（土木工程专业论文）公路桥梁板式橡胶支座应用分析与研究.pdf

摘要 近年来我国交通事业发展迅速，桥梁作为我同重要社会基础设施的地位愈显 突出，尤其是高速公路桥梁、城市高架桥已经成为大中城市的主要交通动脉和枢 纽，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。 本文首先对桥梁支座的发展应用、使用现状和研究动向作了介绍，引入了桥 梁相关抗震设计方法及新的设计理论，论述了桥梁支座在桥梁整体抗震性能中的 重要作用。并就目前桥梁板式橡胶支座在设计选用、支座生产、现场施工、抽检 试验、养护管理等多个方面存在的薄弱环节，结合天津市公路桥梁、城市高架桥 工程建设实例，引用支座设计、试验检测方法、旖工技术规程等规范，说明了板 式橡胶支座的设计、施工的控制重点，分析了其设计选用、试验检测中问题，并 提出了应对策略，就板式橡胶支座常见病害提出了板式橡胶支座处理措施和日常 养护方法，同时针对桥梁维修，详述了连续梁桥整体台升更换支座工法。 通过对桥梁板式橡胶支座多个环节的系统研究探讨，强化支座在桥梁结构建 设中的重要作用，提出各级设计、旌工、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、抗震设计、耐久性 2 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r so u rt r a n s p o r t a t i o n e n t e r p r i s eq u i c k l yd e v e l o p ，a c u o no fb r i d g e s a so u rc o u n t r y sf o u n d a t i o n e s t a b l i s h m e n t b e c o m em o r ei m p o r t a n t ，e s p e c l a l l y h i 曲一w a yb r i d g e sa n dc i t y v i a d u c tb r i d g e sp l a ym o r eg r e a ti m p o r t a n c et 0 c 1 v l i e c o n o m ya n dp e o p l e sl i v i n g b r i d g eb e a r i n g sa r ec e n t r a l o n ep a r to fb r i d g ec o n s t r u c ta n dh a v es l g m l l c a n t i n f l u e n c et ob r i d g ew o r k i n g 1 i f ea n ds t r u c t u r a ls a l t y e s p e c i a l l yp l a t et y p ee l a s t o m e r i c p a db e a r i n g sh a v em u c ht r a i t ，f o re x a m p l e ，s i m p l e c o n f o r m a t i o n 、c r e d i b l ec a p a b i l i t y e a s i n e s so fi n s t a l l i n ga n dr e p l a c i n ga n d l o wp r i c e ，s oe s p e c i a l l yp l a t et y p ee l a s t o m e r i c p a db e a t i n g sa r eb r o a d l yu s e di nc i t ya n dh i 曲- w a yb r i d g e h i s p a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e st h eb e a r i n g d e v e l o p m e n t ，u s i n g - a c t u a l i t y a n d r e s e a r c h i n g d i r e c t i o n ，a n d q u o t e sn e wm e t h o d a n dt h e o r yo fb r i d g e a s e i s m i c d e s i 凹，a n dp r o v e st h a tb r i d g eb e a r i n g a r ev e r yi m p o r t a n tt ob r i d g e 咖c t u r em a s e i s m a t i cc a p a b i l i t y p r e s e n t l yp l a t et y p e e l a s t o m e r i cp a db e a r i n g sh a v em s c h p r o b l e mi ns e v e r a lp a r t ，s u c ha s b e a r i n gd e s i g