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1、桥梁支座、墩台与基础,第一节 概述,第二节 桥梁支座的类型和构造,第三节 桥梁支座的设计和计算,第一节 概 述,一、支座的作用和要求,二、支座的分类,三、支座的布置原则,一、支座的作用和要求,支座设置在桥梁的上部结构与墩台之间，它的作用是：,(2)保证结构在活载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作用下能自由变形，以使上、下部结构的实际受力情况符合结构的静力图式。,(1)传递上部结构的支承反力，包括恒载和活载引起的竖向力和水平力；,6.1简支梁的静力图示,二、支座的分类,1.按其变位的可能性,2.按材料分,固定支座 活动支座 固定支座传递竖向力和水平力，允许上部结构在支座处能自由转动但不能水平移
2、动；活动支座则只传递竖向力，允许上部结构在支座处既能自由转动又能水平移动。活动支座又可分为多向活动支座(纵向、横向均可自由移动)和单向活动支座(仅一个方向可自由移动)。,1.按其变位的可能性分:,大致可分为:简易支座钢支座钢筋混凝土支座橡胶支座特种支座(如减震支座、拉力支座等）,2.按材料分,固定支座和活动支座的布置，应以有利于墩台传递纵向水平力为原则：(1)对于桥跨结构，最好使梁的下缘在水平力的作用下受压，从而能抵消一部分竖向荷载在梁下缘产生的拉应力。(2)对于桥墩，应尽可能使水平力的方向指向河岸，以使桥墩顶部在水平力作用下不是受拉。(3)对于桥台，应尽可能使水平力的方向指向桥墩中心，以使桥
3、台顶部受压，并能平衡一部分台后土压力。,三、支座的布置原则,(1)对于有坡桥跨结构，易将固定支座布置在标高低的墩台上(2)对于连续梁桥及桥面连续的简支梁桥，为使全粱的纵向变形分散在梁的两端，宜将固定支座设置在靠近桥跨中心；但若中间支点的桥墩较高或因地基受力等原因，对承受水平力十分不利时，可根据具体情况将固定支座布置在靠边的其它墩台上(3)对于特别宽的梁桥，尚应设置沿纵向和横向均能移动的活动支座。对于弯桥则应考虑活动支座沿弧线方向移动的可能性。对于处在地震地区的梁桥，其支座构造还应考虑桥梁防震的设施，通常应确保由多个桥墩分担水平力。,四、支座的布置注意事项：,桥梁支座的布置方式，主要根据桥梁的结
4、构形式及桥梁的宽度确定。简支梁桥一端设固定支座，另一端设活动支座。铁路桥梁由于桥宽较小，支座横向变位很小，一般只需设置单向活动支座(纵向活动支座)，如图6-1所示(图中箭头所指表示支座活动方向，无箭头者表示不能活动)。公路T形梁桥由于桥面较宽，因而要考虑支座横桥向移动的可能性、支座布置如图6-2所。即在固定墩上设置一个固定支座，相邻的支座设置为横向可动、纵向固定的单向活动支座，而在活动墩上设置一个纵向活动支座(与固定支座相对应)，其余均设置多向活动支座。,图6-1 铁路简支梁桥支座布置 图6-2公路简支梁桥支座布置,连续梁桥每联只设一个固定支座。为避免梁的活动端伸缩缝过大，固定支座宜置于每联的
5、中间支点上。但若该处墩身较高，则应考虑避开，或采取特殊措施，以避免该墩身承受水平力过大。其支座布置如图6-3所示。曲线连续梁桥的支座布置会直接影响到梁的内力分布，同时，支座的布置应使其能充分适应曲梁的纵、横向自由转动和移动的可能性。通常宜采用球面支座，且为多向活动支座，此外，曲线箱梁中间常设单支点支座，仅在一联梁的端部(或桥台上)设置双支座，以承受扭矩。有意将曲梁支点向曲线外侧偏离，可调整曲梁的扭矩分布图6-4为曲线梁支座布的示意图。,当桥梁位于坡道上时，固定支座应设在较低一端 以使梁体在竖向荷载沿坡追方向分力的作用下受压，以便能抵消一部分竖向荷载产生的梁下缘拉力；当桥梁位于平坡上时 固定支座
