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桥梁支座有哪几种(桥梁盆式支座)(桥梁支座有哪几种类型)

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-12-29  来源:游客  浏览次数:172
桥梁支座有哪几种(桥梁盆式支座)(桥梁支座有哪几种类型)

桥梁支座的主要作用是将上部结构的反作用力可靠地传递给桥墩和桥台,同时完成梁结构受力所需的变形(水平位移和转角)。与其他类型的桥梁支座相比,橡胶支座具有结构简单、加工容易、用钢量少、成本低、安装方便、减震效果好、工作性能可靠等优点。中小跨径公路桥梁一般采用板式橡胶支座,不同材料、不同规格、不同功能的板式橡胶支座给桥梁设计人员选型带来一定困难。

平板轴承

常规板式阻尼橡胶支座适用于抗震设防烈度6度及以下地区的桥梁,抗震板式阻尼橡胶支座适用于抗震设防烈度7度地区的桥梁。按位移功能可分为固定式和滑动式两种,滑动式通常设置在边墩或桥台上。

可调坡度板式阻尼橡胶支座适用于坡道、弯道和坡度较大的桥梁,要求该桥的所有支座都是可调坡度的。




如果桥梁设计者选择了错误的类型,会带来很多问题,如承载力不足或过大,支座过厚或过薄,变形过大或不足,材料选择不当导致橡胶过早老化等。这些问题会直接导致各种桥梁病害的发生,导致支座过早破坏,需要提前更换。这些问题带来的高昂维护成本和不良社会影响不言而喻。因此,从成千上万种规格中设计出桥梁板式橡胶支座是关键。


轴承布置原则

轴承的合理布置将直接影响轴承的受力状态。通常,在布置本系列轴承时,应考虑以下基本原则:

支撑必须能可靠地传递梁体的竖向和水平反力,并使梁体变形引起的纵向和横向位移以及纵向和横向转角(或平面转动)不受约束;

简支梁的所有支架均采用固定支架;

多跨连续梁中墩设置固定支座,边墩或桥台设置滑动支座。对于远离桥中心的中墩,可为较长的接缝长度提供滑动支座。

大坡度桥梁应设置自调坡支座,同一桥梁支座应为自调坡支座,不得与其他类型支座混用;




了解各种橡胶材料的特性。

常用的橡胶材料有:天然橡胶(NR)、氯丁橡胶(CR)和三元乙丙橡胶(EPDM)。三种材料各有优缺点和适用范围。

天然橡胶:具有抗拉强度高、弹性好、耐磨性好、耐低温等许多优良性能,是一种综合性能较好的橡胶。但其耐老化性能,尤其是耐臭氧老化和耐紫外线老化性能较差。

氯丁橡胶:具有优异的耐候老化和耐臭氧老化性能(耐臭氧老化性能比天然橡胶高12倍以上),拉伸强度高,弹性好,耐腐蚀性好,有一定的耐油性。国内外广泛用作桥梁橡胶支座的主要材料,但其耐低温性能较差,限制了其在我国北方寒冷地区的使用。

三元乙丙橡胶(EPDM):是一种高分子材料,具有优异的耐老化性能和耐高低温性能。在-55℃下仍有弹性,可在100℃下长时间工作。此外,它还具有良好的抗冲击性、低吸水率和良好的耐酸碱化学腐蚀性能。主要缺点是与金属的结合性能较低,但这一缺点正在逐渐得到改善。

综合以上三种橡胶材料的主要优缺点,在选择橡胶支座材料时,应考虑桥梁所在地区的温度条件。一般来说,氯丁橡胶支座可以在-25℃到+60℃的地区使用,一般适用于我国长江以南的广大地区。EPDM轴承或天然橡胶轴承可用于-40~+60℃的地区。此外,对于高纬度、高海拔地区,如紫外线辐射强或空气体中臭氧含量高的地区,应避免使用天然橡胶支座。


选定的基座外观形状

桥梁板式橡胶支座按其形状可分为矩形板式橡胶支座、圆板式橡胶支座、球冠圆板式橡胶支座和斜坡式橡胶支座。由于圆形橡胶支座在平面上力学性能的各向同性,更适用于弯、坡、斜、宽等多向位移桥梁。矩形支座长、短边剪切刚度的差异决定了它更适用于纵向位移的单向位移桥梁。此时支座的短边应沿桥向放置,以尽量减小支座对桥梁纵向位移的约束,尽量减小梁体位移对墩台产生的水平力。

