球型支座結構及性能研究

何 維，王少華，王廣超，劉昕銘

(西南交通大學機械工程研究所，四川成都 610031)

1 球型支座非線性有限元分析

1.1 支座基本結構

球型支座由上支座板(含不銹鋼板)、球冠襯板、下支座板、平面聚四氟乙烯板、球面聚四氟乙烯板和防塵結構，以及輔助部件(如轉動套，錨固螺栓)等組成。球型支座基本結構如圖1所示。

圖1 球型支座基本結構示意

梁端的豎向荷載是由上部結構(橋跨等)、上支座板、平面聚四氟乙烯板、球冠襯板、球面聚四氟乙烯板、下支座板傳遞到橋墩上。

1.2 支座有限元模型建立

為了方便建模，提高計算效率，不考慮支座中對計算結果幾乎沒有影響的結構，如防塵結構和輔助部件。根據之前的研究結果，在支座有限元計算中，需要加入上部結構(橋跨)和下部結構(墩臺)，這樣可以使計算結果更加準確，更加貼合實際;橋跨和墩臺模型尺寸，依據之前研究結果確定。由于球型支座結構和荷載的對稱性，取支座的軸向1/2截面采用平面軸對稱模型進行有限元建模和計算，單元選擇Plane82。鑄鋼結構彈性模量2.05×105MPa，泊松比0.3，聚四氟乙烯板彈性模量1 500 MPa，泊松比0.4，混凝土彈性模量3.3×104MPa，泊松比0.2。在實際情況下，上部結構和上支座板、平面聚四氟乙烯板、球冠襯板、球面聚四氟乙烯板、下支座板之間以及下支座板和墩臺之間都是接觸在一起的，之間可以有滑動位移，沒有完全固定，所以在計算中，這些部分均采用接觸單元連接?；炷僚c鋼結構之間摩擦系數0.4，鋼結構與聚四氟乙烯板之間摩擦系數取0.03，接觸剛度取默認值。支座豎向承壓，荷載大小為10 MN，建立有限元模型如圖2所示。

圖2 支座及橋跨墩臺有限元模型

1.3 有限元計算結果分析

圖3為支座復合應力云圖，圖4是支座等效位移云圖。為了方便查看支座應力和變形，在云圖中不顯示橋跨結構的受載情況。

從圖3中可以看出，支座最大復合應力發生在上支座板中間部分，出現了一個最大應力環帶。從表1中可以看到，最大應力69.1 MPa，低于鑄鋼許用應力，沒有發生破壞，出現較大應力是由于豎向荷載在傳遞過程中，由上支座板傳遞到平面聚四氟乙烯板上時，四氟板的面積比上支座板小。從圖4中可以很清楚看到，上支座板在平面四氟板端部處開始發生下撓，產生較大的拉應力;球冠襯板端部靠里部分處應力較大，產生原因和上蓋板出現最大應力一樣，是豎向荷載向下傳遞時，球冠襯板和球面聚四氟乙烯板相互作用，產生較大拉應力所致。

圖3 支座復合應力云圖(單位:MPa)

圖4 支座等效位移云圖(單位:mm)

表1 豎向荷載下支座各部件最大等效應力 MPa

圖5是支座鋼盆底部位移曲線，可以看出盆底中心部位有較大變形，于是鋼盆端部產生翹曲，盆底邊緣部分的變形較小;從圖6鋼盆底部應力分布曲線中可以看出，應力從盆底中心向邊緣逐漸增加，在距離中心(5/8)R處，應力最大。由此可知，鋼盆底部在此處翹曲弧度最大，產生較大拉應力。研究表明，支座承壓后由于混凝土的彈性壓縮，支座盆底應力呈鐘乳形分布;鋼盆底板厚度越薄，鋼盆中心的下沉變形越大，鋼盆端部向內側的變形也越大。

2 四氟板面積改變對支座性能影響

圖5 支座盆底位移曲線

圖6 支座盆底應力分布曲線

四氟板是球型支座中的關鍵部件，球型支座就是通過四氟滑板來實現轉角和水平位移的。研究表明，球型支座受豎向荷載時，主要按照聚四氟乙烯板面積擴展進行傳遞?；谇蛐椭ё@種傳力特點，改變四氟板(包括平面和球面)水平投影面積，研究支座各部件受力情況。同時改變平面和球面四氟板面積，兩者保持水平投影面積一致，通過有限元軟件ANSYS計算0.8R，0.9R，R(初始四氟板水平投影半徑)不同情況下，支座各部件受力情況，結果如表2所示。