6、宜设在主要行车方向的前端。桥梁的使用效果 与支座能否准确地发挥其功能有着密切的关系，因此在安放支座时应使上部结构的支座位置与下部结构的支座中线对中，但绝对的对中是很难做到的因此，要注意使可能的偏心在允许的范围内，不致影响支座的正常工作。,正确地确定支座所承受的荷载和活动支座的位移量，关系到支座的使用寿命。一般而言，固定支座除承受竖向压力外，还必须能承受水平力，其中包括可能产生的制动力、风力、活动支座的摩阻力、主梁弹性挠曲对支座的拉力等。这些水平力总是应当偏大地取用，且要求支座伸至上、下部结构中进行锚固或销结。对于弯、斜和宽桥，支座的受力比较复杂，需要认从三个坐标方向去研究、即使是在同一支座位置
7、，不同的部位在受力上可能会有很大的差别。,位移量的计算要考虑各种可能出现的工况。（1）对温差产生的位移 要有足够的估计。（2）桥梁的挠曲、基础的不均匀沉降都会产生纵向位移，对于高桥墩，墩顶位移可通过活动支座上的挡块加以限制，它能使基底反力变化，并且阻止不均匀沉降；（3）由于一些不可估计的因素，通常计算的位移量宜乘以1.3左右的安全系数。梁桥支座的支承面一般是水平的。,图6-3 连 续梁支座布置,图6-4 幻灯片 6 曲线连续梁支座布置,第二节 桥梁支座的类型和构造,一、简易垫层支座,二、钢支座,三、钢筋混凝支座,四、橡胶支座,五、拉力支座,一、简易垫层支座,简易支座是指在梁底和墩台顶面之间设置
8、垫层来支承上部结构。垫层可用油毛毡、石棉板或铅板等做成，利用这些材料比较柔软又具有一定强度的特性来适应梁端比较微小的转动与伸缩变形的要求，并承受支点荷载。固定的一端，加设套在铁管中的锚钉锚固。锚钉预埋在墩台帽内。简易支座仅适于跨度10m以下的公路桥和4m以下的铁路板桥。由于这种支座自由伸缩性差，为避免主梁端部和墩台混凝土拉裂，宜在支座部位的梁端和墩台顶面布设钢筋网加强。,二、钢支座,1.铸钢支座,2.特殊钢支座,钢支座是靠钢部件的滚动、摇动和滑动来完成支座的位移和转动的。特点：承载能力强,能适应桥梁的位移和转动的需要,目前仍广泛应用于铁路桥梁。钢支座常用的有铸钢支座和特种钢支座。,1.铸钢支座
9、,（1）平板支座,（2）弧形支座,（3）摇轴支座,（4）辊轴支座,铸钢支座使用碳素钢或优质钢经过制模、翻砂、铸造、热处理、机械加工和表面处理制成、是一种传统形式的支座。各类支座基本上都由可以相对摆动的 所谓上、下摆组成。摇轴与辊轴支座还包括摇轴(可以看作下摆)、辊轴与底板。,图6-5(a)所示平板支座的上、下摆就是两块平板。固定支座的上、下平板间用钢销固定。活动支座只将上平板销孔改成长圆形。平板支座构造简单、加工容易，但反力不集中，梁端不能自由转动,伸缩时要克服较大的摩阻力，故只适用于小跨度的梁。,（1）平板支座,图6-5(b)所示弧形支座是将平板支座上、下摆的平面接触改为弧面接触，其它完全一
10、样。这样，反力便能集中传递，梁端也能自由转动。但伸缩时仍要克服较大的摩阻力、所以仍只适用于较小跨度的梁。,（2）弧形支座,跨度大于20m左右的梁，固定支座就得改用图6-5(c)或(d)左边的式样，将下摆加高，做成类似钢轨的截面形式，两侧用肋加强。这样，下摆底部可以其有较大的面积，摆身有足够的刚性，可将较大的支承反力均匀分布于墩台顶垫石面上。活动支座应采用图6-5(c)右边所示的摇轴支座，或图6-5(d)右边所示的辊轴支座。摇轴支座由上摆、底板和两者之间的辊子组成。将圆辊多余部分削去成为扇形，就是所谓摇轴。摇轴支座能很理想地满足活动支座的各项要求。如果摇轴的直径可以任意加大它的承载能力从理论上讲