冠盘式橡胶支座由圆盘橡胶支座改变而来,其中间橡胶和钢板布局与圆盘橡胶支座完全相同。支座顶面采用纯橡胶,橡胶在球体中心的最大厚度为4-13mm,球体边缘为15mm,使梁与支座接触面的中心在3%至5%的纵横坡度下趋于圆盘橡胶支座的中心。梁的端部反力通过球面上的橡胶逐渐传到下面的钢板和橡胶层上。在实践中,球冠的半径也可以根据不同的坡度进行调整。由于能适应较大的桥梁坡度,所以不需要设置专门的梁靴,大大方便了设计和施工。曾被认为是圆板式橡胶支座的成功改进,广泛应用于各种布局复杂、纵横坡度较大的立交桥和高架桥中。




如同从圆板式支座到球冠圆板式橡胶支座的改进尝试一样,矩形板式橡胶支座也进行了许多改进尝试,以适应桥梁纵坡的各种情况,坡形板式橡胶支座就是在这种情况下产生的。坡度的角度根据桥梁的纵横坡度而定,安装时无需准备楔子或处理梁底,方便了桥梁的设计和施工。

然而,随着球冠和斜撑的使用越来越多,实践中暴露出的缺陷也日益明显。新的《桥梁通用规范》中明确指出‘公路桥涵不宜采用球冠板式橡胶支座或斜板式橡胶支座’。因此,在设计中应谨慎使用这两种轴承。《公路桥涵板式橡胶支座》中还规定‘支座的聚四氟乙烯滑板不得设置在支座底部,与聚四氟乙烯滑板连接的不锈钢板不得设置在桥墩和桥台垫石上’,完全否定了聚四氟乙烯球冠板式橡胶支座的设计理念。


合理安排墩台橡胶支座的厚度。

对于多跨连续梁桥,为简化设计和施工,每个墩台可选用等厚支座。当接头中的跨距数很大时,上述做法是不可取的。因为当一座桥的长度较长时,选择的支座必须较厚。当桥梁的上部结构承受汽车的制动力时,支座越厚,桥梁的纵向变形就会越大,使得梁的向下位移趋势更加明显。特别是当桥梁纵坡较大和汽车振动的冲击时,梁的位移可能超过橡胶支座的允许变形,导致支座剪切破坏。如果支座老化严重,这种大的梁位移还可能引起支座的永久塑性变形,导致支座的变形功能失效。大型梁体的位移也会对桥梁伸缩缝产生较大的压力。


为了避免上述情况,可以在一个接头中间的几个桥跨中选择较薄的橡胶支座,形成不等厚支座的设计。虽然这样会增加设计和施工的麻烦,但是较薄的跨中支座起到了相对固定的作用,可以有效减小梁的滑动位移。对于高墩或纵坡较大的梁式桥,最好有2~3个墩与梁固结,避免连续梁体滑移(实桥观察表明,上述情况下如不采取切实措施,梁体必然滑移)。

当然,在特殊情况下,也可以利用上述分析有意加厚或减薄桥墩和平台上的某些橡胶支座的厚度,以控制桥墩和平台的水平力分布。


实例分析:某特大桥引桥,上部结构为4-30m先简支后连续预应力钢筋混凝土箱梁,采用薄壁墩、肋式桥台、钻孔桩基础,引桥自成体系。桥型图如图所示。车辆荷载为公路I,温度力按最大温升25,最大温降+混凝土收缩徐变40计算。单车道制动力Fk=165kn。用弹性地基-m法得到桥墩和基础的抗弯刚度后,根据桥墩和支座的组合刚度分配水平力。结果如下表所示:


需要注意的是,由于3#墩和7#平台承受的温度力大于支座的最大摩擦阻力,PTFE滑动支座会发生滑动,因此汽车的制动力会重新分配,导致制动力全部由4、5、6#墩承受,分配给3 #墩和7 #平台的制动力均为0。

从计算结果可以看出,中墩5#墩的温度力几乎为零。如果减少5#墩上支座的厚度,可以增加其组合刚度,从而可以分配更多的制动力,可以减轻其他墩的负担,使各墩承受的水平力更加均衡。因此,在任何桥长情况下,采用桥台支座不等厚的设计是经济合理的。


橡胶支座计算中应注意的问题

1.轴承的有效承载面积Ae

计算支座压应力时,应采用支座的有效承载面积(即支座加劲钢板的面积)。同样,在计算支座的形状系数时,也要用加劲钢板的尺寸进行计算。老桥规是通过代入支座的外形尺寸来计算的,要注意调整自己的计算习惯。

2.剪切模量Ge

常温下,橡胶支座的剪切模量Ge=1.0MPa,实际操作中应根据桥梁所在地区的温度条件调整Ge值。当平均冷月温度为0~-10℃时,ge值应提高20%。当温度低于-10℃时,Ge值应增加50%。当温度低于-25℃时,Ge值为2.0MPa

