥梁。盆式橡胶支座按使用性能可分为：双向活动支座（又称多向活动支座），具有转动和纵向与横向滑移性能；单向活动支座，具有转动和单一方向（纵向或横向）滑移性能；固定支座仅有转动性能。

（3）大吨位的球形钢支座

随着大跨度桥梁结构的发展，要求桥梁支座的承载能力大，同时具备适应大位移和转角的要求。球形钢支座传力可靠，转动灵活，它不但具备盆式橡胶支座承载能力大，允许支座位移大等特点，而且能更好的适应支座大转角的需要，与盆式橡胶支座相比具有如下优点。

①球形钢支座通过球面传力，不出现力的缩颈现象，作用在混凝土的反力比较均匀。

②支座各向转动性能一致，适用于宽桥、曲线桥。

③支座不用橡胶承压，不存在橡胶老化对支座转动性能的影响，特别适用于低温地区。

（4）拉力支座

在连续桥梁、悬臂桥梁、斜桥、宽悬臂翼缘箱梁桥以及小半径曲线桥上，因荷载的作用，在某些支点上产生拉力，在这种情况下，必须设置能抗拉、并且能承受相应的转动和水平位移的支座。球形钢支座、盆式和板式橡胶支座都能变更功能作为拉力支座，这种变更既可用于固定支座，还可用于活动支座。板式橡胶拉压支座能够用于拉力较小的桥梁，对反力较大的桥梁则用球形抗拉钢支座或盆式拉力支座更适合。但是，支座拉力超过1000KN时，上述结构则不经济。

（5）减震隔震支座

地震地区的桥梁支座不仅应满足支承要求，同时应具有减震、防震等各种功能。按抗震要求设计的支座必须具有抵抗地震力的能力；而减、隔震支座的作用是尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动分离开来，以大大减少传递到上部结构的地震力和能量。目前国内主要的减、隔震支座和抗震支座的类型有新型减震橡胶支座、抗震型球形钢支座、高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座。

2 支座设计计算（以板式橡胶支座为例）

2.1 确定支座的尺寸

支座尺寸包括支座平面面积与支座高度两部分数据的确定。

支座平面面积可以这样计算：

支座橡胶层总厚度Σσ1：则Σσ1满足（la/10）≤σ1≤（la/5），即20 ≤σ1≤40要求。同时不计制动力时σ1≥2ΔL

其中Nmax为最大的支点反力；A为橡胶支座的平面面积；δ为支座的平均许用应力。Δla=-Δt×αt×l×β

根据S=la×lb/2×（la+lb）×δ1

支座高度由橡胶高度与钢板高度两部分构成，橡胶高度由支座所要提供的剪切变形量（它将决定纵向位移量）来确定，而且要符合规范中要求总高度小于等于支座沿桥纵向长度的1/5的规定。钢板高度即为约束橡胶片各层薄钢片的厚度之和。

2.2 验算支座偏转与压缩变形

桥跨结构在支座处会产生转角，支座通过不均匀压缩来提供这种转动能力，同时支座与桥跨结构之间不能有“脱空”现象发生，支座的平均压缩量越大这种转动能力就越强，这就要求在转角一定的条件下，支座要保证一个最小的平均压缩量Δs，Δs可以这样求得：Δs=-Δt×αt×l×β

其中，E为橡胶支座的弹性模量；Σσ1为橡胶层的总高度。

此外，规范还规定了支座平均压缩量的最大值不应超过橡胶总厚的5%。

2.3 验算支座抗滑

支座要想发挥起作用，必须要保证其处于设计的位置，在水平力作用下在支座与桥跨结构的接触面上以及支座与墩台的接触面上不能出现相对滑动，这种保证来自于支座与混凝土之间要有足够的摩擦力，摩擦力的大小可以通过压力与摩擦因数再考虑一定的经验系数来确定。

3 减震隔震支座的设计分析

3.1 减震隔震支座的设计

减隔震支座设计的目的是使地震作用下大部分能量集中于减隔震支座，而降低下部结构所承受的惯性力和延性需求。工程结构抗震减震控制的方法按照是否有外部能源输入可分为以下五类：①被动控制（无外部能量输入）；②主动控制（有外部能量输入）；③半主动控制（有少量能量输入）；④混合控制（有部分能量输入）；⑤智能控制（有少量能量输人）。多质点体系地震作用下振动方程为：[M]{X″}+[C]{X′}+[K]{X}=-[M]{I}{Xg″}其中，[M]、[C]、[K]分别为结构的质量、阻尼、刚度矩阵；{X}、{X′}、{X″}分别为结构反应的位移、速度、加速度矩阵；{Xg″}为地面运动的加速度矩阵。可见，桥梁结构的地震反应与地面运动的加速度、结构的质量、阻尼和刚度有关。与传统的依赖加大结构构件截面尺寸，增大配筋率，以提高结构刚度的“硬抗”方法相比，按上述思想与方法进行减震隔震设计，较大的节约了工程量，经济效益显著。

3.2 防震支座与防护设施的施工为使支座及其防护措施能够正常使用，发挥减震隔震的作用，支座的施工质量要求较高

依据抗震支座及其防护措施的施工经验，总结以下施工注意事项：（1）支座顶面要严格保持水平。先对墩台顶面的垫石用砂轮打磨平整，其平整度误差控制在1mm以内。然后，均匀地铺厚度相同的环氧树脂砂浆，放置支座，拧紧螺栓。（2）安装支座后，应在钢盆内的位移槽中填塞泡沫或棉絮，以避免梁体施工时，混凝土及杂物落入支座内，最终影响支座的自由位移。临时支座拆除后，及时将泡沫或棉絮取出。（3）临时固结支座施工与拆除，勿损害永久支座。尤其拆除，若人工拆除，防止混凝土碎碴和切割钢筋时碎片等落入支座滑移槽。可采用微膨胀炸药拆除，方便快捷。

4 结束语

桥梁支座作为桥梁的重要组成部分，在桥梁的整体中起着重要的作用，它将直接影响桥梁结构的使用性能和寿命。作为桥梁重要构件的支座在应用中存在的质量隐患令人担忧，对结构的安全性和耐久性产生不容忽视的影响。

【参考文献】

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[2]饶德宏.桥梁支座的设计和施工[J].公路，2011（03）.

[3]王勇.浅谈桥梁支座设计理论[J].工程技术，2010.

[4]沈旭辉.浅谈桥梁支座的应用及其类型[J].科技博览，2010.

[责任编辑：曹明明]