橋墩與橋面接觸面積為什么這么小？

發(fā)現(xiàn)很多高架橋包括武廣高鐵的高架，橋墩做的很大，但與橋面接觸的地方，卻變成了一個(gè)很小的像墊片一樣的東西。這是為什么？不是說(shuō)面積越大，壓強(qiáng)越小的么？

如果不用橡膠支座，或者其它類型的支座，而是連成一個(gè)整體，比如我們上面這個(gè)兩跨的公路橋。那么會(huì)有什么問(wèn)題呢？或者說(shuō)，為什么橋面和橋墩之間非得墊個(gè)支座呢？

想象一下我們圖中的這輛小卡車行駛在橋面上，這輛卡車的重量會(huì)對(duì)橋梁造成什么影響呢？

當(dāng)卡車在左邊這跨的時(shí)候，橋梁會(huì)變成上面這樣；一會(huì)兒行駛到右面那跨了，橋梁又變成下面這樣了。

當(dāng)然，我畫(huà)的是非常非常夸張的示意圖，只是為了方便大家理解。事實(shí)上，橋梁的確會(huì)發(fā)生這樣的變形，只是幅度非常小，可能肉眼無(wú)法分辨，但橋面和橋墩的確會(huì)受彎變形。或者簡(jiǎn)單說(shuō)，橋面在上下擺動(dòng)，橋墩在左右擺動(dòng)。

同樣，我們知道材料會(huì)熱脹冷縮。外界的溫度變化會(huì)對(duì)這樣的橋梁造成什么影響呢？

受熱膨脹，橋面有向外變長(zhǎng)的趨勢(shì)，造成外面的橋墩向外彎曲；受冷收縮，橋面有向內(nèi)變短的趨勢(shì)，造成外面的橋墩向內(nèi)彎曲。在一年四季、晝夜交替的溫度變化下，橋墩也是在反復(fù)受彎擺動(dòng)。

我們知道，橋墩軸向拉壓是要好過(guò)受彎的。類似于，你很容易掰斷筷子，但是很難拉斷或者壓斷筷子。

因?yàn)閴簲嗪茈y、掰斷相對(duì)容易，所以我們要盡量避免橋墩被「掰斷」。我們上面的這座橋梁，在車輛重量、溫度變化的作用下，橋墩一直在左右擺動(dòng)，或者說(shuō)，一直在被向左或者向右「掰彎」。而這種情況，正是我們想要盡量避免的。

那怎么避免呢？不如試試下面這種。

橋面和橋墩分開(kāi)，中間用支座隔開(kāi)。中間橋墩上的三角形支座，代表橋面可以在這里自由旋轉(zhuǎn)，但是不能移動(dòng)；兩邊橋墩上的圓形支座，代表橋面可以在這里自由旋轉(zhuǎn)，外加可以左右移動(dòng)。

為什么三個(gè)不都弄圓形的呢？因?yàn)槿绻齻€(gè)都圓的，三個(gè)地方都能左右移動(dòng)，那橋面不就向左或者向右滑下來(lái)了嘛。

這時(shí)候，卡車再上來(lái)，柱子還會(huì)跟著擺動(dòng)嗎？因?yàn)闃蛎婵梢栽谥ё幾杂尚D(zhuǎn)，所以不會(huì)再連帶著橋墩一起變形了。簡(jiǎn)單說(shuō)，不管卡車怎么開(kāi)，橋墩都近似保持豎直，不再大幅度的左右擺動(dòng)。

再看溫度變化。同樣，因?yàn)閳A形支座處的橋面可以自由移動(dòng)，所以只有橋面在水平變長(zhǎng)或者變短，橋墩依舊保持豎直。這樣的溫度變化對(duì)橋墩幾乎沒(méi)有什么影響。

這位看官說(shuō)了，真的假的啊？難道那么大的橋都是放在這樣的圓形支座上的？

沒(méi)錯(cuò)，而且在早期，是真正的字面意思上的「圓形」支座。

怎么樣？沒(méi)騙你吧？

這個(gè)也是真正的圓形支座。

那三角形的支座呢？

看這個(gè)，真正的這種支座是這樣的，還是有點(diǎn)三角形的意思的。你可以把它理解成一個(gè)房門的合頁(yè)，可以旋轉(zhuǎn)，但是不能移動(dòng)。

同一個(gè)橋墩支撐著左右兩截橋面。左邊這個(gè)是三角形支座，右邊這個(gè)是圓形支座。看圖就能看得出來(lái)，非常的明顯。

隨著技術(shù)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)，鑄鋼、橡膠相繼被用在橋梁支座領(lǐng)域，代替了我們上面照片里的這些古董支座，但所起的作用是類似的。

橡膠支座是一層層的橡膠和鋼板疊加而成，有各種不同類型的支座，可以滿足不同的位移條件。同時(shí)，橡膠支座把橋面和橋墩分割開(kāi)來(lái)，不僅僅讓橋面的變形盡量少影響橋墩，還讓地面?zhèn)鱽?lái)的地震波盡量少影響橋面，起到了一定的隔震作用。再加上工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的橡膠支座相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理，所以橡膠支座在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