3.轴承橡胶层总厚度te

在计算橡胶支座厚度时,很容易将te误认为支座总厚度T。实际上te应该是轴承橡胶层的总厚度,即te=t-nt0。其中n是支架中加强钢板的层数;T0是每层加劲钢板的厚度。

在一些轴承的参考资料(特别是一些老的参考资料)中,没有直接列出每种类型轴承的te值,给设计和选型带来不便。这时候就需要根据支座的形状系数S(数据中会给出)来计算公式了。


4.形状系数s的值

在实际选择中会发现,同样平面尺寸的橡胶支座,一般有几种支座形状系数可供选择。这是因为同样平面尺寸的轴承一般是用中间单层橡胶片的几种不同厚度t1生产的。这些支座实际上是不同类型的,加劲钢板的层数往往是1~3层。如果s值较小,t1相对较厚,其许用正切值也相应较大,更适用于大跨度桥梁或梁端的大挠度。设计时可根据实际情况选择。

此外,新的桥梁规范规定支座的形状系数应在5≤S≤12的范围内,这使得一些按照旧的《公路桥涵板式橡胶支座规范》制造的橡胶支座的S值可能会超过这个范围。选择时要注意核实,避免选择不合格的轴承型号,造成日后设计变更。及时更新手中的橡胶支座参考资料,可以有效避免上述情况。

5.聚四氟乙烯滑板支架尺寸和厚度的计算

桥梁规范中只要求聚四氟乙烯滑板支座的摩擦力,但没有直接说明如何确定聚四氟乙烯滑板支座的平面尺寸和橡胶层厚度。很多情况下,设计人员会将聚四氟乙烯滑板支座的平面尺寸和厚度取为邻墩普通板式橡胶支座的厚度,或者干脆取一个较大的值,这是不严谨的。实际上,通过对普通板式橡胶支座的计算公式逐一分析,我们可以发现,对于PTFE滑动支座,除了摩擦力的要求外,还需要检查以下几项:

①支座有效承载面积的计算公式


该公式可用于确定滑板支架橡胶层的总厚度te。

此外,“从剪切变形考虑,应满足的条件”不符合聚四氟乙烯滑板支架的变形原理,无需校核。不需要查“为保证压缩稳定性应满足的条件”和“加劲钢板的厚度要求”,因为所有合格的橡胶支座都能满足这两个条件(当然板式橡胶支座不需要查这两个条件)。

6.橡胶支座的承载力值

选择板式橡胶支座时,支座的最大承载力应与桥梁支点反力一致,允许偏差范围为10%左右。虽然所选轴承的承载能力太小是不可以的,但是承载能力太大也是不可取的。承载力越大,平面面积越大,对应的剪切变形强度也越大。也就是说,对于同一座桥梁,橡胶支座越大,上部结构变形对下部结构产生的水平力越大,对下部结构不利。当橡胶支座足够大时,支座与梁体之间或支座与垫石之间会发生滑动现象,导致抗滑稳定失效。

轴承的承载能力应小于大于,即应控制在所需承载能力的-10%以内。原因有三:①厂家给的支架承载压力有富余;(2)设计载荷的概率总是很小,轴承的承压时间很充裕;③实际上,几乎没有橡胶支座被“碾压”的。

对于直接沿梁底纵坡安装的支座,为满足桥梁规范的相关验算要求,支座压应力应在极限范围内较高,在同一平面支座面积下短边较小,支座厚度应在极限范围内较大。水平安装支架的影响可以忽略不计。

实例分析:上述特大桥引桥仅改变其4-6#墩上的支座尺寸(不考虑其实际合理性)。这种变化对桥墩和桥台水平力的影响如下:


从上表计算结果可以看出,桥墩整体承重尺寸的变化对汽车制动的分配结果影响不大(最大为1.2%),但温度变化对水平力的影响不容忽视。随着支座的增减,各墩的温度力也会有所增减。根据表中所示承载力的增减,对温度力的影响约为8.3%。3 #墩和7#平台的承重模型没有变化,所以水平力分布值基本不变,仅因全连接温度变化临界点的一些变化而略有变化。

因此,合理确定承载力值,根据经验保守取值,不图省事,既可节省支座购置费用,又可降低墩台水平力,节省下部结构施工费用,带来可观的经济效益和社会效益。

7.对于连续桥面的简支梁结构体系,结构变形的计算和分配应按照全连接进行,就像连续整体结构的桥梁一样。可以认为是简支结构体系,但变形是按单跨计算的,会造成计算的结构变形与实际情况严重不符。

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