摘要：橋梁支座主要功能是傳遞上部結構的力給下部結構，并提供上部結構所需變形，是橋梁的關鍵部件。實施是否得當對橋梁承載能力和使用壽命影響很大。本文對板式支座的設計及更換進行論述，從提高效果、減少難度、節(jié)省造價等方面提出了一些簡便易行的措施，為支座設計及施工提供部分基礎資料。
關鍵詞：下部結構  板式支座  變形  承載能力  支座位移


1、引言

近年來，我國橋梁建設取得舉世公認的成績，然而隨著國民經(jīng)濟的迅速增長和交通事業(yè)的發(fā)展，大量正在使用的橋梁隨著使用年限的增長，甚至個別剛投入運營的橋跨結構危害問題已日益突出，橋梁加固任務十分繁重。
橋梁支座是連接橋梁上部結構和下部結構的重要構件，可謂一座橋梁的咽喉所在，關系重大，一旦出現(xiàn)病害，將影響到上下部結構的使用壽命和交通安全。
2、支座設計
2.1支座抗壓計算
支座尺寸需滿足本身抗壓及接觸面局部抗壓強度：Αe=Rck/σc；γ0Fld=1.3ηsfcdA1n。局部抗壓不足時，多用鋼筋網(wǎng)或鋼板加強。支座本身形狀系數(shù)需滿足5≤S≤12，S按規(guī)范8.4.1條計算。
2.2支座剪移計算
橋梁上部結構的縱向水平位移主要通過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)位移變形零點距離。
（2）干縮位移《橋規(guī)》6.2.7條：
Δls=-εcs(tu,t0)×L
ε：收縮應變系數(shù)終極值
（3）徐變位移：
Δls=-Py×φ(tu,t0) ×σh×L/(Ah×Eh)
Py：為梁體截面平均預應力值；
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個月考慮。
（4）溫差影響與撓度位移：梁體上、下溫度差使梁端轉動及由于撓度產(chǎn)生的梁端位移一般較小，可略計。
（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：滑動支座摩阻系數(shù)；
N：所有滑動支座支反力；
Δli、Ki、Gi、Ai分別為相應墩臺位移、組合抗推剛度、支座剪切模量、支座面積。當縱坡對稱，或緩坡，或中間設固定墩時，可不計。
（6）制動位移：
ΔlT=(T-Σ-μf×N)×Ki/(Gi×Ai×ΣKi)
ΔlT：制動力位移；
T：全聯(lián)汽車制動力。
因制動力作用下支座剪切變形系數(shù)增加0.2，該項位移驗算一般都能滿足要求，可略算。
（7）地震影響：按《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）驗算，內(nèi)容較多，本文不作詳細論述。
2.3支座偏轉驗算
為確保支座偏轉時不發(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支座安裝坡度設計
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、橫坡均通過下部構造調(diào)整，對應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、下接觸面通過支座墊石調(diào)平，消除上部下滑力對支座的剪切影響。
（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，橫坡坡度i≤2％時，板式支座可以斜置；否則應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)標準《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T4-93）規(guī)定：“滑動支座須水平放置，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i≤2％時，支座可以斜置。”由于大梁端底墊坡及墩臺頂設墊石調(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。當橋面縱、橫坡對稱時，除安裝大梁時產(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，或當坡度不大，支座斜置是非?？尚械摹?br /> （3）也有根據(jù)結構需要與橋面一起進行坡度調(diào)整的，橋面2%橫坡是通過橋面鋪裝層及墊坡各調(diào)整1%來處理的，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，小于結構壽命，實際上更換率還要高，有的尚未通車就更換，有的通車1年多就更換，因此支座更換應該給于足夠的重視?！锻ㄒ?guī)》3.5.8條提到：“墩臺構造應滿足更換支座的要求，必須留有檢查和更換支座構造措施。”但墊石設置高度及如何更換均無敘及，橡膠支座可采取以下措施進行更換：