表2 四氟板水平投影面積對支座性能影響

從表2中可以看出，當四氟板水平投影面積變化時，支座各部件受載情況也發生明顯變化。隨四氟板水平投影面積的增加，支座各部件應力隨之減小，上支座板邊緣撓度也相應減小;投影面積每變化0.1R，支座各部件應力變化10% ～20%。由此可知，豎向荷載通過四氟板傳遞時，應力按照聚四氟板面積擴展進行傳遞，當四氟板水平投影面積較小時，荷載比較集中，會產生較大應力，這會對聚四氟乙烯板產生不利影響，嚴重時甚至會導致破壞，使支座失去轉動和滑動的功能，失去傳遞荷載作用。相反，投影面積較大時，荷載就會相對分散，產生的應力就會變小，有利于支座正常工作。所以，在球型支座的生產制造過程中，考慮成本的情況，在允許范圍內可以盡量增加四氟板的水平投影面積。

3 墩臺受力情況及其混凝土性能對支座影響

實際橋梁支座支撐在橋墩、臺頂帽混凝土上，支座承壓后混凝土將發生彈性壓縮。由于混凝土的抗壓強度遠大于其抗拉強度，所以混凝土墩臺在受載情況下是否發生破壞，主要考察其最大拉應力。圖7為混凝土墩臺第一主應力云圖，圖8為混凝土墩臺頂面拉應力分布曲線。從中可見墩臺頂面中心部位混凝土承壓，鋼盆邊緣部位混凝土出現拉應力，研究表明，該拉應力隨著支座球面半徑的增大而增大。圖9為混凝土墩臺中心豎直截面拉應力分布曲線，在混凝土墩臺中心垂直截面下約0.20H～0.75H(H為墩臺高度)范圍內，混凝土受拉，最大拉應力出現在0.25H處，為防止混凝土在主拉應力下開裂，必須在支承混凝土頂面及支座下一倍直徑高度范圍內布置適當的網狀鋼筋。

圖7 混凝土墩臺第一主應力云圖(單位:MPa)

圖8 混凝土墩臺頂面拉應力分布曲線

圖9 混凝土墩臺中心豎直截面拉應力分布曲線

按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定，普通混凝土劃分為十四個等級，即:C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，從C15到C80，混凝土彈性模量由2.5×104MPa增大到3.8×104MPa。如果在墩臺混凝土中設置網狀鋼筋，相當于混凝土彈性模量增大。于是通過有限元軟件ANSYS計算分析墩臺混凝土彈性模量由2.5×104MPa增大到4.1×104MPa時，支座各部件應力變化情況，結果如表3所示。

表3 墩臺混凝土彈性模量與支座部件的最大等效應力MPa

從表3可以看出，隨著墩臺混凝土彈性模量的增大，支座各部件的最大復合應力隨之減小，當混凝土彈性模量從2.5×104MPa增大到4.1×104MPa時，支座各部件最大復合應力減小10%～25%。從表3中還可以發現，隨著混凝土彈性模量的增大，混凝土墩臺上的拉應力也會隨著增大，增大的幅度比較小;因為混凝土等級越高，其抗拉強度也越大，所以不會對墩臺產生不利影響。因此在實際工程中，為了減小支座應力，在允許范圍內，可以盡量增大混凝土的彈性模量，一般情況下，墩臺混凝土強度等級不得低于C40。

4 結論

1)采用與支座實際工作狀態相符的非線性接觸有限元分析方法，對10 MN球型支座進行研究，得到球型支座各部件受載情況，盆底變形和應力分布以及墩臺混凝土拉應力分布規律。

2)通過研究，當四氟板水平投影面積變化時，支座各部件受載情況發生明顯變化，對于此次研究規格的球型支座，當四氟板投影面半徑增大0.1R，支座各部件應力減小10%～20%，設計時應盡量增加四氟板的面積。

3)墩臺混凝土的彈性模量對支座應力有一定影響，當混凝土彈性模量從2.5×104MPa增大到4.1×104MPa時，支座各部件最大復合應力減小10% ～25%;同時，混凝土墩臺拉應力也會有所增加，增加幅度較小，不會對墩臺造成不利影響。所以實際工程中，可以適當提高混凝土的彈性模量。

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