球球型鋼支座的設計研究與思考

鮑 薇 高靜青

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055）

球球型鋼支座的設計研究與思考

鮑 薇 高靜青

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055）

分析了球型鋼支座的結構特點及工作原理,闡述了球型鋼支座設計優化思路及改進方面,對于摩擦材料的選擇、導向條結構的采用進行了詳細地說明。同時,結合球型鋼支座的設計計算和結果分析進一步深化支座設計研究,為今后球型鋼支座設計者提供有益的參考。

橋梁支座 球型鋼支座 設計研究 結構優化

球型鋼支座發明于20世紀70年代,自80年代末引入我國后,得到了廣泛的應用[5]。作為在盆式橡膠支座上發展起來的一種新型支座,球型鋼支座具有承載力高、轉動靈活、轉角大、不存在橡膠老化等優點。它不僅可以將梁部荷載均勻的傳遞給下部結構,還通過球面摩擦副的轉動和平面摩擦副的平動完成梁部所需的轉角與平移。隨著設計理念的不斷更新及新型材料的應用,球型支座在完成其功能要求的基礎上,在結構方面不斷優化。目前,球型鋼支座已經以其良好的使用性能和經濟效益在公路、鐵路及輕軌橋梁中占據越來越多的使用份額,因此也對球型鋼支座設計提出了更高更細致的要求。

1 球型鋼支座的結構特點及工作原理

作為連接橋梁上部結構和下部結構的重要部件,球型鋼支座傳力途徑簡潔,受力明確。如圖1所示,梁部荷載直接作用在球型鋼支座上支座板上,通過中間鋼襯板的球面傳給下支座板,然后下支座板將荷載均勻作用到支承墊石混凝土上。當梁端產生轉動時,球型鋼支座轉動靈活,且各向轉動性能一致。如圖2所示,支座轉動力矩M=N·μ·R[1],其中,N為支座豎向設計荷載；R為中間鋼襯板球面半徑；μ為中間鋼襯板與球面滑板摩擦系數。由此可見球型支座的轉動力矩只與這3個參數有關,在荷載一定情況下力矩大小為一定值,而與支座轉角大小無關,因此不會像盆式橡膠支座那樣,轉角越大時,支座反力矩也會越大[6]。

圖1 球型鋼支座傳力路徑

圖2 球型鋼支座轉動力矩

為滿足橋梁平動及轉動要求,支座內部通過滑板與中間鋼襯板間形成轉動摩擦副進行轉動；在上支座板滑板與中間鋼襯板間形成平動摩擦副進行平動。根據平動時對水平位移要求的不同,球型支座可分為雙向活動支座、單向活動支座和固定支座。不同類型的支座通過在上支座板不同方向設置限位裝置控制水平位移的方式達到使用要求。

2 球型鋼支座的設計及細部構造

隨著新材料的產生及設計理念的更新,球型鋼支座在使用過程中進行不斷的改進和優化,在保證功能要求的同時兼顧尺寸的要求,達到功能性和經濟性的

2.1 滑動材料的改進

球型鋼支座摩擦副的選用決定了支座的整體性能,因此摩擦副的設計成為控制球型支座質量的重點部分。隨著滑動材料的發展,目前改性超高分子量聚乙烯板承壓使用應力可達到60MPa,這對減小支座尺寸有重要影響。表1為不同材料在不同容許力情況下平面板材最小直徑尺寸的對比。

表1 不同材料平面板材最小直徑尺寸對比mm

由表1可以看出,改性超高分子量聚乙烯板的采用,提高了支座滑板材料的使用應力,可有效減小支座結構尺寸。

對于磨耗方面,常溫時改性超高分子量板在硅脂潤滑條件下與不銹鋼板的摩擦系數按下公式計算：μ=1.6/（15+σm）[2][4],其中,σm為改性超高分子量聚乙烯板的平均壓應力。

聚四氟乙烯滑板在相同條件下摩擦系數表達式為：μ=1.2/（10+σm）,其中,σm為改性超高分子量聚乙烯板的平均壓應力。

表2 改性超高分子量與聚四氟乙烯摩擦系數對比

由表2可以看出,改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦系數略高于聚四氟乙烯板,但由于聚四氟乙烯板使用應力為30MPa,μ=0.030,而改性超高分子量聚乙烯滑板的使用應力為45～60MPa,μ=0.021～0.027。因此,實際使用條件下,改性超高分子量聚乙烯板的摩擦系數低于聚四氟乙烯滑板。

目前,考慮到墩頂支承墊石局部承壓,綜合墩身尺寸不宜過大的要求,球型支座采用改性超高分子量板作為摩擦材料時,抗壓容許應力多取45MPa。

2.2 導向條的使用與側向摩擦副的改進

由于材料的改進,側向摩擦副采用不銹鋼板與超高分子量板,即摩擦副材料由超高分子量板代替S F-ⅠB板,有效降低了擋板高度。對于轉動裝置,導向環適用于有水平轉動要求較大的彎橋或大跨度橋梁結構,通常水平轉動較小時可采用導向條的結構形式來替代導向環的設置（見圖3）。導向條一側采用弧面與下座板接觸實現轉動,另一側鑲嵌超高分子量板,與上座板擋板上的不銹鋼板形成摩擦副實現滑動。從構造來看,導向條的采用,可有效改善轉動時的受力特性,使側向超高分子量板與不銹鋼板形成面接觸。此外,相對導向環結構而言有效的減小了支座尺寸,節省鋼材,降低造價。

