公路桥梁盆式橡胶支座设计计算书

公路桥梁盆式橡胶支座
设计计算书
一、执行标准及规范
1、交通行业标准JT 391-1999《公路桥梁盆式橡胶支座》
2、铁道行业标准TB10002.1《铁路桥涵设计基本规范》；
3、铁道行业标准TB10002.3《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》；
4、铁道行业标准TB/T 2331-2004《铁路桥梁盆式橡胶支座》。

5、《美国公路桥梁设计规范》1994版
二、支座技术要求
1、竖向承载力
该系列盆式橡胶支座竖向承载力（即支座反力，单位：kN）：
45MN(4500吨)、30MN(3000吨)、5MN(500吨)
2、水平承载力
GD固定支座、DX单向活动支座水平向承载力为竖向力的15%；
3、转角
支座转动角度不得小于0.02rad
4、摩阻系数
将聚四氟乙烯板分块嵌装，在分块空隙及凹槽内涂满5201-2硅脂。

加5201-2硅脂润滑后，活动支座设计摩阻系数μ≤0.02
5、位移量
SX多向活动支座和DX单向活动支座顺桥向设计位移为±200mm；
三、材料
1、上支座板、下支座板、中间钢衬板采用采用铸钢ZG270-500,其化学成分和铸件热处理后的机械性能及冲击韧性应符合GB 11352-89的有关要求，其中屈服强度为270MPa；
2、承压橡胶板采用天然橡胶，橡胶的物理机械性能和外观应符合TB/T 2331-2004的有关要求；
3、聚四氟乙稀板应是纯的模压板材，而非车削板材，其表面应光滑，不允许有裂纹、气泡、分层；其物理机械性能和外观应符合TB/T 2331-2004的要求。

4、不锈钢板采用1Cr18Ni9Ti精轧镜面不锈钢板,其化学成分和力学性能应符合GB/T 3280的要求；
5、黄铜密封圈化学成分、机械性能等均应符合GB 2040的有关规定，其表面应清洁，不得有分层、裂纹、起皮、杂质和绿锈；
6、5201-2硅脂应保证在使用温度范围内不干涸，对滑移面材料不得有害，并具有良好的抗臭氧、耐腐蚀及防水性能，其理化性能指标应符合HG/T 2502的有关规定。

四、支座各零件主要尺寸的确定
一、承压橡胶板尺寸的确定
设承压橡胶板直径为Du，承压橡胶板厚度为Hu，支座竖向承载力为P；允许转角为θu，根据JT 391-1999《公路桥梁盆式橡胶支座》橡胶许用应力取值[σ]=25MPa，及支座竖向转动角度θu不小于0.02rad。

由公式P/S≤[σ]
得：r≥(p/25π) 1/2mm
Du≥2×(p/25π) 1/2mm
又根据《桥梁支座》（第二版），承压橡胶板总厚度Hu为直径的1/10~1/15，考虑转角0.02 rad及边缘最大竖向变形量不得超过0.15总厚度，得：
Hu≥[(Du/2) ×tanθu]/0.15，且Du /10≥Hu ≥Du /15。

得出各数据列表如下：
表一
二、黄铜密封圈尺寸的确定
黄铜密封圈作用为防止橡胶在高压下从钢盆和中间钢衬板之间的缝隙中挤出，根据《桥梁支座》（第二版），其尺寸及数量可参照下表确定：
表二
三、平面聚四氟乙烯板、平面不锈钢板尺寸的确定
1、平面聚四氟乙烯板尺寸的确定
1）、平面四氟板厚度δ的确定
根据TB/T 2331-2004《公桥梁盆式橡胶支座》，平面四氟板厚度δ=7mm
2）、平面四氟板的确定
根据《机械设计手册》, P/S≤[σ] S=A×B （A为边长，B为顺桥向总长）
（P为支座竖向承载力）
对于纯聚四氟乙烯板加5201-2硅脂，根据《公路桥梁盆式橡胶支座设计规范》，取[σ]=30MPa，
则：由公式P/S≤[σ]
得：面积S≥(p/30)
A×B≥(p/30)
2、平面不锈钢板尺寸的确定
1）、厚度的确定
根据TB/T 2331-2004《铁路桥梁盆式橡胶支座》标准中规定不锈钢板长度不大于1500mm时，板厚采用2mm；大于1500mm时，板厚采用3mm。

