徐國彬——“關(guān)于支座研發(fā)的若干問題”

言：工程中使用的支座是主體結(jié)構(gòu)（上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座）的一部分，所謂主體結(jié)構(gòu)，就是它的失效，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效。以前認(rèn)為，支座價(jià)格僅為總造價(jià)的1%以下，不重要。但它的失效，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效，如支座選用不當(dāng)，或設(shè)計(jì)不合理，其后果將在上部或下部結(jié)構(gòu)中反映出來。往往上部或下部結(jié)構(gòu)先破壞。因此，支座設(shè)計(jì)存在以下難點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)的計(jì)算是按照它的力學(xué)模型進(jìn)行的，目前廣泛使用的有限元計(jì)算不分剛體還是變形體。但事先假定的理想鉸與實(shí)際支座餃不同。一個(gè)物體不可能同時(shí)繞兩個(gè)心轉(zhuǎn)動(dòng)。如何使兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心協(xié)調(diào)？如不協(xié)調(diào)則轉(zhuǎn)不動(dòng)。這是設(shè)計(jì)師必須考慮的問題。

2、理想鉸和實(shí)際支座餃有差異，誤差。（前者只是想象中的理想餃，無尺寸，后者是有尺寸的實(shí)際鉸鏈。）如何消除這種理論和設(shè)計(jì)中的差別？實(shí)際鉸鏈必須協(xié)調(diào)不同轉(zhuǎn)動(dòng)中心，才能使實(shí)際鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。利用EULER-BROUWER定理——(見“拓?fù)鋵W(xué)”、“分析力學(xué)”和“接觸力學(xué)“）。

3、需滿足不同工程的不同要求。如承受壓力、拔力、X、Y方向不同組合的剪力、位移量、轉(zhuǎn)角量、精度、自動(dòng)升降、各種惡劣環(huán)境（高、低溫，凍土地帶、水下、鹽霧地區(qū)、高烈度區(qū)、地殼活動(dòng)區(qū)、腐蝕環(huán)境、大噸位、雙向大位移）等。需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，而不是一種支座可放之四海而皆能用。

4、支座功能

1）將上部結(jié)構(gòu)的荷載通過支座集中傳遞給下部結(jié)構(gòu)。（受力大而集中）。

2）放彎矩，支座只傳遞集中力，不會(huì)將彎矩傳遞給下部結(jié)構(gòu)。利用其轉(zhuǎn)動(dòng)

3）必要時(shí)釋放水平剪力。以免在墩底（柱底）產(chǎn)生過大彎矩。

4)地震時(shí)避免落梁落架。避免產(chǎn)生嚴(yán)重的次生的生命、財(cái)產(chǎn)損失。

5)制造、安裝一定會(huì)產(chǎn)生與設(shè)計(jì)間的誤差（標(biāo)高、尺寸、角度、平整度的誤差），這些誤差全靠支座補(bǔ)償。

6)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型是完全的理想鉸連接，實(shí)際支座不可能是理想鉸，且?guī)追N力學(xué)分析（剛體力學(xué)、變形體力學(xué)、柔性體力學(xué)）混用，其誤差較大，甚至矛盾。支座設(shè)計(jì)應(yīng)補(bǔ)償這些誤差。使力學(xué)建模的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果誤差為最小。

7)實(shí)際支座應(yīng)使理想鉸中心與結(jié)構(gòu)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心協(xié)調(diào)。（圍繞二者均可同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)）

8）減震支座設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)間和支座與結(jié)構(gòu)間的的碰撞問題。給出合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。

9）能夠抵消和補(bǔ)償結(jié)構(gòu)制造、安裝所有誤差，因機(jī)械制造、澆筑混凝土、鋼結(jié)構(gòu)制造、起吊 裝均不可避免的產(chǎn)生誤差。幾種相應(yīng)的驗(yàn)收規(guī)范精度相差數(shù)千倍，只能靠支座來補(bǔ)償這些誤差。

鑒于支座是主體結(jié)構(gòu)的一部分，其功能極為重要，不可替代。支座受力極為復(fù)雜。支座種類（包括與其相連的桿件）繁多，內(nèi)力又千變?nèi)f化，且從時(shí)間上考慮，支座內(nèi)力隨荷載變化而變化，支座必須適應(yīng)各種復(fù)雜工況）還要滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，它不是結(jié)構(gòu)件，而是機(jī)械部件，不但需滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求，還要能夠做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)（饒多軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿多軸的移動(dòng)）。既有理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性理論問題又有機(jī)學(xué)原理、機(jī)械零件和鑄造、機(jī)加工等問題。計(jì)算和制造工藝復(fù)雜，必需編制計(jì)算機(jī)程序來完成計(jì)算。才能使支座滿足各種結(jié)構(gòu)功能要求。而不是試著來，拿實(shí)際工程作盲目試驗(yàn)�；蛞虼硕�浪費(fèi)大量材料，還沒有把握支座一定不會(huì)出問題。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、支座的計(jì)算是世界性問題，沒有解決。均按構(gòu)造處理。目前還處于“在混沌中探索”階段。本所經(jīng)多年理論研究（解析分析和數(shù)值分析）、系列模型和實(shí)體試驗(yàn)、大量（多于6000個(gè)支座）的工程實(shí)踐。已得到節(jié)點(diǎn)和支座的理論解和編制了計(jì)算機(jī)分析計(jì)算程序《bjsjdcx1-北交所節(jié)點(diǎn)程序1 》。