（1）如橋下墩臺不高，搭設支架方便，可在橋墩邊搭設臨時頂高橋面用支架，在板梁底設置千斤頂頂高橋面，如墩臺較高不便搭設支架，也可在橋面上架設鋼短橫梁和吊桿，在橋上用千斤頂頂起橋面。詳見徐啟友《橋梁修理及技術改造》中的支座修理。該法造價較高，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，國外還有3cm高；200t采用10cm高。故建議設計時支座+墊石高不小于10cm為宜。當梁下墩臺間空隙過小時，可在墩臺上設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，簡支橋面連續(xù)墩臺支座或連續(xù)梁，聯(lián)內(nèi)支座往往需要同時頂起，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，原用在搶險救人中；也可承擔支座更換工程。CQ鋼絲網(wǎng)氣囊千斤頂具有適應性強、起重速度快、不需配套動力、功能多、系列全等優(yōu)點。可以解決原先沒設支座墊石或設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，實際多采用2～3mm厚不銹鋼板。實際調(diào)查顯示，F(xiàn)4支座和一般板式支座更換頻率相當。F4支座易出現(xiàn)的主要問題是：硅脂油不涂，影響滑動效果，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。滑動支座比較重要，一旦滑動功能失靈，會導致計算模式改變，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盡量通過橡膠支座的厚度調(diào)整，盡可能少用滑動支座。
（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，使其大于結構使用年限，支座無需更換，目前支座材料還難以達到；第二，預防為主，實際中更換支座多因產(chǎn)品質(zhì)量問題、違章施工安裝、位移設計錯誤等人為因素造成，故應從支座設計、產(chǎn)品生產(chǎn)、施工及養(yǎng)護方面嚴格控制，加強管理，使支座在使用期內(nèi)盡量免于更換；第三，加強檢查，及時更換支座，但此舉難度較大。盆式支座更換的難度更大，將花費大量人力、物力，也無太多成熟經(jīng)驗，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。應加強支座橡膠的抗老化性能、增加支座外層保護、加強支座日常養(yǎng)護，使支座使用壽命等同于或大于橋梁使用壽命才是解決問題的更好辦法，這也是橋梁設計師對材料科研部門、廠家及養(yǎng)護部門的共同期盼。
4、選用及安裝事項
（1）支座尺寸夠用即可，過大對橋梁下部產(chǎn)生的水平推力也大，當前采用支座多偏大。
（2）順、橫向支座尺寸哪邊大，以滿足受力及構造要求為準，無嚴格規(guī)定。
（3）安裝滑動支座時，特別需要強調(diào)的是：一定要涂硅脂油并設防塵設施。
（4）支座的其他性能指標及檢測、安裝等要求詳見規(guī)范及行業(yè)標準。
（5）前幾年在圓板支座頂部加設4～10mm球冠，認為可以較好地改善支座的偏壓現(xiàn)象，當時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)以某橋為例說明支座設計，該橋總長222m＝6×16+30+6×16(m)，中間通航孔為30m預應力T梁，兩邊各6跨16m預應力空心板梁，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。
上部構造、支座、錨栓、連續(xù)、伸縮縫及下部構造相互關聯(lián)，先確定一聯(lián)長度及一聯(lián)變形零點，計算出各墩對應上部水平位移，并由此計算出支座厚度，一聯(lián)可按（制動力+支座剪切變形反力＞支座摩阻力）及變形量設滑動支座；以一聯(lián)縫處變形總量設置伸縮縫。本例只計算部分內(nèi)容。
5.1支座抗壓計算
16m板單支座恒載97kN，最大活載77kN，總計為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梁單支座恒載454kN，最大活載346kN，總計為800kN，初擬支座平面尺寸30×35cm，計算同上S=7.95，σ=7860kPa＜[σ]=10000kPa。
由以上計算可知：支座抗壓滿足要求；另支座局部抗壓也滿足要求，計算過程略。
5.2水平位移計算
