桥墩与桥面接触面积为什么这么小？

桥墩与桥面接触面积为什么这么小？

发现很多高架桥包括武广高铁的高架，桥墩做的很大，但与桥面接触的地方，却变成了一个很小的像垫片一样的东西。这是为什么？不是说面积越大，压强越小的么？

如果不用橡胶支座，或者其它类型的支座，而是连成一个整体，比如我们上面这个两跨的公路桥。那么会有什么问题呢？或者说，为什么桥面和桥墩之间非得垫个支座呢？

想象一下我们图中的这辆小卡车行驶在桥面上，这辆卡车的重量会对桥梁造成什么影响呢？

当卡车在左边这跨的时候，桥梁会变成上面这样；一会儿行驶到右面那跨了，桥梁又变成下面这样了。

当然，我画的是非常非常夸张的示意图，只是为了方便大家理解。事实上，桥梁的确会发生这样的变形，只是幅度非常小，可能肉眼无法分辨，但桥面和桥墩的确会受弯变形。或者简单说，桥面在上下摆动，桥墩在左右摆动。

同样，我们知道材料会热胀冷缩。外界的温度变化会对这样的桥梁造成什么影响呢？

受热膨胀，桥面有向外变长的趋势，造成外面的桥墩向外弯曲；受冷收缩，桥面有向内变短的趋势，造成外面的桥墩向内弯曲。在一年四季、昼夜交替的温度变化下，桥墩也是在反复受弯摆动。

我们知道，桥墩轴向拉压是要好过受弯的。类似于，你很容易掰断筷子，但是很难拉断或者压断筷子。

因为压断很难、掰断相对容易，所以我们要尽量避免桥墩被「掰断」。我们上面的这座桥梁，在车辆重量、温度变化的作用下，桥墩一直在左右摆动，或者说，一直在被向左或者向右「掰弯」。而这种情况，正是我们想要尽量避免的。

那怎么避免呢？不如试试下面这种。

桥面和桥墩分开，中间用支座隔开。中间桥墩上的三角形支座，代表桥面可以在这里自由旋转，但是不能移动；两边桥墩上的圆形支座，代表桥面可以在这里自由旋转，外加可以左右移动。

为什么三个不都弄圆形的呢？因为如果三个都圆的，三个地方都能左右移动，那桥面不就向左或者向右滑下来了嘛。

这时候，卡车再上来，柱子还会跟着摆动吗？因为桥面可以在支座处自由旋转，所以不会再连带着桥墩一起变形了。简单说，不管卡车怎么开，桥墩都近似保持竖直，不再大幅度的左右摆动。

再看温度变化。同样，因为圆形支座处的桥面可以自由移动，所以只有桥面在水平变长或者变短，桥墩依旧保持竖直。这样的温度变化对桥墩几乎没有什么影响。

这位看官说了，真的假的啊？难道那么大的桥都是放在这样的圆形支座上的？

没错，而且在早期，是真正的字面意思上的「圆形」支座。

怎么样？没骗你吧？

这个也是真正的圆形支座。

那三角形的支座呢？

看这个，真正的这种支座是这样的，还是有点三角形的意思的。你可以把它理解成一个房门的合页，可以旋转，但是不能移动。

同一个桥墩支撑着左右两截桥面。左边这个是三角形支座，右边这个是圆形支座。看图就能看得出来，非常的明显。

随着技术的发展，新材料的出现，铸钢、橡胶相继被用在桥梁支座领域，代替了我们上面照片里的这些古董支座，但所起的作用是类似的。

橡胶支座是一层层的橡胶和钢板叠加而成，有各种不同类型的支座，可以满足不同的位移条件。同时，橡胶支座把桥面和桥墩分割开来，不仅仅让桥面的变形尽量少影响桥墩，还让地面传来的地震波尽量少影响桥面，起到了一定的隔震作用。再加上工业化、标准化的橡胶支座相对经济合理，所以橡胶支座在桥梁领域的应用越来越广泛。

