文 / 陳慶華

引言

板式橡膠支座從上世紀(jì)九十年代，在新建的高速公路和地方公路橋梁上開(kāi)始大規(guī)模地使用，具有安裝方便、成本低等特點(diǎn)。隨著板式橡膠支座在施工中優(yōu)勢(shì)的展現(xiàn)，目前它已經(jīng)完全替代傳統(tǒng)剛性制作，在公路橋梁施工中得到廣泛應(yīng)用。但是同時(shí)，它也存在一定的不足，需要做好早期劣化處理，避免在使用中由于早期劣化造成質(zhì)量問(wèn)題。

板式橡膠支座造成早期劣化主要是由于安裝以及產(chǎn)品自身質(zhì)量等方面的原因，與設(shè)計(jì)不合理也具有直接的關(guān)系，因此需要在其設(shè)計(jì)階段即予以重視。

一、板式橡膠支座的形狀系數(shù)的大小與設(shè)計(jì)應(yīng)力的取值

（一）國(guó)內(nèi)板式橡膠支座設(shè)計(jì)應(yīng)力的取值

板式橡膠支座形狀系數(shù)S與支座內(nèi)部的鋼板尺寸和膠層厚度有關(guān)，或者說(shuō)鋼板尺寸和膠層厚度決定了形狀系數(shù)，而系數(shù)又影響制作的抗壓彈性模量、極限變形力以及承載力等多個(gè)方面，因此在設(shè)計(jì)支座的過(guò)程中必須要參考這些幾何參數(shù)。

規(guī)范中明確的σ（使用階段平均壓應(yīng)力）即為容許應(yīng)力，因?yàn)樵谝?guī)范JT/T4和設(shè)計(jì)規(guī)范中都是以此來(lái)計(jì)算的。

板式橡膠支座各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，需要以交通運(yùn)輸部門(mén)頒布的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，以常規(guī)的極限狀態(tài)和使用情況進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方式在國(guó)際上也具有通用性，美國(guó)、日本等國(guó)家也針對(duì)公路橋梁支座的抗壓承載力、平均壓力等方面的參數(shù)計(jì)算頒布了相應(yīng)的規(guī)范文件。

由此可見(jiàn)，我國(guó)在公路橋梁板式橡膠支座設(shè)計(jì)中，取值是科學(xué)的，一般的取值為：設(shè)計(jì)應(yīng)力取值10MPa，當(dāng)支座形狀系數(shù)小于7時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)力8MPa。

19規(guī)范中明確板式橡膠支座的英語(yǔ)定義為L(zhǎng)aminated Bear，“Laminated”的英語(yǔ)詮釋為層壓、粘壓的意思，可以理解為一種經(jīng)過(guò)特殊加工工藝制成的復(fù)合材料。在美國(guó)規(guī)范AASHTO中是直接將其命名為“Elastomeric bearing”，即“彈性支座”。故可以建立在彈性理論基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行容許應(yīng)力的分析，材料的容許（設(shè)計(jì)）應(yīng)力的確定應(yīng)由材料的特性強(qiáng)度、受力特征、環(huán)境情況、加工工藝的質(zhì)量、加工精度等來(lái)確定。但目前我們國(guó)家還缺少這樣的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)支撐，故對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)力的取值應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待。

（二）板式橡膠支座形狀系數(shù)與彈性模量關(guān)系

19規(guī)范中對(duì)于支座抗壓彈性模量的計(jì)算：E=5.4GS，其中E表示的為抗壓彈性模量，G表示的為支座剪切彈性模量。

通過(guò)上式計(jì)算可知，支座抗壓彈性模與形狀系數(shù)的平方成線性關(guān)系，形狀系數(shù)對(duì)支座的抗壓彈性模量以及極限抗壓變形系數(shù)等具有直接的影響作用，形狀系數(shù)的增大會(huì)帶動(dòng)承載能力的提升。