11、是没有限制的。但支承反力愈大，相应要求辊子(摇轴)的直径也愈大,这就使支座高度变得很大。,(3)摇轴支座,为了克服摇轴支座的缺点，跨度更大的梁，可以采用辊轴支座，它相当于将图6-5(c)左边的固定支座放在一些钢辊子上。辊轴支座除了能很好地满足活动支座的各项要求外，由于反力是通过若干辊轴压在底板上的，因此辊子的直径可以随其个数的增多而减小，反力也可分散而均匀地分布到墩台垫石面上。辊轴支座适用于各种大型桥梁。辊轴的个数视承载力大小而定,一般为210个。以上各式铸钢支座能较好地适应不同跨度桥梁的要求。但钢支座构造复杂，用钢量大，大型辊轴支座可高达数米。当弧面半径很大时，若积有污垢，就转动不灵，需要定
12、期养护。目前公路桥梁已较少采用铸钢支座，铁路桥梁也开始使用其它类型支座，如橡胶支座。,（4）辊轴支座,图6-6 铸钢支座类型示意图,采用不锈钢或高级合金钢支座，并封闭在油箱内，以防生锈;对承受接触应力的部分进行表面硬化处理，以提高其容许承载力;将支座的转动部分制成钢制或黄铜制成的球冠形，在钢制球冠的上、下分别设置聚四氟乙烯板，构成球面(型)支座。,(2)特种钢支座,特种钢支座主要采用以下几种形式:,三、钢筋混凝土支座,1.钢筋混凝土摆柱式支座,2.混凝土铰,1.钢筋混凝摆柱式支座,钢筋混凝土摆柱式支座可用于跨径大于或等于20m的公路梁桥，或跨径大于13m的公路悬臂梁桥的挂孔。它的水平位移量较大
13、，承载力为5500kN左右，摩阻系数为0.05。钢筋混凝土摆柱放在梁底与支承垫石之间，它的上下两端各放弧形固定钢支座一座。摆柱由4050号混凝土制成，柱体内一般按含筋率约为0.5%左右配置竖向钢筋，同时要配置水平钢筋网，以承受支座受竖向压力时所产生的横向拉力。,2.混凝土铰,混凝土铰有各种类型。桥梁上常用弗莱西奈铰，它是利用颈缩部分混凝土的双向或三向应力状态而使其承压能力提高，并可沿铰竖向轴线作少量转动。混凝土铰是最简单、也是最便宜的中心可转动的支座，其构造见图6-9。,混凝土铰需要在铰颈上、下设置足以抵抗横向拉应力的钢筋,铰颈高度为铰颈宽度的1/21/3。铰颈部分应做成顺滑的抛物线形，铰颈两
14、旁可用玛缔脂或沥青材料填塞。混凝土铰曾多次在大跨径桥梁中采用，支承反力可达10000kN。它的优点是支座高度小，构造简单，用钢量少;缺点是不能抵抗拉力，不能调整高度，转动量少，不便于更换和修理。,图6-6 克劳茨高级钢支座,橡胶支座与其它金属刚性支座相比，具有构造简单、加工方便、节省钢材、造价低、结构高度小、安装方便等一系列优点。此外，橡胶支座能方便地适应任意方向的变形，故对于宽桥、曲线桥和斜桥具有特别的适应性。橡胶的弹性还能消减上、下部结构所受的动力作用，这对于抗震也十分有利。在桥梁工程中使用的橡胶支座大体上可分为两类，即板式橡胶支座和盆式橡胶支座。,四、橡胶支座,（1）板式橡胶支座,（2）
