预应力混凝土简支小箱梁支座选型设置研究
【摘要】文章在阐述预应力混凝土简支小箱梁支座病害的基础上，通过建立简支箱梁结构的有限元模型对其支座受力、支座设置对端横梁结构受力的影响、支座的选型及布置等多个方面进行了研究，结果表明：采用端部布设单个矩形板式橡胶支座并适当增大支座的尺寸对桥梁结构的受力相对有利，本文的研究思路和计算分析方法可为类似桥梁结构支座的设置提供参考。
【关键词】简支箱梁；支座；有限元模型；选型设置
1 引言
桥梁支座是连接桥梁上部和下部结构的重要部件，起到将桥梁上部结构的反力和变形（位移和转角）可靠的传递给桥梁下部结构的作用，其质量和性能直接影响桥梁的使用性和耐久性。
然而，由于其在桥梁工程总造价中所占比例较小，往往未引起工程技术和管理人员的重视，在使用过程中极易成为桥梁结构的薄弱环节，产生病害的机率较高。
高速公路桥梁目前采用的支座主要类型主要包括板式橡胶支座和盆式橡胶支座两种。
就板式橡胶支座而言，支座早期剪切变形、局部脱空、橡胶层老化开裂病害等病害较为普遍。
就盆式橡胶支座而言，其早期病害主要为：支座涂层起皮、脱落，临时连接件未拆除，钢垫板局部脱空，密封圈开裂，锚固螺栓锈蚀、松动，限位装置损坏、缺失等。
这些支座病害的产生给桥梁结构营运的安全性和耐久性造成了严重的影响。
为了进一步改善预应力混凝土简支小箱梁支座的受力，减少支座在后期营运中常见病害的出现，文章对预应力混凝土小箱梁支座的受力、端横梁的结构受力、支座的形式和布置等多个方面进行研究，最终确定了预应力混凝土小箱梁支座最佳设置形式，本文的研究思路和计算分析方法可为类似工程条件下桥梁结构支座设置提供参考。
2 简支小箱梁支座的受力情况分析
简支小箱梁支座主要是将上部结构的支承反力（包括结构自重和可变作用引起的竖向反力和水平力）传递到桥梁墩台，同时保证结构在汽车荷载、温度变化、混凝土收缩和徐变等因素作用下能自由变形。
支座受力是否合理对于支座直接关系到支座的安全和使用寿命。
文章以跨径25m的预应力混凝土简支小箱梁支座为研究对象，对两端采用GYZ400×84m板式橡胶支座简支箱梁的受力情况进行分析，以确定橡胶支座是否满足桥梁结构受力的要求，简支小箱梁横断面如图1所示。
图1 25m跨度小箱梁横断面图
采用桥梁有限元计算软件进行支座仿真计算，分析结构在恒、活载作用下支座反力和位移，据此对设计单位选用支座的受力及变形是否满足规范要求作出评判，计算模型如图2所示。
图2 25m跨度小箱梁Midas计算模型图
25m简支小箱梁荷载作用下支座反力计算结果及梁体变形结果分别如图3和图4所示。
《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》（JT/T 663-2006）规定，跨径不大于25m小箱梁采用GYZ400×84mm橡胶支座，最大承压力=1195kN，允许转角正切值为0.0079rad（温热地区），从支座反力计算结果可以看出，25m跨度简支小箱梁的最大支座反力为1366kN，超过支座最大承压力14.3%，按上述最大反力计算支座的平均压应力为11.43MPa，大于规范要求的支座使用阶段的平均压应力限值σc=10.00MPa，需再适当增大支座尺寸。
支座处梁体最大转角为0.004rad，小于允许转角，支座变形满足要求。
图3 25m简支小箱梁支座反力计算结果图
图4 25m简支小箱梁梁体变形图
3 支座设置对端横梁受力的影响分析
对支座设置后对端横梁受力的影响分析采用大型有限元分析软件ANSYS进行，将桥跨结构按实际尺寸建立空间实体模型，见图5-6，分析结构在恒、活载作用下端横梁受力，据此对端横梁的受力是否满足规范要求作出评判。
通过最不利布载后关键截面应力计算结果如图6所示。
从端横梁计算截面横向应力计算结果可以看出，在最不利加载的情况下，端横梁与小箱梁相交截面最大横向应力为3.18MPa，最大应力位置为端横梁与小箱梁相交的角点处，且应力超过抗拉强度设计值的范围均较小，应与上述位置的应力集中现象有关，上述位置的实际应力应小于计算应力值。
此外，从端横梁的应力分布来看，横向应力分布较为均匀，无明显的应力突变情况，综合上述分析可以看出，所采用每片梁单端设置一个φ400×84mm支座的设置方式对端横梁受力影响不大，小箱梁采用单支座方案是可行的。