由此可以看出在對(duì)壓縮變形一定時(shí)，形狀系數(shù)越大壓縮應(yīng)力也越大。

因此板式橡膠支座形狀系數(shù)S不僅是支座的幾何參數(shù)，也直接影響支座的承載能力。

二、橋梁設(shè)計(jì)時(shí)板式橡膠支座選型與布置

（一）板式橡膠支座選型不當(dāng)及有效承壓面積不足引起的病害

橋梁施工圖設(shè)計(jì)中，支座的設(shè)計(jì)內(nèi)容并不多，主要是對(duì)支座長(zhǎng)、寬、高等規(guī)格做出簡(jiǎn)單的要求，不涉及支座性狀系數(shù)、轉(zhuǎn)角大小以及膠層厚度等方面的問(wèn)題。

選用后要經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)核和驗(yàn)算環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際荷載設(shè)計(jì)或選擇板式橡膠支座，確保有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，以防止出現(xiàn)橋梁支座因不符合使用功能要求而損壞。

在確定了支座的設(shè)計(jì)(容許）應(yīng)力（σ）后（從19規(guī)范中查），并得知相應(yīng)處的支座反力（R）的情況下，就可以計(jì)算出支座的有效承壓面積（A）；有效承壓面積確定了以后，需根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的梁型確定支座的形狀，即為矩形或圓形，如上部結(jié)構(gòu)為T(mén)梁或工字梁，相應(yīng)的支座宜選用矩形支座，而不宜選用圓形。如用圓形會(huì)有梁端外露，實(shí)際有效承壓面積應(yīng)于計(jì)算的有效承壓面積。

在有效承壓面積的計(jì)算中需要根據(jù)公路橋梁鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行確定：

Ae≥R/σ

其中公式A≥ R/σ，應(yīng)明確大于1的安全系數(shù)，才能確保在通車(chē)后支座有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

（二）板式橡膠支座布置不當(dāng)引起的病害

從目前發(fā)生的橋梁支座病害來(lái)看，有部分支座是由于在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于各種支座本身的功能認(rèn)識(shí)不足，出現(xiàn)了在設(shè)計(jì)時(shí)就有誤的情況，不僅僅是承載力不足的問(wèn)題，主要是支座的布置有問(wèn)題，支座按其使用功能有固定、雙向和單向活動(dòng)支座之分，有的橋梁設(shè)計(jì)圖紙中，雙向和單向活動(dòng)支座布置不當(dāng)，導(dǎo)致梁體或支座發(fā)生偏移甚至滑落，或剪切變形過(guò)大使支座損壞。

由于橋梁混凝土本身的收縮和徐變與外界因素有關(guān)，不能準(zhǔn)確地計(jì)算出位移量，通常情況下由溫度差而引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)和支座發(fā)生的位移是主要的位移量，特別是對(duì)于板式橡膠支座，其滑板支座的位移量最大控制在正負(fù)5cm左右，對(duì)于跨徑較小的曲線橋已能包含了混凝土收縮和徐變的影響。在曲線橋梁的設(shè)計(jì)中主要以切向布置和極坐標(biāo)放射形布置的方式進(jìn)行布置。

1.支座按極坐標(biāo)放射形布置方式，其中有板式橡膠支座，也即固定橡膠支座，還有滑板橡膠支座，可以沿各個(gè)方向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是多（雙）向活動(dòng)支座，沒(méi)有約束，部分支座是沿極坐標(biāo)方向的活動(dòng)支座，但還要能傳遞水平力，在力的傳遞中必須要結(jié)合橋梁墩臺(tái)的剛性進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)是柔性墩，在墩柱的位移確定中則需要采用極坐標(biāo)的橫向位移進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要有滿足水平力的要求，如果是剛性的橋墩就不能采用此設(shè)計(jì)，如橋臺(tái)處是剛性的，則不適合于橫向的位移坐標(biāo)。

2.采用切向布置的支座方式，從設(shè)計(jì)原則分析在計(jì)算中必須要綜合考量各種影響因素，支座的設(shè)計(jì)也可以采取切向布置的方式。在這種方式下的結(jié)構(gòu)支承，在溫度和收縮作用之下，包括其它力（自重、汽車(chē)制動(dòng)力、風(fēng)力）作用下，支座位移趨向于極坐標(biāo)方向，沿切線方向?qū)?，并要承受水平力，剪切變形比較大。如果布置不當(dāng)，橋梁上部結(jié)構(gòu)就會(huì)和支座發(fā)生橫向位移，有滑落的危險(xiǎn)。