2）、平面尺寸的确定
当达到最大位移量时，不锈钢板的边缘应比聚四氟乙烯板大5mm
即：不锈钢板长度L=平面聚四氟乙烯板长度+2x（顺向位移量）+n×z+10mm
不锈钢板宽度K=平面聚四氟乙烯板宽度+2y（横向位移量）+10mm
注1：x为顺桥向位移量；5MN 、30MN多向横桥位移量y为10mm；单向支座横桥向位移量为3mm。

注2 ：n为硅脂槽个数，45MN n=5、30MN n=4、5MN n=1
z为硅脂槽宽度：30mm
四、主要钢件尺寸的确定
1、中间钢衬板盆凸厚度ω可选择以下方法确定
a 设支座所承受的水平力F r, 钢的屈服强度F y，盆塞凸缘高度ω，钢盆内径D p= Du，系数φ=0.9
根据《美国公路桥梁设计规范》1994版，盆塞凸缘部分高度应根据所受的水平力大小按下式计算：
F r=（φ·F y·ω·D p）/3
根据采购比选文件规定，固定支座在各方向和单向活动支座的水平承载力均不得小于支座竖向承载力的15%。

因此，取值F r=0.15P，代入上式
得:
ω=3 Fr/(φ·Fy·D p)=(3×0.15×P×106)/(0.9×270×D p)
=2552×P/D p
根据《机械设计手册》钢的屈服强度F y取270MPa；
代入各竖向承载力得各盆塞凸缘高度ω：
45MN ω=74mm
30 MN为多向，不需承载水平力，可取ω=30mm
5 MN ω=10.3 mm
根据《美国公路桥梁设计规范》1994版，盆凸凸缘高度不得小于6.4mm,所以计算符合要求。

2、中间钢衬板钢盆内转动净空△1的确定
设钢盆内径D p，支座允许转角θu=0.02 rad，为保证支座转动，要求
△1>（1/2）D p·θu=0.01 D p
取：△1=0.01D p
只要转动空间大于0.01D p就能满足要求。

3、盆环深度h的确定
根据桥梁盆式橡胶支座结构图，为防止密封圈Ⅰ在支座转动时滑出盆环，故盆环深度应增加10的富余量，由此可得，盆环深度h为：h=H u+ω+△1 + 10
4、底板厚度H1的确定
按照《桥梁支座》第二版，盆底支承于混凝土上底板厚度应大于0.06Dp或12mm，并且混凝土C40的抗压强度40MPa>大于承压橡胶板的允许压强25MPa，参照加工工艺，取最小板厚按支承反力大小依次递增。

5、盆环外径D外的确定
根据《桥梁支座》（第二版）（庄军生，中国铁道出版社，2000年·北京），支座钢盆的盆环应力可根据拉密公式计算拉密公式：σ={[(R2/r2)+1]/ [(R2/r2)-1]}×σ0式中σ0=q·h/H,
(其中R：盆环外半径；r：盆环内半径；σ0：盆环平均应力；q：橡胶实际平均应力；h、H分别为橡胶和盆环高度)
根据铁路桥梁盆式橡胶支座TB/2331-2004可知盆环内半径r尺寸为承压橡胶板外径尺寸的一半。

由：
σ={[(R2/r2)+1]/ [(R2/r2)-1]}×σ0≤[σ] （[σ]为盆环许用应力）
得：
R≥{([σ]+σ0)/ ([σ]-σ0)}1/2 r
设盆环外径D
外，内径D
内
，则D
外
=2R，D
内
=2r 取[σ] =130Mpa
则：
D外≥{([σ]+σ0)/ ([σ]-σ0)}1/2 D内={(130+σ0)/ (130-σ0)}1/2 D内计算出各规格上部结构数据列表如下：
表七
注：圆整值大于计算值。

五、支座竖向承载安全储备
1、聚四氟乙烯板在主应力与附加力共同作用下的容许平均压应力为45MPa，容许边缘压应力为60MPa；而设计压应力为30MPa；
2、对承受竖向压应力的钢件和平面不锈钢板，设计容许平均压应力为130MPa，是聚四氟乙烯板设计压应力的4倍。