對于多跨連續梁橋,為簡化設計和施工,各墩臺可選用相等厚度的支座。當一聯中跨數較多時,上述作法并不可取。因為一聯橋長較長時,所選支座必然較厚。橋梁上部結構在承受汽車制動力時,支座越厚,則產生的縱橋向變形量也會越大,這就使梁體的下滑變位趨勢更加明顯,尤其當橋梁縱坡較大時,加上汽車沖擊震動的影響,梁體變位可能會超出橡膠支座允許的變形量,造成支座被剪壞。如支座老化較嚴重,這種大的梁體變位還可能造成支座永久性塑性變形,致使支座變形功能失效。大的梁體變位還會對橋梁伸縮縫產生更大的壓力。
為避免上述情形發生,可在一聯中居中的若干橋跨內選用較薄的橡膠支座,形成支座不等厚設計。這樣雖然會增加設計和施工的麻煩,但中跨薄支座相對起到了固定支座的作用,能有效地減少梁體下滑變位作用。對于高墩或大縱坡的梁式橋,最好能有2~3個墩與梁固結,以避免連續梁體下滑(實橋觀測表明,上述情形下不采取切實措施,梁體下滑不可避免)。
當然,在特殊情形下,還可以利用上述分析,有意加厚或減薄某些墩、臺上橡膠支座的厚度,以控制墩、臺水平力分配。
實例分析:某特大橋的引橋,上部結構為4-30米先簡支后連續預應力鋼筋砼小箱梁,采用薄壁墩,肋臺,鉆孔灌注樁基礎,引橋自成一聯,橋型圖如圖所示。汽車荷載采用公路I級,按最大升溫25°,最大降溫+砼收縮及徐變合計40°計算溫度力。一車道制動力Fk=165kn。采用彈性基礎-m法求得墩臺及基礎的抗彎剛度后,按墩臺與支座組合剛度進行水平力分配,結果如下表所示:
需要說明的是,由于3#墩和7#臺承受的溫度力大于最大支座摩阻力,四氟滑板支座將發生滑動,故汽車制動力將進行重分配,造成制動力全部由4、5、6#墩承擔,3#墩和7#臺分配到的制動力均為0。
從計算結果可以看出,作為中間墩的5#墩,承受的溫度力幾為0,如減薄5#墩上的支座厚度,可增大其組合剛度,從而分配到更多的制動力,為其它墩減負,使得各墩承擔的水平力更加均衡。故在任何橋長情況下,采用各墩臺支座不等厚設計均是經濟、合理的作法。
橡膠支座計算中應注意問題
1.支座有效承壓面積Ae
計算支座壓應力時,應采用支座有效承壓面積(即承壓加勁鋼板面積)。同樣,計算支座形狀系數時,亦應采用加勁鋼板尺寸進行計算。老橋規是以支座外觀尺寸代入計算的,應注意調整我們的計算習慣。
2.剪變模量Ge
常溫下橡膠支座的剪變模量Ge=1.0MPa。實際設計時,Ge值應注意按橋位所在地區氣溫條件進行調整。當累年最冷月平均溫度的平均值為0~-10℃時,Ge值應增大20%;當低于-10℃時,Ge值應增大50%;當低于-25℃時,Ge值采用2.0MPa。
3.支座橡膠層總厚度te
進行橡膠支座厚度計算時,容易將te誤認為是支座的總厚度t,實際上te應為支座橡膠層總厚度,即te=t-nt0。其中n為支座中加勁鋼板的層數;t0為每層加勁鋼板的厚度。
在一些支座參考資料(特別是一些老的參考資料)中,并沒有直接列出每種規格支座的te值,設計選型時多有不便。這時就需要根據支座形狀系數S(資料中均會給出)的計算公式
4.形狀系數S取值
