从设计角度谈板式橡胶支座损坏原因的分析

文 / 陈庆华

引言

板式橡胶支座从上世纪九十年代，在新建的高速公路和地方公路桥梁上开始大规模地使用，具有安装方便、成本低等特点。随着板式橡胶支座在施工中优势的展现，目前它已经完全替代传统刚性制作，在公路桥梁施工中得到广泛应用。但是同时，它也存在一定的不足，需要做好早期劣化处理，避免在使用中由于早期劣化造成质量问题。

板式橡胶支座造成早期劣化主要是由于安装以及产品自身质量等方面的原因，与设计不合理也具有直接的关系，因此需要在其设计阶段即予以重视。

一、板式橡胶支座的形状系数的大小与设计应力的取值

（一）国内板式橡胶支座设计应力的取值

板式橡胶支座形状系数S与支座内部的钢板尺寸和胶层厚度有关，或者说钢板尺寸和胶层厚度决定了形状系数，而系数又影响制作的抗压弹性模量、极限变形力以及承载力等多个方面，因此在设计支座的过程中必须要参考这些几何参数。

规范中明确的σ（使用阶段平均压应力）即为容许应力，因为在规范JT/T4和设计规范中都是以此来计算的。

板式橡胶支座各项参数的计算，需要以交通运输部门颁布的相应标准为基础，以常规的极限状态和使用情况进行计算。这种计算方式在国际上也具有通用性，美国、日本等国家也针对公路桥梁支座的抗压承载力、平均压力等方面的参数计算颁布了相应的规范文件。

由此可见，我国在公路桥梁板式橡胶支座设计中，取值是科学的，一般的取值为：设计应力取值10MPa，当支座形状系数小于7时，设计应力8MPa。

19规范中明确板式橡胶支座的英语定义为Laminated Bear，“Laminated”的英语诠释为层压、粘压的意思，可以理解为一种经过特殊加工工艺制成的复合材料。在美国规范AASHTO中是直接将其命名为“Elastomeric bearing”，即“弹性支座”。故可以建立在弹性理论基础上对其进行容许应力的分析，材料的容许（设计）应力的确定应由材料的特性强度、受力特征、环境情况、加工工艺的质量、加工精度等来确定。但目前我们国家还缺少这样的设计和试验支撑，故对其设计应力的取值应谨慎对待。

（二）板式橡胶支座形状系数与弹性模量关系

19规范中对于支座抗压弹性模量的计算：E=5.4GS，其中E表示的为抗压弹性模量，G表示的为支座剪切弹性模量。

通过上式计算可知，支座抗压弹性模与形状系数的平方成线性关系，形状系数对支座的抗压弹性模量以及极限抗压变形系数等具有直接的影响作用，形状系数的增大会带动承载能力的提升。

由此可以看出在对压缩变形一定时，形状系数越大压缩应力也越大。

因此板式橡胶支座形状系数S不仅是支座的几何参数，也直接影响支座的承载能力。

二、桥梁设计时板式橡胶支座选型与布置

（一）板式橡胶支座选型不当及有效承压面积不足引起的病害

桥梁施工图设计中，支座的设计内容并不多，主要是对支座长、宽、高等规格做出简单的要求，不涉及支座性状系数、转角大小以及胶层厚度等方面的问题。

选用后要经设计复核和验算环节，根据实际荷载设计或选择板式橡胶支座，确保有一定的强度储备，以防止出现桥梁支座因不符合使用功能要求而损坏。

在确定了支座的设计(容许）应力（σ）后（从19规范中查），并得知相应处的支座反力（R）的情况下，就可以计算出支座的有效承压面积（A）；有效承压面积确定了以后，需根据上部结构的梁型确定支座的形状，即为矩形或圆形，如上部结构为T梁或工字梁，相应的支座宜选用矩形支座，而不宜选用圆形。如用圆形会有梁端外露，实际有效承压面积应于计算的有效承压面积。

在有效承压面积的计算中需要根据公路桥梁钢筋混凝土设计规范要求进行确定：

Ae≥R/σ

其中公式A≥ R/σ，应明确大于1的安全系数，才能确保在通车后支座有一定的强度储备。

（二）板式橡胶支座布置不当引起的病害

从目前发生的桥梁支座病害来看，有部分支座是由于在设计时对于各种支座本身的功能认识不足，出现了在设计时就有误的情况，不仅仅是承载力不足的问题，主要是支座的布置有问题，支座按其使用功能有固定、双向和单向活动支座之分，有的桥梁设计图纸中，双向和单向活动支座布置不当，导致梁体或支座发生偏移甚至滑落，或剪切变形过大使支座损坏。