全橋作一聯(lián)處理，縱坡對稱、平緩，對位移影響很小，不計；制動、撓度、溫差等對位移影響很小，均略去不計；僅計由溫度、干縮、徐變?nèi)椧鸬牧后w位移。梁體安裝、橋面連續(xù)、伸縮縫安裝溫度均按15℃計，正、負氣溫差均按25℃計。由對稱可知，30m跨中為變形零點，各墩位移影響長度分別為：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30mT梁取0.18×10-3，對16m先張法預應板梁取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。
在上面計算中，用的是平均預壓應力，實際上由于恒載作用，梁內(nèi)的平均壓應力要減少，故在計算中考慮0.5折減系數(shù)，若考慮活載作用，梁內(nèi)平均壓應力還要小，從支座最不利角度來看，活載引起的壓應力沒有再考慮。
(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厚滑動支座，以滿足較大的水平位移。
(5) 支座安裝坡度設計:
縱坡對稱、平緩，下滑作用不計；對1.5%單向橫坡，16m梁單支座的恒載橫向下滑力為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，遠小于支座容許的剪切角正切值0.5，支座可斜置，30mT梁計算結果同上。該橋考慮滑動支座較多，最后所有支座均設墊石，并水平放置。
(6) 錨栓設計:
滑動支座還是要設的，為防止地震時板梁從墩臺震落，所有墩臺均設活動抗震錨栓，錨栓方形套管縱向長為10cm，以滿足上部變形需要。
(7) 伸縮縫設計:
臺縫變形量只需計算與臺相鄰聯(lián)在該縫處的伸縮量，墩縫變形量需計算兩聯(lián)在該縫處的伸縮量。0#、13#臺上部變形最大，膨脹量27.75mm，收縮量為43.34mm，伸縮量合計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℃設置時，縫寬預留3cm即可。
6、計算施工溫度取值探討
（1）設計溫差取值探討
在算例中，地區(qū)最低溫度按-10℃計，最高溫度按40℃計，各構件安裝溫度均按地區(qū)最低、最高的中間溫度15℃計，故正、負氣溫差均為25℃計。也有部分學者認為：施工是連續(xù)的，溫度是變化的，各構件安裝溫度有可能在最低或最高溫度時進行，氣溫差應按50℃最不利考慮，溫度變形值應增大一倍設計，由此，支座加大、縫加寬、連續(xù)長度減短。以上看法從理論可行，但實際工程多不用。正、負氣溫差按50℃取極值的算法太保守，主要基于以下幾點：當溫度過低，一般也不施工；當溫度過高時，梁體頂、低面存在較大溫差，頂面相對膨脹、底面相對收縮，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行降溫處理；再者，簡支連續(xù)不是結構連續(xù)，連續(xù)處容許拉裂及轉動，可完成部分變形，使一聯(lián)的縱向累計變形減少很多，這也是為什么本人實測的支座、伸縮縫實際變形量小于計算值的主要原因了，如上述案例冬夏縫寬變化值只有2cm多，故正、負氣溫差取25℃是可以的，若考慮安裝溫度懸殊太大，設計時可作特殊處理。
（2）施工溫度取值探討
設計中一般給出安裝溫度，當各構件實際安裝溫度與指定安裝溫度不一時，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)實的，太難，施工單位也不做，從對設計溫差取值的分析可知，安裝溫度變化對支座實際影響不會太大；且上部結構變形實際是由支座剪切變形及墩身變形共同完成的，在支座厚度設計時尚未慮及墩身變形給予的富余，故支座剪切變形一般無需隨氣溫調(diào)整。盡管有以上諸多有利因素，為減少氣溫及徐變、干縮對支座剪切變形及縫寬的影響，施工時，各構件安裝溫度應盡量比地區(qū)中間溫度稍低5～10℃進行，每次安裝氣溫應接近，使支座的正常剪切變形及伸縮縫的伸縮值正、負變化基本相同,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
設計者一定要根據(jù)具體工程及各種因素選用支座型式，按適用、經(jīng)濟、美觀、簡單的原則進行支座設計，以利施工、養(yǎng)護，由于支座各部分計算相互關聯(lián)、繁雜，設計者可用程序輔助設計，并注意經(jīng)驗積累，對正在施工或已建成的橋梁不斷觀察、總結，提出問題，研究問題，克服不足，以提高支座設計質(zhì)量及使用效果；由于設計者直接選用定型產(chǎn)品，產(chǎn)品質(zhì)量即為設計質(zhì)量，科研部門、廠家應加大易設計、易實施、易養(yǎng)護支座的研究，確保產(chǎn)品安全可靠，經(jīng)久耐用；國家標委會應及時匯集最新成果，在規(guī)范中予以明確，以便統(tǒng)一實施；同時建議管理養(yǎng)護單位定期觀察，及時養(yǎng)護，消除隱患，以延長支座使用壽命。