圖3 兩種導向結構形式

3 球型鋼支座的設計計算及結果分析

目前球型鋼支座設計依據主要采用我國規范并參考歐洲標準EN1337及德鐵標準ETA—06/0131設計。

3.1 計算分析

式中 P——設計豎向承載力；

D——平面和球面滑板水平投影的直徑；

[σ]——超高分子量聚乙烯滑板的設計應力。

（2）上、下座板厚度計算

上、下座板厚度參考歐標EN1337支座規程中有關座板的相對變形及ETA-06/0131進行計算[4]。

（1）超高分子量聚乙烯板應力計算

式中 db——上、下座板直徑；

tb——上、下座板厚度；

L——滑板直徑；

L0——參考直徑；

NQd——活載引起的軸向力；

NGd——恒載引起的軸向力；

Ecd——混凝土彈性模量；

Ecrd——混凝土折算彈性模量。

（3）側向轉動滑塊計算

為減小支座在轉動過程中側向滑板與下座板之間的接觸應力,設計采用了在上座板擋塊和下座板凸臺之間設置了轉向滑塊。弧面接觸應力采用“橋規”中關于弧形支座接觸應力公式計算。

式中 P——設計豎向承載力；

l——側向滑塊的長度；

r1——側向滑塊的弧面半徑；

Es——鋼材的彈性模量；

[σj]——接觸應力允許值。

（4）縱橫向活動支座側向擋塊計算

縱橫向活動支座側向擋塊主要受彎剪組合應力控制。

其中M為由水平荷載Q引起的彎矩

l—側向滑塊的長度；

b—側向滑塊的寬度。

（5）固定支座鋼突計算

固定支座鋼突采用“橋規”有關盆式橡膠支座盆突檢算公式及歐標EN1337分別進行檢算。

（6）螺栓計算

式中 Q——水平荷載；

n——螺栓個數；

d——螺栓直徑。

（7）混凝土局部承壓計算

混凝土局部受壓應力計算采用《鐵路橋涵鋼筋混凝凝土和預應力混凝土結構設計規范》[8]TB10002.3—2005中第5.2.1條之8項公式

式中 P——設計豎向荷載；

Ac——混凝土局部承壓面積；

A——混凝土計算面積。

3.2 主要計算結果

以Ag≤0.1g,設計豎向荷載為3 000kN為例,主要檢算結果見表3。計算結果均滿足材料允許應力、支座板相對變形及混凝土局部承壓的要求,表明支座的設計安全、可靠。

表3 設計豎向荷載3 000kN主要計算結果

4 設計思考與探討

目前,球型鋼支座在我國主要用于公路橋梁,在鐵路橋梁應用上主要還是以盆式橡膠支座為主,因此在依據規范使用時還存在一些不甚明確的地方,引發了設計中的思考與探討。

計算方面,目前設計依據除《橋梁球型支座》、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》等國內規范要求外,對支座上支座板變形、上下支座板厚度、側向摩擦材料的形狀系數等進行檢算時還要依據歐標EN規程。

材料方面,對于滑動材料,規范目前只給出摩擦材料的系數常溫0.03、低溫0.05的要求,并沒有像歐標中明確指出不同溫度不同材料的具體計算公式,因此在計算磨耗考慮使用壽命時所進行計算數據未能達到精準。

硅脂作為支座潤滑劑對支座摩擦性能及耐久性有著重要影響,對于球型支座中要求采用國家化工行業標準HG/T2502要求的5201-2硅脂潤滑劑,但目前歐標EN規程中,對此已形成支座要求硅脂性能的要求,更適合支座使用性能及摩擦副材料的使用要求。

5 結束語

球型鋼支座以其良好的轉動性等優點越來越多的在多項目工程上進行應用,尤其是在嚴寒、沿海等橡膠容易老化的地區,球型鋼支座發揮了很多不可取代的優勢。由于目前此種類型支座的一些細節設計及材料要求方面規范還沒有明確,在設計中還需進一步摸索,在使用中積累寶貴經驗,推動我國鐵路球型鋼支座進一步完善發展。

參考文獻

[1] GB/T17955—2009 橋梁球型支座[S]

[2] BSEN 1337—1：2000Structural bearing—Part2：Sliding elements〔S〕

[3] BS EN 1337—1：2000Structural bearing—Part 7：Spherical and cylindrical PTFEbearings[S]

[4] ETA-06/0131 European Technical Approval[S]

[5] 莊軍生.橋梁支座[M].北京：中國鐵道出版社,2008

[6] 王心方.對球形支座限定轉動力矩的規定是否必要[J].城市道橋與防洪,2004（3）

[7] TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

Research and Though of GTQZ Design

BAOWei GAO Jing-qing

U443.362

A

16727479（2012）03-0068-03

2012-04-28

鮑 薇（1981—）,女,2000年畢業于北京科技大學工程力學專業,碩士,工程師。結合,以利于支座更好的應用。