由于桥梁混凝土本身的收缩和徐变与外界因素有关，不能准确地计算出位移量，通常情况下由温度差而引起的桥梁上部结构和支座发生的位移是主要的位移量，特别是对于板式橡胶支座，其滑板支座的位移量最大控制在正负5cm左右，对于跨径较小的曲线桥已能包含了混凝土收缩和徐变的影响。在曲线桥梁的设计中主要以切向布置和极坐标放射形布置的方式进行布置。

1.支座按极坐标放射形布置方式，其中有板式橡胶支座，也即固定橡胶支座，还有滑板橡胶支座，可以沿各个方向位移和转动，也就是多（双）向活动支座，没有约束，部分支座是沿极坐标方向的活动支座，但还要能传递水平力，在力的传递中必须要结合桥梁墩台的刚性进行设计。如果设计是柔性墩，在墩柱的位移确定中则需要采用极坐标的横向位移进行计算，同时支座的结构设计中要有满足水平力的要求，如果是刚性的桥墩就不能采用此设计，如桥台处是刚性的，则不适合于横向的位移坐标。

2.采用切向布置的支座方式，从设计原则分析在计算中必须要综合考量各种影响因素，支座的设计也可以采取切向布置的方式。在这种方式下的结构支承，在温度和收缩作用之下，包括其它力（自重、汽车制动力、风力）作用下，支座位移趋向于极坐标方向，沿切线方向导向，并要承受水平力，剪切变形比较大。如果布置不当，桥梁上部结构就会和支座发生横向位移，有滑落的危险。

支座的三大功能:承载、位移和转动，承载不仅考虑竖向荷载还要考虑水平荷载，支座要在发生位移的同时，能够向不同方向进行转动，因此在支座的设计中必须要对梁体以及位移的约束等方面的问题进行综合考量，可以采用以上两种支座布置体系。

（三）板式橡胶支座在不同环境条件下选型不当引起的病害

根据行业规范，从胶料使用的种类来看，板式橡胶支座分氯丁橡胶，代号CR，是英文Chloroprene Rubber的缩写，其天然橡胶，代号NR是英文Natural Rubber的缩写。

1.两种橡胶支座的性能比较

天然橡胶的构成物质为聚异戊二烯，是一种非极性物质结构，具有可溶于油脂和非极性溶剂的特点。它是一种橡胶树的副产物，具有较大的伸长率，电绝缘性也比较强，制作过程中易于加工，和钢板粘结性好，在多数合成橡胶综合性能方面低于天然胶。缺点是易老化，抗氧气臭氧能力差。

由于其溶于油脂和非极性溶剂，因此耐油性不强，容易老化，易被臭氧分解，但是具有较强的耐低温性，适合于其桥梁支座用。其主要产地在马来西亚、越南、我国云南等地。

氯丁橡胶虽然属于橡胶类，但是却是一种合成橡胶，是一种氯丁二烯通过乳化后形成聚合物质。 国产氯丁胶优点：性价比高，缺点：稳定性差，操作困难，对温度敏感性比较大，冬天混炼胶低温变硬特别明显，夏天温度高时容易变形。

进口氯丁胶：性能稳定，操作容易，价格高。同时由于氯离子的存在，能够抵抗油脂、溶剂、酸碱等方面的腐蚀，并具有较强的耐臭氧性；主要缺点是因为而其链式的分子结构影响分子间的热运动，分子间的间隙在低温时易产生结晶。

因此耐老化、耐热、耐油、耐臭氧是氯丁橡胶支座的优点，然而其对温度特别是低温敏感，容易在低温时产生结晶现象，造成抗压弹模大幅度的提升。不耐寒是其弱点之一。

2.两种橡胶支座的选择

一般来说我国的北方地区选用天然橡胶支座偏多，南方地区选用氯丁橡胶支座偏多，环境影响老化快、油光污染重时、选用氯丁橡胶支座。但受橡胶工业及化工业整体的影响，我们氯丁橡胶的部门指标包括工作性能、加工性能等还不完善，所以在设计时要综合考虑。

三、结语

通过对有关支座规范和桥梁设计图纸的分析，目前支座的设计应力取值偏高，支座选型后强度储备的验算没有明确，对支座的布置有不当的现象，不同的温度和自然环境下选用的支座种类不当，导致了支座有早期损坏甚至脱落的现象，须重视并解决之。