n i n g a n dc h o i c i n g ，b e a r i n gp r o d u c i n g ， b e a r i n gi n s t a l l i n g , b e a r i n gs a m p l i n ga n dt e s t i n g ，b e a r i n gm a i n t a m m g t h l sp a p e r b a s e so ne x a n l p l e sb u i l d i n go ft i a n j i nh i g h w a ya n dc i t yb r i d g e sa n dt h e nt i t e s c o r r e l a t i v ec r i t e 五o n a n ds h o w ss e v e r a le m p h a s e so nb e a r i n gd e s i g n i n g a n d c o n s t r u c t i n g ，a n da n a l y z e sm u c hp r o b l e mo nb e a r i n gd e s i g n i n ga n dc h o i c i n g a n d t e s 如g a n d 也i d ko 证m e t h o dt os l o v em a t t e r 。f i n a l l yt h i sp a p e rf i n d sm e a s u r e t o s l o v eb e a r i n gd i s e a s ea n dp r o p o s e ss o m em e a s u r et ob e a r i n gm a i n t a i n i n g ，e x p a t l a t e s c o n s t m c t i o nt e c 五u l i q u eo fr e p l a c i n gb e a r i n gt h r o u g hl i f t i n gc o n t i n u o u sb e a m b r i d g e w i t hs y s t e m i cs t u d y i n gt os e v e r a lp a r to fp l a t et y p ee l a s t o m e r i cp a db e a r i n g s ，w e a 伍珊s i g n i f i c a n c eo fb r i d g eb e a r i n g a n da d v i s ed i f f e r e n tt e c h n i c a lm a n a g e rt o s 仃e n 础e nj o bo fq u a l i t yc o n t r o l l i n g ，a n d c o n s t a n t l yi m p r o v el e v e l o fb r i d g e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：p l a t et y p ee l a s t o m e r i cp a d b e a r i n g s ：a s e i s m i cd e s i g n ；a g e i n gr e s i s t a n c e 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注苤鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签辫 矿 年易月，多e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名柞砒，左 签字日期：夕7 年6 月，6 日 导师虢衅继亿 签字日期： 夕年莎月r 易日 第章综述 第一章综述 1 1 桥梁支座的应用与发展 桥梁支座英文释义b r i d g eb e a r i n g ，定义其是在桥跨结构与桥墩或桥台的支 承处设置的传力装置，是桥梁上、下部结构的连接点。其主要功能有几个方面： 传递荷载，承受变形。将桥跨结构上的全部荷载( 包括恒载和活载) 可靠地传递 到桥墩台上，同时承受荷载作用引起的桥跨结构端部的水平变位、转角等变形。 适应环境因素引起变形。能适应桥跨结构在活载、温湿度变化、混凝土收缩和 徐变等因素作用下的自由变形。吸收平动、振动引起变位。能阻抗风力、活载 引起的桥跨结构平移和振动，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。 早在上世纪3 0 年代，法国已将合成橡胶支座应用于小跨径桥梁上，4 0 年代起， 许多国家开始陆续在桥梁中采用橡胶支座。5 0 年代末，美国在位于林肯城的 p e l h a m 大桥第次使用了板式橡胶桥梁支座。苏联从1 9 5 9 年就开始在公路及铁路 桥梁上使用板式橡胶支座。日本东北干线的鬼怒川铁路预应力砼连续梁桥于1 9 6 1 年应用了板式橡胶支座。 