摘要：桥梁支座主要功能是传递上部结构的力给下部结构，并提供上部结构所需变形，是桥梁的关键部件。实施是否得当对桥梁承载能力和使用寿命影响很大。本文对板式支座的设计及更换进行论述，从提高效果、减少难度、节省造价等方面提出了一些简便易行的措施，为支座设计及施工提供部分基础资料。
关键词：下部结构  板式支座  变形  承载能力  支座位移


1、引言

近年来，我国桥梁建设取得举世公认的成绩，然而随着国民经济的迅速增长和交通事业的发展，大量正在使用的桥梁随着使用年限的增长，甚至个别刚投入运营的桥跨结构危害问题已日益突出，桥梁加固任务十分繁重。
桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件，可谓一座桥梁的咽喉所在，关系重大，一旦出现病害，将影响到上下部结构的使用寿命和交通安全。
2、支座设计
2.1支座抗压计算
支座尺寸需满足本身抗压及接触面局部抗压强度：Αe=Rck/σc；γ0Fld=1.3ηsfcdA1n。局部抗压不足时，多用钢筋网或钢板加强。支座本身形状系数需满足5≤S≤12，S按规范8.4.1条计算。
2.2支座剪移计算
桥梁上部结构的纵向水平位移主要通过支座橡胶片剪切变形完成，算出在各种因素影响下，该支座在全联所处位置的水平总位移，并由此推出该支座橡胶片及支座厚度：
te≥Δl总/[tanα]；
另需满足稳定要求：
0.1la(0.1D)≤Σte≤0.2la(0.2D)。
（1）温度位移：
Δlt=±α×Δt×L
混凝土膨胀系数：α=1.0×10-5；
Δt：为安装气温与最高或与最低气温之差；
L：支座距全联位移变形零点距离。
（2）干缩位移《桥规》6.2.7条：
Δls=-εcs(tu,t0)×L
ε：收缩应变系数终极值
（3）徐变位移：
Δls=-Py×φ(tu,t0) ×σh×L/(Ah×Eh)
Py：为梁体截面平均预应力值；
Ah：为梁体截面积；
Eh：为混凝土弹模；
φ：为徐变系数终极值，一般按存梁2～3个月考虑。
（4）温差影响与挠度位移：梁体上、下温度差使梁端转动及由于挠度产生的梁端位移一般较小，可略计。
（5）纵坡位移：
Δli=(i×N总-μf×N) ×Ki/(Gi×Ai×ΣKi)
N总：全联总竖向力；
uf：滑动支座摩阻系数；
N：所有滑动支座支反力；
Δli、Ki、Gi、Ai分别为相应墩台位移、组合抗推刚度、支座剪切模量、支座面积。当纵坡对称，或缓坡，或中间设固定墩时，可不计。
（6）制动位移：
ΔlT=(T-Σ-μf×N)×Ki/(Gi×Ai×ΣKi)
ΔlT：制动力位移；
T：全联汽车制动力。
因制动力作用下支座剪切变形系数增加0.2，该项位移验算一般都能满足要求，可略算。
（7）地震影响：按《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）验算，内容较多，本文不作详细论述。
2.3支座偏转验算
为确保支座偏转时不发生脱空而出现偏压现象，竖向平均压缩变形：
δc,m=Rckte/AeEe+Rckte/AeEb，
需满足：
θ×la/2≤δc,m≤0.07te；支座弹模Ee=(5.4GeS2)MPa。
2.4支座安装坡度设计
为减轻桥面重量及增加桥面使用效果，采用等厚桥面铺装，桥面纵、横坡均通过下部构造调整，对应支座安装有水平放置和顺坡斜置两种情况，两种情况均需设置支座垫石，垫石一般较高，为支座检查、更换留有空间。
（1）第一种水平放置情况，支座的上、下接触面通过支座垫石调平，消除上部下滑力对支座的剪切影响。