15、盆式橡胶支座,板式橡胶支座是仅用一块橡胶板做成的适用于中、小跨度桥梁的一种简单橡胶支座。它的活动机理是：利用橡胶的不均匀弹性压缩实现转角，利用其剪切变形实现水平位移，见图6-10(c)。因橡胶与钢或混凝土之间有足够大的摩阻力(摩擦系数0.250.40）橡胶板与梁底和墩台顶之间一般无须连接。在墩台顶部，需铺设一层砂浆，以保证支座放置平稳(图6-10a)。采用橡胶支座可以不设固定支座，所有水平力由各个支座均匀分担，必要时也可采用不等高的橡胶板来调节各支座传递的水平力。,（1）板式橡胶支座,无加劲层的纯橡胶支座、由于其容许压应力甚小，约为3000kPa，故只适合于小跨径桥梁。常用的板式橡胶支座都用几
16、层薄钢板或钢丝网作为加劲层(见图6-10b)。由于橡胶片之间的加劲层能起阻止橡胶片侧向膨胀的作用，从而显著提高了橡胶片的抗压强度和支座的抗压刚度，其抗压容许应力可以达到810MPa，而加劲物对橡胶板的转动变形和剪切变形几乎没有影响。加劲板式橡胶支座的承载能力可达2000-8000kN，目前已广泛用于中小跨度的公路及铁路桥梁。,国内使用的橡胶以氯丁橡胶为主，也可采用天然橡胶。氯丁橡胶的使用温度不低于-25，天然橡胶不低于-40。橡胶的硬度、压缩弹性模量E、剪切弹性模量G、容许压应力容许剪切角的正切tan等，应按桥梁的使用级别按现行铁桥规或公桥规的有关规定取用。根据试验分析，橡胶压缩弹性模量、容许
17、压应力和容许剪切角的值，均与支座的形状系数有关。形状系数S为加劲板式橡胶支座的承压面积与自由表面积之比，即,式中 a顺桥向橡胶支座的长度；b横桥向橡胶支座的长度；h橡胶层的厚度,图6-10 加劲板式橡胶支座,图6-12 盆式橡胶支座的一般构造（尺寸单位：mm）,当活动支座的位移量较大时，要使橡胶板产生相应较大的剪切变形，就必须增加橡胶板的厚度。这样一则多耗材料，再则支座不稳,而且相邻支座厚度可能不一，车辆驶过时会产生高差，行车不顺。为克服这一缺点，可在用作活动支座的橡胶板顶面贴一片聚四氟乙烯板，再在聚四氟乙烯板与梁底之间垫上一块光洁度很高的不锈钢薄板。由于聚四氟乙烯板与 不锈钢板之间的摩阻力极
18、小(摩擦系数小于 橡胶支座0.04）故可利用它们之间的滑动来满足活动座位移的需要(见图6-11)。,形状系数用来表示支座的形状特征。为满足橡胶的容许压应力和使支座能适应转动的要求，支座的长度a与宽度b之比取决于主梁下的有效宽度及所需的剪切角。一般应充分利用有效宽度b，而尽可能减小a的尺寸，以降低阻抗力矩。,图6-11 聚四氟板式橡胶支座 1-上支座板；2-不锈钢板；3-聚四氟乙烯板；4-防护罩；5-A3钢板；6-橡胶,盆式橡胶支座是在板式橡胶支座的基础上进一步改进后更为完善的一种橡胶支座。它与板式橡胶支座的主要区别在于：它不是利用置于橡胶中的加劲物来加强橡胶，而是将素橡胶板置于圆形钢盆内来加强
19、橡胶。橡胶在受压后的变形由于受钢盆的约束，处于三向受压状态，只要钢盆不破坏，橡胶就永远不会丧失承载力。这时橡胶的容许抗压强度可以进一步提高到25MPa。密封在钢盆内的橡胶板，可以做适度不均匀压缩来实现转动，如果再加上聚四氟乙烯板和不锈钢板，则还可以实现水平位移。,（2）盆式橡胶支座,因此，盆式橡胶支座可做成固定支座，也可做成活动支座，活动支座又可为多向活动支座和单向活动支座。常用盆式橡胶支座的构造如图6-12。它是由上支座板不锈钢板、聚四氟乙烯(PTFE)板、圆钢盆、橡胶板、紧箍圈、防水圈和下支座板等组成。,盆式橡胶支座具有很大的承载能力，水平位移量大，摩擦系数小,支座建筑高度低，节省钢材。在