既然受彎這么不好，需要盡量避免，那用了支座之后，橋墩不怎么受彎了，橋面還在受彎啊？怎么辦？

要解決這個(gè)問(wèn)題，需回答這個(gè)問(wèn)題：為什么懸索橋的跨越能力如此強(qiáng)？

很多時(shí)候，可能我們能夠直觀的感受到豎向力的傳遞，比如粗大的橋墩在把橋梁的重量傳遞到大地。但這只是結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)方面。另外的方面，比如抗彎能力，或者說(shuō)抗側(cè)向力體系，可能同樣重要，甚至更重要。

比如這是1900年巴黎世博會(huì)的機(jī)械館，很明顯，這是一個(gè)鋼鐵結(jié)構(gòu)的展館，代表著當(dāng)時(shí)的高新科技。注意到它的尺度非常大，可以參照照片中遠(yuǎn)處的人的身高。與以往粗大的磚石柱子不同，這個(gè)鋼鐵柱子越靠近地面反而越小，您說(shuō)這是為什么呢？

也許您覺(jué)得，汽車的重量，連帶著那么重的橋面本身，包括瀝青什么的，最終都落到小小的橡膠支座上，聽(tīng)著有點(diǎn)不靠譜。可是呢，這是有合理的原因和理由的。

首先，討論的關(guān)鍵就是橋梁支座這個(gè)東西，橋梁支座是橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部墩臺(tái)基礎(chǔ)連接的中間環(huán)節(jié)，很直觀的感受是，橋梁支座是一個(gè)受力構(gòu)件，他承受的橋梁上部恒載與活載造成的效應(yīng)，然后再扮演一個(gè)傳力構(gòu)件的角色，把荷載效應(yīng)傳遞到下部基礎(chǔ)。同時(shí)保證橋跨結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。

以上是我們能很直觀感受到的，但是，橋梁支座作為橋梁構(gòu)造的關(guān)鍵部件，他有另一個(gè)很理論性的需求。那就是通過(guò)支座的設(shè)定來(lái)使橋梁結(jié)構(gòu)受力跟我們理論計(jì)算時(shí)所選取的受力形式最大限度的貼近，或者說(shuō)最合理最相似。

舉桿系模型的例子，在支點(diǎn)處，我們可以約束6個(gè)自由度，X,Y,Z的三向線位移與旋轉(zhuǎn)位移，這是模擬在一個(gè)桿件端點(diǎn)上的，所以，這樣我們就可以很容易理解為什么橋梁支座對(duì)于橋梁總體尺寸相差那么大的原因之一。所以對(duì)于支座的理解，不能單從他的使用特性，也要兼顧它的理論計(jì)算需求，因?yàn)楸旧碛?jì)算的時(shí)候相對(duì)于總體模型支座結(jié)構(gòu)就是很小的，當(dāng)然反應(yīng)到實(shí)際構(gòu)件上也不可能巨大化，體現(xiàn)了理論與實(shí)際的相輔相成上。

再次，這類設(shè)計(jì)中要同時(shí)考慮強(qiáng)度和剛度兩方面的要求，強(qiáng)度是指承受載荷之后不會(huì)發(fā)生斷裂、破壞，而剛度是指承受載荷之后不會(huì)發(fā)生過(guò)大的變形。你所說(shuō)的“壓強(qiáng)”，主要是強(qiáng)度方面要考慮的因素。

接觸那部分的“墊片”是橋梁支座，除了承受垂直壓力之外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求不同還需要有一定的水平位移和轉(zhuǎn)角的自由度，主要材料是橡膠，部分里面夾了加勁鋼板，標(biāo)準(zhǔn)要求的承壓能力在10 MPa以上，強(qiáng)度肯定是足夠的，也即是說(shuō)肯定不會(huì)被壓壞。面積做小一點(diǎn)不僅節(jié)省材料和加工成本，而且在水平方向上位移、轉(zhuǎn)角等等指標(biāo)也比較容易控制。

至于說(shuō)橋墩做得粗，主要不是考慮強(qiáng)度的因素（以鋼筋混凝土的承壓能力，即使截面積小很多也可以滿足強(qiáng)度要求），而是要考慮剛度，意思是承壓之后再受到側(cè)向力的時(shí)候不能變彎。橋墩在受到側(cè)向力時(shí)的變形量與它高度的四次方成正比，和截面的慣性矩（和橫截面的尺寸有關(guān)）成反比。因?yàn)闃蚨毡旧碛休^大高度，所以這個(gè)變形量非常可觀，只能通過(guò)增大截面尺寸來(lái)控制這個(gè)變形量，從而保證橋墩的安全性。

最后，高架橋高度大，穩(wěn)定性差，橋墩很大主要是為了提高橋墩的穩(wěn)定性。

支座接觸小墊片樣的東西是橡膠支座，接觸面積小，但抗壓強(qiáng)度是可能滿足承載要求的， 橋梁橡膠支座是由多層橡膠片與薄鋼板硫化、粘合而成,它有足夠的豎向剛度和強(qiáng)度，能將上部構(gòu)造的反力可靠的傳遞給墩臺(tái)；有良好的彈性，以適應(yīng)梁端的轉(zhuǎn)動(dòng)，又有教大的剪切變形能力，以適應(yīng)上部橋梁在汽車動(dòng)荷 載作用下的產(chǎn)生的水平位移.，而減少因位移產(chǎn)生的內(nèi)力。

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