盆式橡膠支座結構及混凝土墩臺非線性有限元分析

劉岳兵，王少華，黃 梅，王宏謀

(1.西南交通大學 機械工程研究所，成都 610031;2.西南交通大學 摩擦學研究所，成都 610031;3.北京起重運輸機械設計研究院，北京 100007)

橋梁支座是橋梁結構的一個重要組成部分，是連接橋梁上部結構和下部結構的重要結構部件。它能將橋梁上部結構的反力和變形(位移和轉角)可靠地傳遞給橋梁下部結構，其力學性能及可靠性對橋梁的正常承載和安全性有重要的影響［1］。通過系統地試驗來研究大噸位支座的各項性能，目前尚有一定的困難。為了更好地探索盆式橡膠支座的結構及性能，利用ANSYS軟件模擬實際情況，進行恰當的簡化計算是很有意義的。通常為了簡化計算，一般將支座鋼盆、橡膠及支承混凝土視為一個組合體系來分析。但是，實際工程中，橡膠和鋼盆之間以及鋼盆和支承混凝土之間是相互接觸的，屬于非線性行為。為了更恰當地對支座承載的情況進行分析，在此采用非線性接觸分析進行計算。通過計算，一方面對支座的情況進行了較系統的分析，同時也對混凝土墩臺的受力情況做了一系列的研究，這對以后盆式橡膠支座的理論研究和試驗以及其在橋梁工程中的應用有重要的參考價值。

1 支座結構介紹

盆式橡膠支座構造如圖1所示。

2 有限元模型的建立［2-3］

取支座的軸向1/2截面為對象，采用平面軸對稱模型進行有限元建模和計算。模型具體的相關參數如表1中所示。其中支座承載形式為中心受壓，載荷大小為25 MPa，橡膠面與鋼盆以及鋼盆底面與墩臺之間均采用接觸單元連接，摩擦系數分別取為0.7和0.2。建立支座有限元模型如圖2所示。

圖1 盆式橡膠支座構造示意

表1 支座模型相關參數

圖2 彈性支承下支座的有限元模型

3 有限元計算結果分析

3.1 支座位移情況分析

彈性支承下當支座在承受垂直載荷作用時，由于混凝土的彈性壓縮，使支座發生了鍋底狀變形。圖3中的承壓橡膠板在靠近中心部位的變形較大，而在其邊緣與鋼盆接觸的地方變形較小，這是由于鋼盆與橡膠板之間的約束引起的，與實際情況相符合。

圖3 彈性支承下支座的復合位移云圖

3.2 支座應力情況分析

從圖4中可以看出，支座承壓時在盆底產生較高的局部應力，該值大于相應噸位下的盆環應力，這與試驗情況相一致。試驗表明，支座承壓時最大應力出現在盆底，但是由于盆底處于三向應力狀態，雖有較大的應力和變形，但仍未發生破壞［1］。

3.3 兩種支承下支座幾項重要數據對比分析

分析表2可知，支座的最大位移值就等于鋼盆中承壓橡膠板的最大位移值，這主要是與橡膠板的泊松比接近0.5，在鋼盆中處于三向應力狀態下幾乎是不可壓縮的情況相關。同時，支座的最大等效應力值與盆底的最大等效應力值相等，說明支座在中心受壓時最大應力發生在盆底，這與試驗情況相符。另外，對比兩種不同類型的支承形式可以發現，剛性支承時盆環上的最大等效應力與盆底的最大等效應力相差不大，但是彈性支承時盆環上的最大等效應力相比盆底的最大等效應力來說顯得小許多，比剛性支承時盆環上的最大等效應力也要小。這主要是由于支承混凝土的彈性壓縮使支座發生鍋底狀變形，導致盆環受壓產生預壓應力抵消了部分盆環拉應力所引起的，對盆環的受力是有利的［4］。