我国早期铁路桥梁大多数采用钢支座，而中小桥梁多采用油毛毡等简易支 座，这些支座在使用中存在诸多弊端。随着工程技术和社会的发展的进步，我国 自2 0 世纪6 0 年代开始引进橡胶支座，对板式氯丁橡胶支座进行了研究和试验，我 国首先生产的是国际上通用的矩形板式橡胶支座，经过试用，在1 9 7 5 年版公路桥 涵设计规范( 试行) 中将板式橡胶支座的主要参数列入了规范。随着公路交通事 业的发展，在1 9 8 0 年修改公路桥涵设计规范时，委托上海市政工程设计院进行 了5 1 种不同规格的1 5 5 块矩形板式橡胶支座的4 大类试验，为选定板式橡胶支座设 计参数提供了依据，并纳入了公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 ( j t j 0 2 3 唱5 ) 。 2 0 世纪8 0 年代为适应形势需要，引进和开发了圆形板式橡胶支座，并通过3 0 4 块不同规格、结构的圆形支座的抗压、抗剪、转动、摩擦和破坏等项目的性能试 验，确定了圆形板式橡胶支座的设计参数。期间还对矩形板式橡胶支座进行了 2 6 4 块试件补充试验研究。这些研究成果，同时纳入了1 9 9 3 年8 月颁布的公路桥 梁板式橡胶支座( j t t4 叫3 ) 中，其中包括了矩形、圆形及带四氟滑板的板式 橡胶支座。 2 0 0 2 年，交通部下达了j t t4 9 3 标准的修订任务。经征求意见、查阅国内 外相关标准、调研分析目前板式橡胶支座的生产和使用状况、试验验证、征求意 第一章练述 见、送审、报批等程序，2 0 0 4 年3 月1 7 目，交通部以交科教发 2 0 0 4 1 2 4 号批准发布 了公路桥梁板式橡胶支座( j t t4 2 0 0 4 ) ，自2 0 0 4 年6 月】日起实施。标准的 修订考虑我国的国情，并参考了国际标准橡胶制品一桥梁支座一橡胶材料规定 s o6 4 4 6 - 1 9 9 9 、美国公路桥梁设计规范一l r f d ) ) 和欧洲标准c e n t c l 6 7 n 1 8 5 ( 2 0 0 1 ) 等标准。l z o 目前，我国公路桥梁几乎大部分使用各类橡胶支座，橡胶支座已经完全替代 了刚性支座成为桥梁支座的主要构造形式，尤其是板式橡胶支座更受到桥梁界的 欢迎，在大中小跨径公路桥梁、城市高架桥梁中被广泛应用。自1 9 9 8 年以来，我国 每年投入基础设施建设的资金达2 0 0 0 亿元以上，其中公路建设是重点投资项目， 桥梁橡胶支座的需求量大大增加，为橡胶工业提供了巨大的市场。 1 。2 桥梁支座的类型及适用范围 桥梁支座按其使用功能的不同，可以分为两大类：固定支座和滑动支座，固 定支座的作用是将桥梁结构固定在墩台上并传递竖向应力和水平力，允许桥跨 转动但限制位移，活动支座只传递竖向应力，保证在温差、混凝土收缩以及荷载 作用于桥跨时能自由转动和平移。按支座材料和构造来分，又分为：钢支座、橡 胶支座、其他类型支座等。： 其中钢支座在使用过程中容易因为铸件的锈蚀导致支座的锈死，从而影响其 使用性能，应用范围较小。 橡胶支座由于具有：性能可靠、结构简单、安装和更换方便、使用寿命长、 造价低，能适应宽桥、曲线桥、斜桥等上部结构在各方面的变形，同时能吸收部分 振动、平移运动、减小活载对桥梁结构及墩台的冲击，延长桥梁寿命等优点。因 此橡胶支座应用较为广泛，并衍生出各种类型的产品，以适应桥梁建设的需要。 主要有几个类型： ( 1 ) 板式橡胶支座，其是一种新型桥梁支座。它具有构造简单、加工制造容易、 用钢量少、成本低廉、安装方便等优点。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2 0 m 以内的梁和板桥，一般可 采用板式橡胶支座。板式橡胶支座的适用反力一般为2 0 0 0 k n 以下较为合理。 ( 2 ) 盆式橡胶支座，其是钢构件与橡胶组合而成的新型桥梁支座。具有承载能 力大、水平位移量大、转动灵活等特点，适用于支座承载力为1 0 0 0 k n 以上的大跨 径桥梁，也适用于城市、林区、矿区的桥梁。盆式橡胶支座可分为单向支座、多 向支座和固定支座。盆式橡胶支座构造简单、结构紧凑、滑动摩擦系数小、转动 灵活，与一般铸钢辊轴支座相比，具有重量轻、建筑高度低、加工制造方便、节省 钢材、降低造价等优点：与板式橡胶支座相比，具有承载能力大，容许支座位移量 2 第一章综述 大，转动灵活等优点，凶此盆式橡胶支座特别适宜在大跨度桥梁上使用。目前同内 生产的盆式橡胶支座主要有以下规格系列：t p z 型、g p z 型、q p z 型等。 ( 3 ) 球型橡胶支座，其是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种新型桥梁 座。随着桥梁技术的发展，大量的弯桥和宽桥的出现，它的设计转角可远大于盆式 橡胶支座，一般为0 0 1 0 0 2 t a d ，必要时也可以达n o 0 5 t a d 。设计反力从1 洲 3 0 m n 。球型支座按其工作特性也可分为固定支座、单向活动支座和多向活动支座 三种形式。