图5 25m标准跨度小箱梁实体模型图
图6 25m标准跨度小箱梁计算模型边界条件图
图7 端横梁横向应力计算结果（单位：Pa）
4 支座选型分析
支座选型一般根据上部结构传递的反力和变形确定支座规格，但在满足支座受力和变形的要求后，可以通过优化选型改善其它结构（如端横梁）的受力。
支座选型时支座的最小尺寸通常由支座反力决定，若上部结构传递给支座反力为，则支座的有效承压面积根据下面公式确定：，式中为支座使用阶段的平均压应力限制，一般取。
根据上式确定的支座有效承压面积即可进行支座选型，在满足变形要求的情况下即可确定支座型号。
支座选型时支座的最大尺寸由支座的抗滑移最小承压力决定，支座抗滑移最小承压力一般约为最大承压力的25%。
支座设计时若型号偏大则支座的正压应力偏小，支座在正常使用过程中将出现滑移。
此外，支座尺寸增大后支座产品的成本将增加。
因此，一般来说支座尺寸都是根据受力和变形要求并考虑一定的富余量后确定。
文章在对25m小箱梁单支座受力分析的基础上，进一步对不同规格支座进行计算，比较分析支座规格对端横梁受力的影响，为支座的选型设置提供依据。
本文计算选取的支座规格如下表所示：
表1 支座方案对比
规格
编号支座规格/mm 最大
承压力/kN
抗滑最小承压力/kN
容许转角
正切值/rad
规格1 φ400×841195 293 0.0079
规格2 400×400×84 1521 373 0.0079
规格3 600×300×84 1711 420 0.0105
规格4 700×500×90 3381 817 0.0061
采用不同支座规格时计算截面横向应力影响线如图8所示。
从矩形支座（400×400×84mm支座与圆形支座（φ400×84mm）的对比来看，各关键截面拉应力影响范围影响线峰值圆形支座较矩形支座大，对端横梁横向受力而言，采用矩形支座较圆形支座更为有利。
从支座尺寸的对比来看，计算截面拉应力影响范
围影响线峰值小尺寸支座较大尺寸支座大，即对端横梁受力而言，φ400×84mm 圆形支座受力最不利，700×500×90mm矩形支座受力最小，且两者影响线最大值差别较大（68%）。
这是由于端横梁可以视作支撑在弹性支承上的连续梁，支座尺寸越大，端横梁计算跨径越小，其相应的影响线峰值将偏低。
因此，适当增大支座尺寸有利于改善端横梁受力。
图8 关键截面横向应力影响线
5 支座布置方案比选
鉴于小箱梁四支座布置方案容易引起支座出现脱空或滑脱的病害，本文对25m小箱梁选定三种支座布置方案进行了对比计算，计算时以端横梁关键截面为考察对象，分析不同支座布置方案对端横梁关键截面横向应力的影响，支座布置方案1：每片梁端部采用一个φ400×84mm支座；
方案2：为边梁及中梁单端采用一个φ400×84mm支座，次边梁单端采用两个φ300×74mm支座，双支座横向间距为50cm；
方案3：边梁及中梁单端采用两个φ300×74mm支座，双支座横向间距为50cm，次边梁单端采用一个φ400×84mm支座。
三种支座布置方案分别见图9～图11。
图9 支座布置方案1计算模型图
图10 支座布置方案2计算模型图
图11 支座布置方案3计算模型图
采用不同支座布置方案时计算截面横向应力影响线如图12所示。
从计算结果可以看出：
方案1端横梁关键截面影响线介于支座布置方案2和布置布置方案2之间，即每片梁单端布置一个支座方案较其它两种布置方式对端横梁受力更有利。
图12 关键截面横向应力影响线
6 结论与建议
文章在阐述预应力混凝土小箱梁支座主要病害基础上，结合工程算例，对一座预应力混凝土小箱梁从支座的受力、小箱梁端横梁的结构受力、支座的形式和支座的布置方案等方面进行了研究分析，可得到基本结论如下：
（1）适当增大支座尺寸，能使其最大承压力大于支座正常使用过程中的反力，从而满足规范要求，并且有利于改善端横梁受力。
（2）就结构受力而言，采用矩形支座较圆形支座更为有利。
（3）支座布置对比分析表明，每片梁单端布置一个支座方案较其它两种布置方式对端横梁受力更有利。
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