圖4 彈性支承下支座的等效應力云圖

另外，由表2也可以看出，在垂直載荷作用下，當支座和混凝土墩臺之間取不同的摩擦系數時，支座各部分的應力值也是變化的。隨著摩擦系數的增大，各部分的應力值隨之減小。由此可知，在實際工程應用當中為了增加結構的安全度，在允許的范圍內應該盡可能地增大支座盆底和墩臺之間的摩擦。

3.4 彈性支承時混凝土墩臺的受力情況研究

由圖3和圖4可以看出，混凝土墩臺在頂面中心部位的位移最大，復合應力也最大。考慮到混凝土在實際工程中的抗壓性能強于其抗拉性能［5］，在此主要對混凝土墩臺的受拉情況做了一些研究。由圖5可知，混凝土的最大主拉應力(即ANSYS中的最大第一主應力)發生在盆環與盆底相接部位對應處的墩臺頂面附近，墩臺頂面的主拉應力分布如圖7所示。因此在設計橋墩支承墊石時應在頂面設置足夠數量的網狀鋼筋，以避免墊石混凝土開裂。研究發現，支座鋼盆底板厚度不同時，所得到的混凝土墩臺頂面的最大主拉應力也是不同的。其趨勢是隨著底板厚度的增加，最大主拉應力不斷減小，如圖6中的系列1所示。由圖5還可以看出，在混凝土中心豎直截面上也存在一定的拉應力。該拉應力主要分布在支承頂面以下約等于鋼盆直徑的高度范圍內，具體情況如圖8所示，且該處最大主拉應力也是隨著鋼盆底板厚度的增大而減小，如圖6中的系列2所示。

表2 不同支承情況下支座幾項重要數據

另外，盆底和墩臺之間的摩擦系數不同時，混凝土墩臺的受力狀況也不一樣。由表2可知，該處的摩擦系數越大，混凝土墩臺的最大等效應力和最大主拉應力就越小。因此，適當的增大盆底和墩臺之間的摩擦對墩臺的受力狀況是有利的。

圖5 混凝土墩臺第一主應力云圖

圖6 不同底板厚度下墩臺最大主拉應力變化

圖7 混凝土頂面主拉應力分布

圖8 混凝土中心豎直截面主拉應力分布

4 結論

1)將材料非線性和接觸有限元分析模型應用到盆式橡膠支座的分析計算中，得到了較滿意的結果。

2)利用平面軸對稱模型來替代傳統的三維實體模型進行求解，計算更加方便快捷，結果更加可靠。

3)當支座放在彈性支承上(如混凝土)時，盆環上所受的拉應力較支座放在剛性支承(如剛墊板)上時要小。這主要是由于支承混凝土的彈性壓縮，使支座發生鍋底狀變形，導致盆環部分受壓抵消了部分盆環拉應力引起的。

4)混凝土墩臺頂面的最大主拉應力發生在盆環與底板相接部位外側附近，并且隨著鋼盆底板厚度的增加，該處最大主拉應力不斷減小。另外，混凝土中心豎直截面上的最大主拉應力出現在支承頂面以下約等于鋼盆直徑的高度范圍內，該值也隨著鋼盆底板厚度的增加而不斷減小。但兩者的變化幅度均不大，不超過5%。

5)在垂直載荷作用下，盆底和墩臺之間的摩擦系數越大，支座各部分以及混凝土墩臺的應力就相對越小。因此，在實際工程應用中為了增大結構的安全裕度，應該適當地加大該接觸面之間的摩擦。

［1］莊軍生.橋梁支座［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［2］王宏謀.橋梁盆式橡膠支座的研究與應用［D］.成都:西南交通大學機械工程學院，2008.

［3］何濤，楊競.非線性有限元分析實例指導教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［4］莊軍生，張士臣.大噸位盆式橡膠支座的試驗研究［J］.鐵道建筑，1989(10):6-11.

［5］李喬.混凝土結構設計原理［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］劉岳兵，王少華，王宏謀，等.基于 ANSYS分析的盆式橡膠支座結構及性能研究［J］.鐵道建筑，2009(10):1-3.