球型支座具有以下优点：通过球面传力，因而作用到支撑混凝土上的反 力比较均匀，转动力矩小，因此特别适用于大转角的支座，各向转动性能一致，适 用于曲线桥和宽桥，不使用橡胶承压，不存在橡胶变硬或老化等对支座转动性能 的影响，特别适用于低温地区。通过球型支座的性能试验和有限元应力分析，表明 球型支座传力可靠、转动灵活。它既具备盆式橡胶支座承载能力大、容许支座位 移大等优点，而且能更好地适应支座大转角的需要。目前球型支座已在国内独柱 支承的连续弯板结构、独柱支承的连续弯箱梁结构、双柱支承的连续t 梁结构及 大跨度斜拉桥中广泛应用。 其他类型的支座又包括： ( 1 ) 铅芯橡胶支座。它是在一般板式橡胶支座的基础上，在支座中心放入铅棒 以改善橡胶支座的阻尼性能的种抗震支座。铅芯支座既是隔震系统，又提供阻 尼，是解决地震区桥梁及结构物隔震系统相对价廉的一种支座型式。 ( 2 ) 拉压支座。桥梁中有些支座为克服上拔支座反力而必须承受拉力，此时支 座即要承受压力又要承受拉力。板式橡胶支座、盆式橡胶支座和球型支座都可以 做成拉压支座的形式。 ( 3 ) 混凝土铰支座。其制造方便简单，如果设计与制造合理的话，它也能满足较 大的支座转角。该支座不必做防锈处理，而且可不进行养护，在特定的条件下是一 种较好的支座型式。 ( 4 ) 盘式支座。盘式支座是用聚醚聚氨脂橡胶代替氯丁橡胶和天然橡胶材料的 一种圆盘式橡胶支座。其性能远优于普通式橡胶支座，承载能力可达到一般板式 橡胶支座的1 6 倍。这种支座设计比盆式橡胶支座和球型支座简单，现已成为大跨 度桥梁结构支座的一个主要竞争者，并成功地应用于许多大跨度桥梁结构。l j 1 3 桥梁板式橡胶支座的分类及应用 板式橡胶支座是由多层橡胶与薄钢板镶嵌、粘压、硫化而成。它有足够的竖 向刚度承受垂直荷载，能将上部构造的压力可靠地传递给墩台，具有良好的弹性 适应梁端的转动、通过较大的剪切变形来满足桥跨由温差引起的伸缩变形。 在上述的板式橡胶支座表面粘覆一层厚1 5 m l i r 3 m m 的聚四氟乙烯板，就制成 第一章综述 聚四氟乙烯滑板式橡胶支座。它除了具有竖向刚度与弹性变形，能承受垂直荷载 及适应梁端转动外，因聚叫氟乙烯滑板的低摩擦系数，可使梁端在四氟板表面自 由滑动，水平位移不受限制，特别适宜中、小倚载，大位移量的桥梁使用。 板式橡胶支座不仅技术性能优良，还具有构造简单、价格低廉、易于更换、 缓冲隔震、建筑高度低等特点，因此在桥梁界颇受欢迎。 按我国交通部颁发的新标准公路桥梁板式橡胶支座( j t t 4 2 0 0 4 ) ，板 式橡胶支座结构形式可以分为： ( 1 ) 普通板式橡胶支座，有矩形普遍板式橡胶支座和圆形普通板式橡胶支座。 ( 2 ) 四氟板式橡胶支座，有矩形四氟板式橡胶支座和圆形四氟板式橡胶支座。 其中，常温型橡胶支座，应采用氯丁橡胶生产，使用温度为- 2 5 - 6 0 ，不 得使用天然橡胶代替氯丁橡胶，也不允许在氯丁橡胶中掺入天然橡胶。耐寒型橡 胶支座，应采用天然橡胶生产，适用温度为- 4 0 - 6 0 。 板式橡胶支座的适用范围： ( 1 ) 普通板式橡胶支座适用于跨度小于3 0 m ，位移量较小的桥梁，正交桥梁用 矩形支座，曲线桥、斜交桥及圆柱墩桥用圆形支座。 ( 2 ) 四氟板式橡胶支座适用于大跨度、多跨连续、简支梁连续板等结构的大位 移量桥梁。它还可用作连续梁顶推及t 型梁横移中的滑块。矩形、圆形四氟板式 橡胶支座的应用分别与矩形、圆形普通板式橡胶支座相同。l 4 j 产品代号表示方法：a bcd 橡胶分类：常温支座采用氯丁橡胶( c r ) 、耐寒型支座采 用天然橡胶( n r ) 外形尺寸：矩形l a l b t ( m m ) ，圆形d t ( h 璐) 形式代号：f 4 表示为四氟滑动支座，不加代号为普通支座 名称代号：g j z 表示公路桥梁矩形支座，g y z 表示公路桥 梁圆形支座+ 1 4 桥梁支座应用方面存在的问题 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。在我国橡胶支座技术相当成熟，其性能可靠、结构简单、安装和使用方便、 造价较低，目前大部分桥梁使用橡胶支座。但是通过近年来的调查、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 4 第一章综迓 装以及养护维修等方面存存诸多问题和隐患，令人担忧。已严重影响了桥梁结构 安全性和耐久性，必须引起高度重视。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。在对橡胶支座力学性能试验 检测方面，鉴于我国大吨位的试验检测设备很少，对大型橡胶支座极限承载能力 检测很难进行。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。支座日常养 护维修工作也未得到充分认识，许多使用中的桥梁，板式橡胶支座表面积水积尘 严重、四氟乙烯滑板的储油坑内存有杂质灰尘等。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。 