在實際選型時會發現,同種平面尺寸的橡膠支座一般會有幾種支座形狀系數可供選擇。這是因為同種平面尺寸支座一般會采用幾種不同的中間單層橡膠片厚度t1來生產,實際上這是不同型號的支座,其加勁鋼板的層數往往會相差1~3層。S值小則t1相對較厚,其允許轉角正切值相應較大,比較適合大跨徑橋梁或梁端撓曲變形較大的情形,設計時可根據實際情況選用。
還有,新橋規規定支座形狀系數應在5≤S≤12范圍內取用,這就使得一些按老的《公路橋涵板式橡膠支座》規范制造的橡膠支座S值可能會超出這一范圍。選用時應注意核實,避免選用到不合要求的支座型號,造成日后變更設計。及時更新手頭的橡膠支座參考資料能有效避免上述情形發生。
5.四氟滑板支座尺寸及厚度計算
橋規中僅對四氟滑板支座的摩擦力提出了要求,并未直接說明該如何確定四氟滑板支座的平面尺寸和橡膠層厚度。很多時候,設計人員會將四氟滑板支座的平面尺寸和厚度取得與相鄰墩的普通板式橡膠支座等厚或干脆偏大取值,這都是不嚴謹的做法。實際上,通過逐一分析普通板式橡膠支座的計算公式,就能發現除摩擦力要求外,四氟滑板支座還需要驗算以下項目:
①支座有效承壓面積計算公式
該式可用于確定滑板支座的橡膠層總厚度te。
除此以外,“從滿足剪切變形考慮,應符合的條件”不符合四氟滑板支座的變形原理,故無需驗算?!皬谋WC受壓穩定考慮,應符合的條件”和“加勁鋼板厚度要求”也無需驗算,因為所有合格出廠的橡膠支座都能滿足這兩個條件(當然板式橡膠支座也無需驗算這兩條)。
6.橡膠支座承載力取值
選用板式橡膠支座時,支座的最大承載力應與橋梁支點反力相吻合,其容許偏差范圍宜為±10%左右。所選支座承載力太小固然不行,但承載力過大也不可取。支座承載力越大,其平面面積也越大,相應的剪切變形強度也越大。就是說,同一座橋梁,采用的橡膠支座越大,上部結構變形對下部結構產生的水平力也越大,這對下部結構是不利的。當橡膠支座足夠大時,支座與梁體間或支座與墊石間還會出現滑移現象,導致抗滑穩定性破壞。
支座承載力非但不宜取大,還應略小為好,即應控制在計算需要的承載力的-10%的范圍內。原因有三:①廠家給出的支座承壓力有富余;②設計荷載出現的機率總是很小,大量時間支座的承壓力大有富余;③實際中幾乎沒有被“壓壞”的橡膠支座。
對于順梁底縱坡直接傾斜安裝的支座,為滿足橋規相關驗算要求,支座壓應力在限值范圍內宜取高,同樣平面承壓面積下短邊宜取小,支座厚度在限值范圍內宜取大。橫向傾斜安裝的支座可不考慮其影響。
實例分析:對于前述特大橋的引橋,僅改變其4-6#墩上的支座大小(不考慮其實際中的合理性),該變化對墩臺水平力的影響列表如下:
分析上表計算結果可知,全橋橋墩整體支座大小變化對汽車制動的分配結果影響不大(最大1.2%),但對由溫度變化產生的水平力的影響不可怱視。支座增大或減小,各墩承受的溫度力也隨之增大或減小。按表中所示支座承載力增減幅度,對溫度力的影響幅度約為8.3%。3#墩和7#臺的支座型號沒有變化,故水平力分配值基本不變,僅受全聯變溫臨界點的些許變動影響而稍有變化。
所以,合理確定支座承載力取值,不圖省事憑經驗保守取值,不僅能節約支座購置費用,還能減小墩臺水平力,節約下部結構建設成本,經濟效益和社會效益較為可觀。
7.對于橋面連續的簡支結構體系,也應和整體結構連續的橋梁一樣,按全聯進行結構變形量的計算及分配。不可認為其屬簡支結構體系而按單跨計算變形量,這將造成計算結構變形量與實際嚴重不符。