對(duì)支座的看法：以前認(rèn)為支座只是一個(gè)小構(gòu)件，并不重要。經(jīng)對(duì)100多個(gè)工程事故分析，幾乎60%以上工程事故均因支座選用、設(shè)計(jì)不當(dāng)引起。而且支座設(shè)計(jì)、制造有許多與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全不同的思路和原則。上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、以及連接他們的支座均應(yīng)是主體結(jié)構(gòu)。

二、支座類型

1、混凝土支座：因混凝土承壓強(qiáng)度低、脆性破壞，現(xiàn)已基本不用。

2、橡膠支座：起用于50年代，至今60年左右，其各項(xiàng)性能、耐久性、化學(xué)穩(wěn)定性己積累大量資料和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橡膠支座已有較深認(rèn)識(shí)。橡膠支座的優(yōu)、缺點(diǎn)已掌握。其優(yōu)點(diǎn)為：構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、已有許多原橡膠廠都在生產(chǎn)橡膠支座，已形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

缺點(diǎn)為：

1）、橡膠支座為一層鋼板、一層橡膠所構(gòu)成。鋼板增加了支座的豎向承載力。但支座的水平剛度僅為橡膠的水平剛度。故極低，在較小水平力作用下，變形很大，堆剎車力較大的火車，剎車時(shí)，橋面系將產(chǎn)生難以復(fù)位的位移，對(duì)火車運(yùn)營時(shí)極大的安全隱患。

2）、橡膠支座可作微小轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能釋放彎矩，不能完成支座主要功能。

3）橡膠支座十幾年即老化，其主要物理力學(xué)性能改變。老化是內(nèi)、外部許多因素造成的。以內(nèi)因?yàn)橹�。且不可逆。理論上可以更換，但封在鋼盆內(nèi)，無法觀察、確定是否應(yīng)該更換。且不可操作。更換的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于支座本身。南京長(zhǎng)江大橋更換兩個(gè)支座，用了300人天、5000萬元。還未計(jì)入封線停止運(yùn)營的損失。

4）更換時(shí)需將所承上部結(jié)構(gòu)頂起，結(jié)構(gòu)周邊將出現(xiàn)裂縫。

5）、橡膠支座不能抗拔力�？拱螘r(shí)需附加許多附件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂。

6）、橡膠原材料價(jià)格不斷上漲，但支座價(jià)格因無序、惡性競(jìng)爭(zhēng)，價(jià)格下降，其中不乏偷工減料，加大再生膠的用量，故質(zhì)量堪憂。

詳情見橡膠支座與鋼支座對(duì)比表。

3、橡膠支座的類型：

①  板式橡膠支座。 

②  盆式橡膠支座。 

③  消能鉛芯橡膠支座（日本稱之為免震支座——譯為中文是隔震支座）。

此種支座有個(gè)誤解：日本聲稱此類支座可消除地震動(dòng)態(tài)能量的40%，此處并未說明什么地震能量，是大樓吸收的還是支座吸收的動(dòng)態(tài)能量？還是實(shí)驗(yàn)室支座吸收的，本人到日本開會(huì)時(shí)曾詢問日本權(quán)威專家，他說不清楚，然而中國的廠家、隨聲附和也說40%，經(jīng)不起質(zhì)疑。根據(jù)分析、判斷，充其量是實(shí)驗(yàn)時(shí)支座吸收的能量。其他能量均不可能。實(shí)驗(yàn)時(shí)頂多加上振動(dòng)臺(tái)能承受的重量。不同振動(dòng)臺(tái)是不一樣的。因此試驗(yàn)也不是萬能的，實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際工程，大不一樣。不要認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)結(jié)果就確信不疑！風(fēng)洞試驗(yàn)也容易引起誤導(dǎo)。

總之，結(jié)構(gòu)支座的研究、開發(fā)不比結(jié)構(gòu)研發(fā)簡(jiǎn)單，他所涉及的專業(yè)領(lǐng)域更廣，問題更復(fù)雜。靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和接觸力學(xué)等核心問題都有涉及。

關(guān)于消能鉛芯橡膠支座的圖形和說明，請(qǐng)見下面日本支座介紹。

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