新型板式橡胶支座在桥梁中可起到抗横移的作用

板式橡胶支座的优点除了其构造简单、制造容易、成本低廉、安装方便及几乎无需经常性养护等明显经济性以外，另一显著特点是支座具有良好弹性及粘性阻尼特性，因而有吸振和缓冲作用，可减小动载对桥跨结构及墩台的冲击，显著改善桥梁动力学特性。

设汁板式橡胶支座时，首先应使其垂直方向具有足够刚度，能可靠传递荷载。而水平纵向剪切刚度不宜过大，以适应车辆制动、变温、混凝土收缩与徐变及其它活载作用产生的梁端纵向水平位移，这种位移实际表现为橡胶支座剪切变形，而梁体转角则是通过支座厚度方向不均匀压缩变形实现。但粱体在桥的横向还承受列车摇摆力作用。而现有板式橡胶支座的水平剪切刚度较低。国际铁路联盟ufC规范中，关于铁路桥梁橡胶支座使用规程指出：“由于橡胶支座不能抵抗因横向力(风力、摇摆力等)或斜交影响而产生的侧向移动，故常需在支座与支承结构之间设置一个止动装置，以控制此项移动在容许限度之内。

随着我国铁路干线旅客列车全面提速，列车运行时的摇摆力随之显著增大，反复偏载也更为剧烈。提速试验时发现，支座及梁体横向位移过大，对列车构成安全隐患。于是，在实施提速区段，对凡使用板式橡胶支座桥梁，均安装横向限位装置，以确保行车安全。这种限位措施实际效果很大程度上取决于施工质量，因为施工中焊接、安装尺寸公差及垫木可靠性直接影响限位效果。限位装置还使桥梁墩台顶部构造复杂化，加大维修养护负担。

经查阅有关列车提速试验研究报告，实地考察此类桥梁的横向限位装置和客货列车通过时梁端的动态变位之后。进一步分析得知，危及行车安全的梁体侧移，除支座水平剪切刚度过低这一主要原因之外，另一不可忽视的因素是支座抗横向转动刚度也较低。即支座横向的不均匀压缩可使梁体侧向转动，这种转动也可能导致桥上钢轨横移，尤其是梁体窄而高时，其转动力矩的影响更为突出。显然，解决梁体横移唯有提高支座的横向抗剪刚度与横向抗转动刚度。但这两种剐度均与平压刚度紧密关联，即它们之间存在所谓弹性纠葛关系，若采用常规材料则无法将它们彼此分离。

应当指出，以上只是简化后的近似宏观力学分析，其实际情况诸如应力状态、应力分布、材料性质、内部结构形式及各材料的相互作用方式等都是颇为复杂的，橡胶材料在力学上属于～个大应变问题，力与变形之间关系除这一线性项之外，还会有其它更复杂的非线性项。

新型板式橡胶支座设计基本原理

以上分析看出，新型支座应满足以下要求：为抵抗横向错动，横向剪切模量c。应大于纵向剪切模量G；平压模量E基本不变，仍保持“弹性好”优势；与原支座尺寸规格一致，能沿用桥梁维修规程，便于更换；良好抗疲劳特性，经200万次疲劳试验后，其各项弹性指标有较好保持率。显然，新型支座的水平剪切刚度必须呈现正交异性，还应使F，G不随G’而同时攀升。要实现此目标，只有通过合理设计复合材料的有关参数及相应组合结构方式。研制中的关键是嫁接了课题组取得的一项复合材料专利——倾斜定向短纤维复合膜片技术。图2为该材料基本构造及受力后变形特征，它由基体与单向增强纤维组成。沿纤维方向为材料1主方向(￡方向)，此方向与承载面成夹角a；垂直于纤维方向为2方向(r方向)。

新型板式橡胶支座基本构造

新型平板支座基体材料仍采用弹性好、工艺成熟的支座专用橡胶。橡胶的增强材料应具备较好抗压强度与抗弯刚度，同时考虑到加工方便，决定采用竹材试制。竹材的弹性模量较橡胶高一个数量级，其抗屈曲承载力可通过改变竹签的粗细和组份予以调整。由此设计并制造出一种全新竹签/橡胶复合材料，其中竹签在橡胶加压硫化过程中被严格定向，定向角a已经优化，这是新型平板支座研制中的关键环节。课题组先后试制7批复合材料，为选择#佳结构，进行了19轮支座样品制作，图3及图4为方案中的两种。图3所示方案设有用钢筋焊接而成的多组防错动弹性卡’，各项指标均较为满意，但纵向剪切刚度偏高。图4为#后改进综合型。

可以看出，新型板式橡胶支座实质是一种新型复合材料与传统材料组合的新型结构。加劲钢板对橡胶的侧胀起约束作用，它与竹签的联合作用控制着支座的抗压模量值。竹签/橡胶复合材料可大幅度提高横向抗剪刚度，且对纵向抗剪刚度影响较小，仍可保持在支座技术条件所规定范围内。竹签按人字形方向布置则可提高抗侧向转动刚度，在支座施工中还可左右随意掉头，但上下面应严格区分，不可倒置。

新型板式橡胶支座样品的材料选用与制作、结构设计与工艺已趋于完善，其各项力学性能指标达到或接近预定目标，在保持现有板式支座的优势前提下，能大幅度提高横向抗剪刚度，从而有效抑制梁体横移。由于板式橡胶支座的尺寸规格与原支座完伞一致，也利于既有线路提速改造的更换安装作业。因此，新型支座可以进入下阶段现场实验，以检验所期待的优良防错动效果。当经提速线路实桥试验并证实其性能良好后，可争取在提速线路上试用。