（2）第二种顺坡斜置情况，《桥规》8.4.2条规定可知：板式橡胶支座在桥梁纵坡小于或等于1%时，横坡坡度i≤2％时，板式支座可以斜置；否则应在支座表面与梁底之间采取措施，使支座平面仍保持水平；行业标准《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T4-93）规定：“滑动支座须水平放置，采用垫坡或钢板调平；板式橡胶支座要求尽可能水平放置，当i≤2％时，支座可以斜置。”由于大梁端底垫坡及墩台顶设垫石调坡很麻烦，支座斜置，允许支座有不大的初始剪切变形，可减少很多施工麻烦。当桥面纵、横坡对称时，除安装大梁时产生很小的初始剪切变形，连续以后下滑力相互平衡，已不再增加支座剪切变形，或当坡度不大，支座斜置是非常可行的。
（3）也有根据结构需要与桥面一起进行坡度调整的，桥面2%横坡是通过桥面铺装层及垫坡各调整1%来处理的，主要是T梁太高，怕2%横坡均由垫坡调整，造成大梁倾斜失稳。
3、支座更换
板式支座使用寿命至少50年，目前板式支座使用寿命一般也就20～30年，小于结构寿命，实际上更换率还要高，有的尚未通车就更换，有的通车1年多就更换，因此支座更换应该给于足够的重视。《通规》3.5.8条提到：“墩台构造应满足更换支座的要求，必须留有检查和更换支座构造措施。”但垫石设置高度及如何更换均无叙及，橡胶支座可采取以下措施进行更换：
（1）如桥下墩台不高，搭设支架方便，可在桥墩边搭设临时顶高桥面用支架，在板梁底设置千斤顶顶高桥面，如墩台较高不便搭设支架，也可在桥面上架设钢短横梁和吊杆，在桥上用千斤顶顶起桥面。详见徐启友《桥梁修理及技术改造》中的支座修理。该法造价较高，目前一般不用。
（2）梁下用千斤顶顶起更换，目前使用的微型千斤顶高度有50t采用5cm高；100t采用7cm高或9cm高，国外还有3cm高；200t采用10cm高。故建议设计时支座+垫石高不小于10cm为宜。当梁下墩台间空隙过小时，可在墩台上设锚筋焊接钢板作为支承。所有千斤顶总承载能力须一般取两倍梁体荷载重，简支桥面连续墩台支座或连续梁，联内支座往往需要同时顶起，用PLC系统较好。
（3）由太原铁路研究所研制的CQ钢丝网气囊千斤顶，厚度只有3cm，充气加压后可抬高20～50cm，原用在抢险救人中；也可承担支座更换工程。CQ钢丝网气囊千斤顶具有适应性强、起重速度快、不需配套动力、功能多、系列全等优点。可以解决原先没设支座垫石或设置高度很小的板式支座更换。
（4）F4支座的使用年限取决于不锈钢板的使用期，1.5mm不锈钢板的在正常使用状态下磨损期为50年，实际多采用2～3mm厚不锈钢板。实际调查显示，F4支座和一般板式支座更换频率相当。F4支座易出现的主要问题是：硅脂油不涂，影响滑动效果，另外由于伸缩缝内嵌石或漏水、漏沙等，影响F4寿命和使用功能。滑动支座比较重要，一旦滑动功能失灵，会导致计算模式改变，加速桥梁破坏，另外F4支座施工与更换也比普通板橡胶支座更为麻烦，所以较小的剪切变形应尽量通过橡胶支座的厚度调整，尽可能少用滑动支座。
（5）保证支座正常使用途径探讨：解决支座老化的途径可从以下三方面考虑：第一，提高支座的使用年限，使其大于结构使用年限，支座无需更换，目前支座材料还难以达到；第二，预防为主，实际中更换支座多因产品质量问题、违章施工安装、位移设计错误等人为因素造成，故应从支座设计、产品生产、施工及养护方面严格控制，加强管理，使支座在使用期内尽量免于更换；第三，加强检查，及时更换支座，但此举难度较大。盆式支座更换的难度更大，将花费大量人力、物力，也无太多成熟经验，且随着大跨径桥梁的日益增多，盆式支座的广泛采用，支座更换更影响较大。应加强支座橡胶的抗老化性能、增加支座外层保护、加强支座日常养护，使支座使用寿命等同于或大于桥梁使用寿命才是解决问题的更好办法，这也是桥梁设计师对材料科研部门、厂家及养护部门的共同期盼。
4、选用及安装事项
（1）支座尺寸够用即可，过大对桥梁下部产生的水平推力也大，当前采用支座多偏大。
（2）顺、横向支座尺寸哪边大，以满足受力及构造要求为准，无严格规定。
（3）安装滑动支座时，特别需要强调的是：一定要涂硅脂油并设防尘设施。