1 5 本文主要研究内容 本文以板式橡胶支座为例，介绍了桥梁支座抗震设计原理、设计方法、板式 橡胶支座的抗震性能和有限元分析，并结合天津市公路及城市桥梁板式橡胶支座 试验检测、支座施工和养护管理等重要环节，系统介绍了板式橡胶支座试验、施 工及养护管理方面的注意事项，对存在的问题提出了应对策略，并就桥梁支座更 换技术进行了探讨，对支座设计、使用评定、检查试验、施工安装等工作提出了 合理化建议。主要研究内容如下： ( 1 ) 研究板式橡胶支座抗震原理及支座设计考虑因素和设计方法，对板式橡胶 支座受力进行有限元分析。 ( 2 ) 分析板式橡胶支座生产、试验中的问题，运用新的公路桥梁板式橡胶支 座j t t 4 - 2 0 0 4 标准，科学判断橡胶支座产品的质量。 ( 3 ) 结合目前板式橡胶支座施工安装、养护过程中的质量状态，对存在的问题 进行分析并提出应对策略，强调桥梁板式橡胶支座养护维修工作。 ( 4 ) 对城市桥梁板式橡胶支座更换工法进行论述。 第一章 板式橡胶支座抗震相关理论及验算 第二章板式橡胶支座抗震相关理论及验算 2 ，1 桥梁结构地震破坏的主要形式 纵观以往的桥梁震害，主要产生于下部结构，即使是上部结构破坏情况，也 往往是下部结构的破坏或过大的变形引起的，特别是梁式桥更是如此。一般说来， 桥梁墩台的破坏主要是由于地面加速度产生很大的振动使薄弱面产生破坏引起， 比较高柔的桥墩多为弯曲型破坏，矮粗的桥墩多为剪切型破坏，介于两者之间则 为混合性破坏。无筋或少筋的圬工墩台，破坏一般为开裂和折断，而钢筋混凝土 和刚结构等延性构件多表现为开裂，混凝土剥落、压溃、钢筋裸露和弯曲等，并 产生较大的塑性变形。根据桥梁的地震破坏情况，除了如液化、断层等因地基失 效引起的破坏以外，混凝土桥梁最常见的破坏形式基本有四种形式。 ( 1 ) 弯曲破坏，结构在水平地震荷载作用下由于过大的弯曲变形导致混凝土保 护层脱落、钢筋压曲和内部混凝土压碎、崩裂，结构从而失去承载能力。整个破 坏过程可以分为四个阶段来描述。 当弯矩达到开裂强度时，表面出现水平弯曲裂缝。 随着裂缝的发展和荷载强度的提高，受拉侧的纵筋达到屈服强度。 随着变形量的增大，混凝土保护层开始脱落、塑性铰范围扩大。 钢筋压屈和内部混凝土压碎、崩裂。 钢筋混凝土结构弯曲破坏时具有比较良好的变形能力，在损伤发生以后由于 塑性变形吸收地震能量和刚度下降能够减轻地震荷载的强度，因此，这种形式的 破坏通常能够避免桥梁在地震中发生倒塌破坏。 ( 2 ) 剪切破坏，在水平地震荷载作用下，当结构受到的剪切力超过截面剪切强 度时发生剪切破坏，整个破坏过程也可以用四个阶段来描述。 截面弯矩达到开裂强度时，截面出现水平弯曲裂缝。 随着裂缝的发展和荷载强度的提高，柱内出现斜方向的剪切裂缝。 局部剪切裂缝增大，箍筋屈服导致剪切裂缝进一步增长。 发生脆性的剪切破坏。 地震时，剪切破坏是桥梁遭受致命性破坏的重要原因，这种形式的破坏比较 多见，桥梁往往因桥墩剪切破坏而失去承载能力。 ( 3 ) 落梁破坏，当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁破坏。落梁破 坏的主要原因是由于梁和桥墩的相对位移过大，支座丧失约束能力后引起的破坏 形式，发生在桥墩之间地震相对位移过大、梁的支撑长度不够、支座破坏、梁间 地震碰撞等情况。 6 第一章 砭，橡胶支峰抗震丰u 天理论及验算 ( 4 ) 支座损伤一j ：部结构的惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支 座的设计强度时支座发生损伤、破坏。破坏形式主要表现为支座锚固螺栓被拔出 剪断、活动支座脱落及支座本身构造卜的破坏，在较强的水平地震波和竖直地震 波的共同作用下，支座破坏更为严重。支座损伤是引起落梁破坏的主要原因。但 是对下部结构而言，支座损伤可以避免上部结构的地震荷载传到桥墩，避免桥墩 发生破坏。 5 】 2 2 桥梁抗震设防标准 桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，保障人民生命财产的安全，减 少经济损失。因此，桥梁抗震设防的基本原则，是既要使震前用于抗震设防的经济 投入不超过我国当前的经济能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度 限制在人们可以承受的范围内。这就需要我们在进行桥梁工程抗震设计前确定一 个最佳的抗震设防标准。然而桥梁工程的最佳抗震设防标准决策是一个非常复杂 的问题，需要有地震危险性预测和对地震损失的预测，涉及地震学、地质学、工程 学、经济学、社会学等诸多领域。尤其是在目前条件下无法对桥梁工程的地震损 失( 经济损失和人员伤亡) 进行分析。因此，现行的桥梁工程抗震设防标准在很 大程度上是依据人们的主观经验和判断决定的。我国公路工程抗震设计规范 规定的设防标准就是全国范围内的公路桥梁必须达到的最低设防标准，但这一最 低标准在一定程度上忽略了我国不同地区社会经济发展水平以及人口分布密度 上的差异，而经济因素和社会因素恰恰是制订工程抗震设防标准的重要因素。我 国桥梁工程的最低抗震设防标准主要由政府部门决策，现行的公路工程抗震设 计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 采用的设防水准为5 0 年基准期1 0 超越概率( 重现期4 7 5 年) ， 重要结构物的设防等级用重要性系数( 0 6 - - - 1 7 ) 来体现。