支座的三大功能:承載、位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，承載不僅考慮豎向荷載還要考慮水平荷載，支座要在發(fā)生位移的同時(shí)，能夠向不同方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在支座的設(shè)計(jì)中必須要對(duì)梁體以及位移的約束等方面的問(wèn)題進(jìn)行綜合考量，可以采用以上兩種支座布置體系。

（三）板式橡膠支座在不同環(huán)境條件下選型不當(dāng)引起的病害

根據(jù)行業(yè)規(guī)范，從膠料使用的種類來(lái)看，板式橡膠支座分氯丁橡膠，代號(hào)CR，是英文Chloroprene Rubber的縮寫(xiě)，其天然橡膠，代號(hào)NR是英文Natural Rubber的縮寫(xiě)。

1.兩種橡膠支座的性能比較

天然橡膠的構(gòu)成物質(zhì)為聚異戊二烯，是一種非極性物質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有可溶于油脂和非極性溶劑的特點(diǎn)。它是一種橡膠樹(shù)的副產(chǎn)物，具有較大的伸長(zhǎng)率，電絕緣性也比較強(qiáng)，制作過(guò)程中易于加工，和鋼板粘結(jié)性好，在多數(shù)合成橡膠綜合性能方面低于天然膠。缺點(diǎn)是易老化，抗氧氣臭氧能力差。

由于其溶于油脂和非極性溶劑，因此耐油性不強(qiáng)，容易老化，易被臭氧分解，但是具有較強(qiáng)的耐低溫性，適合于其橋梁支座用。其主要產(chǎn)地在馬來(lái)西亞、越南、我國(guó)云南等地。

氯丁橡膠雖然屬于橡膠類，但是卻是一種合成橡膠，是一種氯丁二烯通過(guò)乳化后形成聚合物質(zhì)。 國(guó)產(chǎn)氯丁膠優(yōu)點(diǎn)：性價(jià)比高，缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，操作困難，對(duì)溫度敏感性比較大，冬天混煉膠低溫變硬特別明顯，夏天溫度高時(shí)容易變形。

進(jìn)口氯丁膠：性能穩(wěn)定，操作容易，價(jià)格高。同時(shí)由于氯離子的存在，能夠抵抗油脂、溶劑、酸堿等方面的腐蝕，并具有較強(qiáng)的耐臭氧性；主要缺點(diǎn)是因?yàn)槎滏準(zhǔn)降姆肿咏Y(jié)構(gòu)影響分子間的熱運(yùn)動(dòng)，分子間的間隙在低溫時(shí)易產(chǎn)生結(jié)晶。

因此耐老化、耐熱、耐油、耐臭氧是氯丁橡膠支座的優(yōu)點(diǎn)，然而其對(duì)溫度特別是低溫敏感，容易在低溫時(shí)產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象，造成抗壓彈模大幅度的提升。不耐寒是其弱點(diǎn)之一。

2.兩種橡膠支座的選擇

一般來(lái)說(shuō)我國(guó)的北方地區(qū)選用天然橡膠支座偏多，南方地區(qū)選用氯丁橡膠支座偏多，環(huán)境影響老化快、油光污染重時(shí)、選用氯丁橡膠支座。但受橡膠工業(yè)及化工業(yè)整體的影響，我們氯丁橡膠的部門(mén)指標(biāo)包括工作性能、加工性能等還不完善，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)有關(guān)支座規(guī)范和橋梁設(shè)計(jì)圖紙的分析，目前支座的設(shè)計(jì)應(yīng)力取值偏高，支座選型后強(qiáng)度儲(chǔ)備的驗(yàn)算沒(méi)有明確，對(duì)支座的布置有不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，不同的溫度和自然環(huán)境下選用的支座種類不當(dāng)，導(dǎo)致了支座有早期損壞甚至脫落的現(xiàn)象，須重視并解決之。