（4）支座的其他性能指标及检测、安装等要求详见规范及行业标准。
（5）前几年在圆板支座顶部加设4～10mm球冠，认为可以较好地改善支座的偏压现象，当时具有较大纵横坡的弯、斜、坡桥采用较多，经调查发现，这样的支座反而损坏更多，故新规范《通规》（JTGD60-2004）第3.5.8条有规定：“弯、坡、斜、宽桥梁宜选用圆板式橡胶支座。公路桥涵不宜使用带球冠的板式橡胶支座或坡形的板式橡胶支座。”
5、工程算例
现以某桥为例说明支座设计，该桥总长222m＝6×16+30+6×16(m)，中间通航孔为30m预应力T梁，两边各6跨16m预应力空心板梁，双幅总宽24.5m，新、老幅各宽11.5m，单向1.5%横坡，其中6#、7#墩为30m与16m跨共用墩。该桥已通车9年，效果很好。
上部构造、支座、锚栓、连续、伸缩缝及下部构造相互关联，先确定一联长度及一联变形零点，计算出各墩对应上部水平位移，并由此计算出支座厚度，一联可按（制动力+支座剪切变形反力＞支座摩阻力）及变形量设滑动支座；以一联缝处变形总量设置伸缩缝。本例只计算部分内容。
5.1支座抗压计算
16m板单支座恒载97kN，最大活载77kN，总计为174kN，初拟支座平面尺寸16×16cm:
S=loalob/2tes(loa+lob)=15.5×15.5/(2×0.5×(15.5+15.5))=7.75(5≤S≤12)，
σ=N/(a×b)=174/(0.155×0.155)＝7242kPa＜[σ]=10000kPa；
30m梁单支座恒载454kN，最大活载346kN，总计为800kN，初拟支座平面尺寸30×35cm，计算同上S=7.95，σ=7860kPa＜[σ]=10000kPa。
由以上计算可知：支座抗压满足要求；另支座局部抗压也满足要求，计算过程略。
5.2水平位移计算
全桥作一联处理，纵坡对称、平缓，对位移影响很小，不计；制动、挠度、温差等对位移影响很小，均略去不计；仅计由温度、干缩、徐变三项引起的梁体位移。梁体安装、桥面连续、伸缩缝安装温度均按15℃计，正、负气温差均按25℃计。由对称可知，30m跨中为变形零点，各墩位移影响长度分别为：L6、7=15m；L5、8=31m；L4、9=47m；L3、10=63m；L2、11=79m；L1、12=95m；L0、13=111m。
(1) 度位移：
Δlt=±α×Δt×l
6#、7#墩：
Δlt=±10-5×25×15000=±3.75mm;每增加一跨16m：Δlt=±10-5×25×16000=±4mm。
(2) 干缩位移：
Δls=-ε×l；ε对30mT梁取0.18×10-3，对16m先张法预应板梁取0.16×10-3。
6#、7#墩：
Δls=-0.18×10-3×15000= -2.7mm；每增加一跨16m：Δls=-0.16×10-3×16000=-2.56mm。
(3) 徐变位移：
Δlx=－Py×φ×L/(Ah×Eh)
30mT梁截面平均荷载：Py =3711kN；
面积：Ah=0.80m2；
C50混凝土弹模：Eh=3.45×104MPa；
系数：φ=1.4。
6#、7#墩：
Δlx=-3711×10-3×1.21×0.5×15000/(0.8×3.45×104)=-1.22mm；
16m板梁截面平均受荷：Py =1322kN,
面积：Ah=0.64m2，
C40混凝土弹模：Eh=3.25×104MPa，
系数：φ=1.26，
一跨16m徐变：
Δlx=-1321.7×10-3×1.26×0.5×16000/(0.64×3.25×104)=-0.64mm。
在上面计算中，用的是平均预压应力，实际上由于恒载作用，梁内的平均压应力要减少，故在计算中考虑0.5折减系数，若考虑活载作用，梁内平均压应力还要小，从支座最不利角度来看，活载引起的压应力没有再考虑。
(4) 支座型式选用:
各墩上选用的支座厚度，可提供剪切位移均大于相应墩顶支座位移大值。
6、7#墩选用28mm厚支座，20×0.5=10mm＞7.64mm；
5、8#墩选用42mm厚支座，30×0.5=15mm＞14.24mm；
4#、9#墩选用63mm厚支座，45×0.5=22.5mm＞21.44mm；
余采用44mm厚滑动支座，以满足较大的水平位移。
(5) 支座安装坡度设计:
纵坡对称、平缓，下滑作用不计；对1.5%单向横坡，16m梁单支座的恒载横向下滑力为97×0.015=1.5kN，支座剪切角正切值为P/GA=1.5/1.1×103×0.15×0.15=0.06，远小于支座容许的剪切角正切值0.5，支座可斜置，30mT梁计算结果同上。该桥考虑滑动支座较多，最后所有支座均设垫石，并水平放置。
(6) 锚栓设计:
滑动支座还是要设的，为防止地震时板梁从墩台震落，所有墩台均设活动抗震锚栓，锚栓方形套管纵向长为10cm，以满足上部变形需要。
(7) 伸缩缝设计:
台缝变形量只需计算与台相邻联在该缝处的伸缩量，墩缝变形量需计算两联在该缝处的伸缩量。0#、13#台上部变形最大，膨胀量27.75mm，收缩量为43.34mm，伸缩量合计27.75+50.24=78mm,选用单联缝SSF80型异型钢伸缩缝即可满足变形要求，在15℃设置时，缝宽预留3cm即可。
6、计算施工温度取值探讨
（1）设计温差取值探讨
在算例中，地区最低温度按-10℃计，最高温度按40℃计，各构件安装温度均按地区最低、最高的中间温度15℃计，故正、负气温差均为25℃计。也有部分学者认为：施工是连续的，温度是变化的，各构件安装温度有可能在最低或最高温度时进行，气温差应按50℃最不利考虑，温度变形值应增大一倍设计，由此，支座加大、缝加宽、连续长度减短。以上看法从理论可行，但实际工程多不用。正、负气温差按50℃取极值的算法太保守，主要基于以下几点：当温度过低，一般也不施工；当温度过高时，梁体顶、低面存在较大温差，顶面相对膨胀、底面相对收缩，梁底支座、缝宽受高温影响也就小的多，而且大梁也可以在安装前用冷水浇洒进行降温处理；再者，简支连续不是结构连续，连续处容许拉裂及转动，可完成部分变形，使一联的纵向累计变形减少很多，这也是为什么本人实测的支座、伸缩缝实际变形量小于计算值的主要原因了，如上述案例冬夏缝宽变化值只有2cm多，故正、负气温差取25℃是可以的，若考虑安装温度悬殊太大，设计时可作特殊处理。
（2）施工温度取值探讨
设计中一般给出安装温度，当各构件实际安装温度与指定安装温度不一时，要求调整伸缩缝宽度及支座剪切变形。缝宽可以根据气温调整，而支座剪切变形根据温度调整是不现实的，太难，施工单位也不做，从对设计温差取值的分析可知，安装温度变化对支座实际影响不会太大；且上部结构变形实际是由支座剪切变形及墩身变形共同完成的，在支座厚度设计时尚未虑及墩身变形给予的富余，故支座剪切变形一般无需随气温调整。尽管有以上诸多有利因素，为减少气温及徐变、干缩对支座剪切变形及缝宽的影响，施工时，各构件安装温度应尽量比地区中间温度稍低5～10℃进行，每次安装气温应接近，使支座的正常剪切变形及伸缩缝的伸缩值正、负变化基本相同,这样，支座剪切变形最小，缝宽最小，支座受水平力也小。
7、总结
设计者一定要根据具体工程及各种因素选用支座型式，按适用、经济、美观、简单的原则进行支座设计，以利施工、养护，由于支座各部分计算相互关联、繁杂，设计者可用程序辅助设计，并注意经验积累，对正在施工或已建成的桥梁不断观察、总结，提出问题，研究问题，克服不足，以提高支座设计质量及使用效果；由于设计者直接选用定型产品，产品质量即为设计质量，科研部门、厂家应加大易设计、易实施、易养护支座的研究，确保产品安全可靠，经久耐用；国家标委会应及时汇集最新成果，在规范中予以明确，以便统一实施；同时建议管理养护单位定期观察，及时养护，消除隐患，以延长支座使用寿命。