20、同样的载重下,它的体积(高度)和重量不到钢支座的1/10；而且，它在纵向及横向均可转动和移动,在功能上优于钢支座、能满足宽桥对支座横向也要能转动及伸缩的要求。,图6-13 GPZ和TPZ盆式橡胶支座实物照片,盆式橡胶支座构造要点,1.钢盆2.承压橡胶板3.钢衬板4.聚四氟乙烯板5.上支座板6.不锈钢滑板7.钢紧箍圈8.密封胶圈,固定与滑动盆式橡胶支座,多向活动支座（DX）,纵向活动支座（ZX）,固定支座（GD）,5、其它支座,QGZ球型钢支座,QGZ 球型钢支座,三、支座的设计与计算,l.支座受力与变位分析,2.钢支座的设计与计算,3.板式橡胶钢支座的设计与计算,l.支座受力与变位分析,(l)
21、受力分析,(2)位移分析,在进行桥梁支座的设计时，首先必须求得每个支座上所承受的竖向力和水平力以及需适应的位移和转角。然后，根据它们来选定支座的各部尺寸并进行强度、稳定等各项验算。,作用于支座上的竖向力有结构自重的反力、活载的支点反力及其影响力。在计算活载的支点反力时，要按照最不利位置加载，并计入冲击效应。当支座可能会出现上拔力(负反力)时，应分别计算支座的最大竖向力和最大上拔力。例如，当连续梁边跨较小而中跨较大时，或桥跨结构承受较大的横向风力时，支座锚栓会受到负反力作用。,(l)受力分析,作用于支座上的水平力包括纵向水平力和横向水平力。正交直线桥梁的支座，一般仅需计算纵向水平力。对斜桥和弯桥
22、还需要计算离心力或风力所产生的横向水平力；对铁路桥梁，还需要计算由列车横向摇摆力所产生的横向水平力。,支座上的纵向水平力，包括由列车或汽车荷载的制动力(牵引力)、风力、支座摩阻力或温度变化支座变形所引起的水平力以及其它原因如桥梁纵坡产生的水平力。列车或汽车的制动力(牵引力)应分别按照铁桥规与公桥规的要求确定，制动力在各支座上的分配亦应按各自规范计算。位于地震区的桥梁支座的设计计算,应根据设计的地震烈度，按铁路或公路抗震设计规范的规定进行。,支座的水平位移包括纵向位移和横向位移。支座纵向位移有温度伸缩位移、混凝土收缩徐变变位、活载作用下梁体下翼缘伸长、下部结构的位移等;支座横向位移有温度、混凝土
23、收缩徐变变位、下部结构横向位移、斜桥和弯桥荷载引起的横向变位等。支座沿纵向的转角有结构自重和活载产生的的梁端转角、混凝土收缩徐变产生的梁端转角因下部结构变位产生的梁端转角等。把以上各项支座反力和变位的计算结果按桥规的规定进行组合，就可为支座的设计提供了计算数据。,(2)位移分析,下面以弧型支座为例说明钢支座的设计计算算方法。图6-14为弧型支座的计算图式。其设计步骤如下:,2.钢支座的设计与计算,(1)确定平面尺寸a和b,(2)确定垫板高度h,(3)确定圆弧曲面半径r,(4)验算钢销钉抗剪强度确定圆弧曲面半径r,根据梁底和墩台顶面混凝土的局部承压强度要求而定。目前局部承压强度铁桥规用容许应力法
24、计算,公桥规用极限状态法计算。,(1)确定平面尺寸a和b,1.容许应力法计算,支座下部局部承压的混凝土最大正应力,支座的计算反力；,钢筋混凝土与素混凝土局部承压容许应力值；,局部承压面积；,截面全部面积；,中心受压时混凝土的容许应力。,2.极限状态法计算,支座垫块按混凝土局部承压强度计算，即,a、b承压钢板的平面边长，a为顺桥面边长，b为横桥向边长；,混凝土局部承压标准强度的提系数；,局部承压面积；,局部承压时按规范规定采用的计算面积；,混凝土抗极限压强度，（同标准强度）；,混凝土材料安全系数：,支座的计算反力；,荷载在支座上产生的计算反力；,结构的重要性系数;,荷载安全系数；,荷载组合系数；