既然受弯这么不好，需要尽量避免，那用了支座之后，桥墩不怎么受弯了，桥面还在受弯啊？怎么办？

要解决这个问题，需回答这个问题：为什么悬索桥的跨越能力如此强？

很多时候，可能我们能够直观的感受到竖向力的传递，比如粗大的桥墩在把桥梁的重量传递到大地。但这只是结构体系的一个方面。另外的方面，比如抗弯能力，或者说抗侧向力体系，可能同样重要，甚至更重要。

比如这是1900年巴黎世博会的机械馆，很明显，这是一个钢铁结构的展馆，代表着当时的高新科技。注意到它的尺度非常大，可以参照照片中远处的人的身高。与以往粗大的砖石柱子不同，这个钢铁柱子越靠近地面反而越小，您说这是为什么呢？

也许您觉得，汽车的重量，连带着那么重的桥面本身，包括沥青什么的，最终都落到小小的橡胶支座上，听着有点不靠谱。可是呢，这是有合理的原因和理由的。

首先，讨论的关键就是桥梁支座这个东西，桥梁支座是桥梁上部结构与下部墩台基础连接的中间环节，很直观的感受是，桥梁支座是一个受力构件，他承受的桥梁上部恒载与活载造成的效应，然后再扮演一个传力构件的角色，把荷载效应传递到下部基础。同时保证桥跨结构在各种荷载工况下的位移和转动的要求。

以上是我们能很直观感受到的，但是，桥梁支座作为桥梁构造的关键部件，他有另一个很理论性的需求。那就是通过支座的设定来使桥梁结构受力跟我们理论计算时所选取的受力形式最大限度的贴近，或者说最合理最相似。

举杆系模型的例子，在支点处，我们可以约束6个自由度，X,Y,Z的三向线位移与旋转位移，这是模拟在一个杆件端点上的，所以，这样我们就可以很容易理解为什么桥梁支座对于桥梁总体尺寸相差那么大的原因之一。所以对于支座的理解，不能单从他的使用特性，也要兼顾它的理论计算需求，因为本身计算的时候相对于总体模型支座结构就是很小的，当然反应到实际构件上也不可能巨大化，体现了理论与实际的相辅相成上。

再次，这类设计中要同时考虑强度和刚度两方面的要求，强度是指承受载荷之后不会发生断裂、破坏，而刚度是指承受载荷之后不会发生过大的变形。你所说的“压强”，主要是强度方面要考虑的因素。

接触那部分的“垫片”是桥梁支座，除了承受垂直压力之外，根据设计要求不同还需要有一定的水平位移和转角的自由度，主要材料是橡胶，部分里面夹了加劲钢板，标准要求的承压能力在10 MPa以上，强度肯定是足够的，也即是说肯定不会被压坏。面积做小一点不仅节省材料和加工成本，而且在水平方向上位移、转角等等指标也比较容易控制。

至于说桥墩做得粗，主要不是考虑强度的因素（以钢筋混凝土的承压能力，即使截面积小很多也可以满足强度要求），而是要考虑刚度，意思是承压之后再受到侧向力的时候不能变弯。桥墩在受到侧向力时的变形量与它高度的四次方成正比，和截面的惯性矩（和横截面的尺寸有关）成反比。因为桥墩本身有较大高度，所以这个变形量非常可观，只能通过增大截面尺寸来控制这个变形量，从而保证桥墩的安全性。

最后，高架桥高度大，稳定性差，桥墩很大主要是为了提高桥墩的稳定性。

支座接触小垫片样的东西是橡胶支座，接触面积小，但抗压强度是可能满足承载要求的， 桥梁橡胶支座是由多层橡胶片与薄钢板硫化、粘合而成,它有足够的竖向刚度和强度，能将上部构造的反力可靠的传递给墩台；有良好的弹性，以适应梁端的转动，又有教大的剪切变形能力，以适应上部桥梁在汽车动荷 载作用下的产生的水平位移.，而减少因位移产生的内力。

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