事实上这种做法并不科 学。一个反映基本地震的地震动参数值乘以重要性系数后所代表的地震的重现期 对不同地区是完全不同的，这就人为地夸大或缩小了工程结构面临的地震危险性， 并且盲目地增强或减弱了工程结构的抗震能力。比较合理的做法是针对不同的桥 梁工程等级调整地震重现期来体现不同工程的设防等级，对于大型桥梁工程来 说，其投资大、在交通网络中所处的地位重要，一旦受损后修复的难度也大，而 造成的经济损失更是难以估计，因此，采用的抗震设防标准一般应高于最低抗震 设防标准。 工程抗震设防标准必须明确设防水准与设防目标之间的关系，因此在确定桥 梁工程的抗震设防标准时，除了必须规定抗震设防水准外，还必须同时规定对应 的结构性能目标。随着国内外震害资料的不断增加，人们对地震动特性以及地震 作用下各类结构的动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究和认识也不断加深。 1 第二章扳橡胶支座抗震相关坤论及验算 而另。方面，由于经济的原因，社会、团体组织对结构在不i 叫水准地震作用下结构 预期抗震性能会有不同的要求。这些因素，不断地促进抗震设计思想和方法的发 展，由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐发展为双水准或三水准设防两阶段设 计、三阶段设计，以及多水准设防、多性能目标准则的基于性能的抗震设计等。 其中主要有： ( 1 ) 单一水准设防，一阶段设计。我国现行公路工程抗震设计规范( j t j 0 0 4 8 9 ) 和铁路工程抗震设计规范( g b j l1 1 8 7 ) 采用的就是这一种方法，设计目 标是大地震作用下结构不发生倒塌。实践表明：单一水准设防，一阶段设计存在许 多的不足，正逐渐为多水准设防、多性能目标的设计方法所代替。 ( 2 ) 双水准设防、三水准设防两阶段设计。近几十年来，美国、日本及我国等 国家的地震工程专家先后提出了分类设防的抗震设计思想，即“小震不坏、中震 可修、大震不倒”。这一抗震设计思想常表示为以下三个要求：在小震( 多遇地震) 作用下，结构物不需修理，仍可正常使用；在中震( 偶遇地震) 作用下，结构物无重 大损坏，经修复后仍可继续使用；在大震( 罕遇地震) 作用下，结构物可能产生重大 破坏，但不致倒塌。所谓的多遇地震、偶遇地震和罕遇地震都是相对的，主要由工 程所在地区的地震活动性来决定。 ( 3 ) 三水准设防三阶段设计。范立础主编的我国首部“城市桥梁抗震设计规范” 的征求意见稿中，建议采用三水准设防三阶段设计的抗震设计方法，即对应三个 设防水准，分别校核各自的设计指标，保证设计满足三个设防水准的要求。根据桥 梁在交通网络上位置的重要性以及承担交通量的多寡采用不同的抗震设防标准。 新西兰抗震设计规范、在建的香港昂船洲大桥( 主跨1 0 1 8 m 斜拉桥) 也都采用了三 级设防、三阶段设计的抗震设计方法。 ( 4 ) 多水准设防、多性能目标的基于性能的抗震设计。多次破坏性地震的震害 表明：基于不倒塌的抗震设计在保护生命安全方面是比较有效的，但难以避免巨 大的经济损失。于是，美国学者提出了基于性能的抗震设计思想，而且越来越多 的学者己认同将来的抗震设计应是基于性能的抗震设计，因此可以说是桥梁抗震 设计方法的发展趋势。基于性能的抗震设计思想，主要包括结构抗震性能等级的 定义，抗震性能目标的选择，以及通过正确设计实现性能目标三步。l 6 j - l s j 2 3 桥梁抗震设计原理 目前桥梁的抗震设计计算原理是建立在一定假设条件基础上的，尽管分析 的手段在不断提高，分析的理论在不断完善，但由于地震作用的复杂性，地基 影响的复杂性和桥梁结构体系本身的复杂性，可能会导致理论计算分析和实际 情况相差很大。现常见的桥梁抗震设计方法有：设计静力法、反应谱法和动态时 8 第一二章板橡胶支庸抗震相关珊论及验算 程分析法。下面就分别对应不i 司的假设条件和设计原理做探讨。 ( 1 ) 静力法。最早由日本学者大房森吉提出的地震力理论。它假设结构物各个 部分与地震动具有栩同的振动。从而作用于结构物各部分的惯性力即可由地面运 动加速度与各部分的质量乘积得到，化桥梁抗震问题的动力计算为静力计算。静 力法把地震加速度看作是桥梁结构破坏的唯一因素，忽略了结构本身动力特性 对结构反应的影响，应用存在较大局限性。事实上只有绝对刚性的物体才能认为 在振动过程中各个部分与地震动具有相同的振动，所以只对刚度很大的结构例如 重力桥墩、桥台等结构应用静力法近似计算。 ( 2 ) 反应谱法。美国学者m a b o i t 提出反应谱概念，并给出了第一条弹性反应 谱，即一个单自由度体系对应某个强震记录的激励，体系的周期与最大反应( 加 速度、相对速度、相对位移) 的关系曲线。g m h o u s n e r 提出基于反应谱理论抗 震计算的反应谱法。目前我国的公路及铁路桥梁均主要采用反应谱方法。反应谱 法的思路是对桥梁结构进行动力特性分析( 固有频率，主振型) ，对各主振动应 用谱曲线作某强震记录的最大地震反应计算，最后一般通过统计理论对各主振 型最大反应值进行组合，近似求得结构的整体最大反应值。 ( 3 ) 动态时程分析法。动态时程分析法是上世纪六十年代以后伴随有限元法、 计算机技术两方面的发展而出现的。该法把大型桥梁结构离散成多节点、多自由 度的结构有限元动力计算模型，将地震强迫振动的激振( 地震加速度时程) 直接 输入，借助计算机逐步积分求解结构反应时程。憎j 2 4 桥梁抗震设计方法 2 4 1 常用的抗震设计方法 增加结构的柔性以延长结构的自振周期，达到减小由于地震所产生的地震荷 载和增加结构的阻尼或能量耗散能力以减小由于地震所引起的结构反应是实用 的抗震方法。当前，比较容易实现和有效的抗震方法主要有以下几点。 ( 1 ) 采用隔震支座。采用减、隔震支座( 聚四氟乙烯支座、叠层橡胶支座和铅 芯橡胶支座等) 在梁体与墩、台的连接处增加结构的柔性和阻尼以减小桥梁的地 震反应，采用减、隔震支座桥梁结构的梁体通过支座与墩、台相联结，大量的试 验和理论分析都表明其联结方式对桥梁结构的地震反应有很大的影响，在梁体与 墩、台的联结处安装减、隔震支座能有效地减小墩、台所受的水平地震力。 ( 2 ) 采用隔震支座和阻尼器相结合的系统。利用桥墩在地震作用下发生弹塑性 变形耗散地震能量以达到减震的目的，利用桥墩的延性抗震。近2 0 年来，国外在桥 梁减、隔震和延性抗震方面进行了许多研究，美国、新西兰和日本等在桥梁设计 9 第一章 板式橡胶支座抗震相关理论及验算 规范中都列入了栩应的条款。 ( 3 ) 利用桥墩延性减震。利用桥墩的延性减震是当前桥梁抗震设计中常用的方 法，桥墩延性减震是将桥墩某些部位设计得具有足够的延性，以便在强震作用下 使这些部位形成稳定的延性塑性铰产生弹塑性变形来延长结构周期、耗散地震能 量。在进行延性抗震设计时，按弹性反应谱计算塑性反应的地震荷载需要修正， 桥梁抗震设计规范采用了综合影响系数来反映塑性变形的影响，其理论依据是， 当结构进入塑性阶段时，地震荷载可以比弹性结构的地震荷载小，结构综合影响 系数主要考虑了这一因素。t l o j 2 4 2 新的抗震设计方法 传统的桥梁抗震设计，是从强度和延性等方面来确保桥梁具有足够的抗震能 力，使之在地震作用下不垮。然而由于人们尚难以准确估计桥梁结构的抗震能力 和地震作用，因而桥梁结构在地震中严重破坏或倒塌的例子很多。型钢混凝士结 构是在混凝土上包裹型钢做成的结构。它与钢筋混凝土结构相比具有一系列优 点。其承载力可以高于同样外形的钢筋混凝土构件承载力一倍以上，具有较好的 抗剪能力，延性比明显高于钢筋混凝土结构，滞回曲线较为饱满，耗能能力有显著 的提高，从而呈现出良好的抗震性能。能够隔离、吸收和耗散地震能量，减小桥梁 结构的地震反应，使桥梁的变形限制在弹性范围，避免由于产生塑性变形而造成 累积损伤破坏和永久残余变形，这大大提高了桥梁结构的安全度，同时可以节约 材料，降低造价。型钢混凝土中的型钢除采用轧制型钢外，还广泛使用焊接型钢， 常用的截面型式有h 型、e 型、t 型等，而采用矩形及圆钢管混凝土结构是在型钢混 凝土结构、螺旋配筋混凝土结构以及钢管结构的基础上演变和发展起来的种新 型结构。 1 l 卜 1 4 2 。5 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。氯丁 胶除抗冻和弹性外，其他性能( 耐油、耐腐蚀、抗老化和阻尼等) 均优于天然橡胶。 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， 第- 二章板j i = 橡段支晦抗震相关理论及验算 使橡胶支座可达到很大的整体侧移而不致大稳，而目保持较小的水平刚度( 仅为 竖向刚度的1 5 0 0 1 1 5 0 0 ) 。并月曲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。 2 6 桥梁支座设计考虑因素 目前，常用的橡胶支座种类繁多，因桥梁强度、设计荷载等级、桥面连续情况、 桥梁纵横向坡度、气候和地震条件、结构形式等因素的不同可采用不同形式，设 计者只有很好地了解橡胶支座准确的设计参数，才能选取合适的支座，才能既做 到设计合理，同时又满足橡胶支座的设计功能要求。桥梁支座的设计依据根据其 功能确定。首先必须详细计算支座的反力、位移和转角。为了正确地选择桥梁支 座的形式和种类，需根据不同结构的桥梁计算出其反力、位移和转角。桥梁结构 除有竖向反力外，还有纵向、横向水平力，这些反力和水平力以及位移和转角将进 行最不利组合，以确定最合理的支座设计和参数的选用。支座设计必须考虑支座 的振动周期和频率。考虑支座的振动周期是为了满足桥梁的减振和抗震的性能要 求。支座的振动周期与桥型、跨度、宽度、材料性质、截面尺寸、支座布置和数 量等因素有关。其中抗震性能与地震和台风有直接关系，其振动周期长，频率低， 位移大，按抗震设计时，对支座通常采用增大阻尼来解决大位移问题；减振性 能与车载量、车流密度、车速度、刹车力等有直接关系，其振动周期短，振动频率 相对高，减振设计时，可直接采用橡胶隔层来解决小位移问题。在支座设计中，两 种因素均应考虑，一般以抗震性能控制设计 2 7 板式橡胶支座设计 2 7 1 板式橡胶支座的基本设计数据 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以= 1 0 o m p a 。 ( 2 ) 常温下支座剪变模量e = 1 o m p a 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o 一1 0 时，g 值应增大2 0 ；当低于一1 0 时，g p 值应增大5 0 ；当低于一2 5 时，e 值应为2 彪阮 ( 3 ) 橡胶支座抗压弹性模量和支座形状系数应按下式计算： e = 5 4 g 。s 2 。 第一二章 扳式橡胶支座抗震相关理论及验算 矩形支座 s = 揣 圆形支座 式中： t 一支座抗压弹性模量( m p a ) s 一支座形状系数 ，。6 一矩形支座加劲钢板长边尺寸 f l 一支座中间层单层橡胶厚度 c d o j 一一 4 ，l q 一支座剪变模量 ，o 。一矩形支座加劲钢板短边尺寸 吨一圆形支座钢板直径 ( 4 ) 橡胶弹性体体积模量e b = 2 0 0 0 m p a ( 5 ) 支座与不同接触面的摩擦系数。支座与混凝土接触时，= 0 3 ：支 座与钢板接触时，= 0 2 ；聚四氟乙烯板与不锈钢板接触时( 加硅脂) ， r ：o 0 6 ；当温度低于一2 5 c 时，r 值增大3 0 ；当不加硅脂时，值应加倍。 当有实测资料时，也可按实测资料采用。 ( 6 ) 橡胶支座剪切角口正切值限值 当不计制动力时，t a n a o 5 当计入制动力时，t a n 口0 7 2 7 2 板式橡胶支座的计算 ( 1 ) 板式橡胶支座有效承压面积按下列公式计算： 4 告 热 4 一支座有效承压面积( 承压加劲钢板面积) r 。一支座压力标准值，汽车荷载应计入冲击系数 ( z ) 板式橡胶支座橡胶层总厚度应符合下列规定： 从满足剪切变形考虑，应符合下列条件： 不计制动力时，乞2 ，；计入制动力时，乞1 4 3 ， 当板式橡胶支座在横桥向平行于墩台帽横坡或盖梁横坡设置时，支座橡胶层 总厚度应符合下列条件： 不计制动力时，乞2 2 + 2；计入制动力时，乞t 1 4 3 4 a ；+ 2 式中：t 一支座橡胶层总厚度 ，一由上部结构温度变化、混凝土收缩和徐变等作用引起的剪切变形和 纵向应力标准值产生的支座剪切变形，以及支座直接设置于不大于1 纵坡的梁 底面下，在支座项面由支座承压力标准值顺纵坡方向分力产生的剪切变形。 一支座在横桥向平行于不大于2 的墩台帽横坡或盖梁横坡上设置，由 1 2 第二章板式橡胶支廖抗震相关理论及验算 支座承压力标准值平行于横坡方向分力，札生的剪切变形。 从保证受压稳定考虑，应符合下列条件： 矩形支座 量1 0 ，蔓5 圆形支座 旦1 0 。詈 ( 3 ) 板式橡胶支座竖向平均压缩变形应符合下列规定： k = 箍+ 箍 鸣旺。o 吼 式中：皖。一支座竖向平均压缩变形 p 一由上部结构挠曲在支座项面引起倾角，以及支座设置于不大于1 纵坡的梁底面下，在支座顶面引起的纵坡坡脚( r a d ) ( 4 ) 板式橡胶支座加劲钢板应符合下列规定，且最小厚度不应小于2 姗 ，一k p 如k ，。+ 乞，) 一 4 叹 式中： f 。支座加劲钢板的厚度 k 。应力校正系数，取1 3 矿乞，块加劲钢板上、下橡胶层厚度 吒加劲钢板轴向拉应力限值，可取钢材屈服强度的0 6 5 倍 2 7 3 板式橡胶支座抗滑稳定验算 不计汽车制动力时b 1 4 q 以孚 f 计入汽车制动力时z 如1 4 q 4 孚+ 艮 c 式中：灭馓一由结构自重引起的支座反力标准值 如一由结构自重标准值和0 5 倍汽车荷载标准值( 计入冲击系数) 引起 的支座反力 一由汽车荷载引起的制动力标准值 彳。一支座平面毛面积 2 7 4 聚四氟乙烯滑板式橡胶支座摩擦力验算 不计汽车制动力时 竹如q 以t a n 计入汽车制动力时 巧如e 4 t a n o ! 式中：如一由结构自重标准值和汽车荷载标准值( 计入冲击系数) 引起的支座 1 3 第一章 扳式橡胶支庸抗震相关理论及验算 1 爻) 3 ，一聚 j l j 氟乙烯与不锈钢板的摩擦系数 t a n 口一橡胶支座剪切角正切值的限值【1 5 卜【1 6 2 8 板式橡胶支座受力的有限元分析 桥梁支座在使用过程中，为了使支座均匀受力，通常在主梁构造上设置楔形 块的构造措施，然而，通过既有桥梁橡胶支座的调查发现，支座还是有偏载和脱 空现象，支座受力较大一侧橡胶外鼓，有些还伴有橡胶开裂。在评价橡胶支座力 学性能方面，目前我国采用的试验方法和项目是轴心抗压试验、剪切试验和容许 转角试验，试验方法的本身要求支座无脱空现象，无法得出支座在受力过程中的 传力性能机理。在这方面，计算机仿真技术为通过数值模拟揭示结构性能提供了 很好的技术手段。 2 8 1 板式橡胶支座有限元分析模型的建立 ( 1 ) 总体几何模型和单元类型的确定。考虑到在轴心受压和在坡梁作用状态下 圆板式支座的几何形状和加载工况的对称性，分别建立1 4 、1 2 支座模型进行分 析。橡胶采用h y p e r 5 8 ( 3 d ) 超弹性块单元，钢板用s o l d 4 5 ( 3 d ) 块单元，支座顶、底 面橡胶和试验用钢板之间分别用t a r g e l 7 0 ( 3 d ) 单元和