25、,当,图6-14 弧形支座计算图示,N由桥上全部恒载与活载(包括冲击力)所产生的支承反力;,式中,w铸钢材料的容许弯曲应力。,(2)确定垫板高度h,把垫板作为承受均布荷载的悬臂梁，由梁的最大弯矩按容许应力法确定h。,活动支座要考虑由于温度变化等因素，上垫板有一个允许的最大水平位移小它会引起附加弯矩，因此公式变为：,(3)确定圆弧曲面半径r,根据赫兹接触应力公式确定r,式中,E铸钢的弹性模量；,N/b1上下垫板之间的接触线之间单位长度上的压力；,R铸钢自由接触时的容许局部承压力。,(3)确定圆弧曲面半径r,根据赫兹接触应力公式确定r,式中,E铸钢的弹性模量；,N/b1上下垫板之间的接触线之间单位
26、长度上的压力；,R、r接触面上大小圆的半径；,若引入铸钢接触时的容许局部承压强度,式中,自由接触时钢的径向承压强度；,在此外，当钢板厚度h和顺桥向长度a已经确定是时从几何要求上r应满足：,户型钢板两侧保留的竖直面高度，常取,(4)验算钢销钉抗剪强度确定圆弧曲面半径r,式中,H支座摩阻力或制动力：,A一块齿板或一根销钉的有效剪切面积；,销钉容许剪应力。,2.板式橡胶钢支座的设计与计算,（1）确定平面尺寸a、b,（2）确定厚度h,（3）计算支转角，验算支座不脱空条件,（4）验算支座的抗滑性能,（1）确定平面尺寸a、b,根据支座厚度h与支承垫石混凝土的压应力不超过它们的容许承压应力，确定axb。一般
27、由橡胶支座控制设计,Nmax运营阶段由桥上全部恒载与活载（包括冲击力）所产生的最大支点反力；,橡胶支座的平均容许压应力；,A橡胶支座平面面积，矩形支座为axb；,当形状系数 S8时：,当形状系数5S8时：,（2）确定厚度h,梁式桥的主梁由温度变化等因素在支座处产生的纵向水平位移，依靠全部橡胶片的剪切变形t来实现,与t的关系为：,由,有,tan橡胶片容许剪切角的正切值，按桥规规定取值，根据是否计入活载制动力而取不同值；,式中,荷载、温度变化等所引起的支座顶底相对水平位移。,t确定后，再加上加劲薄钢板的总厚度，即为橡胶支座的厚度h。铁路和公路还分别要求h或t不大于0.2a（支座短边长度），以保证支
28、座的稳定。,（3）计算支转角，验算支座不脱空条件,主梁受荷载挠曲，梁截面将出现转角，以确保支座与梁底可靠接触，不致脱空而导致过大的局部承压。,表面将产生不均匀的压缩变形，一端为 另一端为，其平均压缩变形,根据下式计算,E-橡胶支座的弹性模量。当无试验数据时，可查阅JTJ023-85，其值与支座的形状系数有关，也可按下式计算,式中,支座的最大设计反力弹模；,若已知梁的转角或按材料力学公式计算。,时，则表示支座与梁底有部分脱空，支座是局部承压。,设计时必须保证,公路桥规规定，橡胶支座的竖向压缩变形不应大于支座橡胶总厚的5%。,若梁端转角已知，或按公式算得，则有：,时，表示支座与梁底产生了部分脱空，
29、支座是局部承压。因此设计时必须保证,规定，橡胶支座的最大平均压缩变形 不应大于支座橡胶总厚 的0.05倍。,其中，a为主梁跨径方向的支座尺寸，又因,固,当,（4）验算支座的抗滑性能,无活载作用时：,有活载作用时：,橡胶支座一般直接搁置在墩台与梁底之间，在它受到梁体传来的水平力后，应保证支座不滑动，亦即支座与混凝土之间要有足够大的摩阻力来抵抗水平力，故应满足下式：,活载制动力分在一个支座上的水平力；温度变化等因素分在一个支座上的水平力。,式中,在上部结构重力作用下的支座反力；,与计算制动力相应的汽车活载产生的最小支座反力；,橡胶支座与混凝土表面的摩阻系数采用0.3,与计算制动力相应的汽车活载产生的最小支座反力；橡胶支座与混凝土表面的摩阻系数采用0.3；与钢板的摩阻系数采用0.2；,球冠圆板式橡胶支座,
