球型支座與上下部結構之間特性研究

何 維，王少華，嚴情木

(西南交通大學 機械工程研究所，四川 成都 610031)

隨著橋梁建設事業的發展，大跨度橋梁不斷涌現，對橋梁支座的承載能力、位移和轉角能力的要求不斷提高，需要開發和研究與之相適應的各種新型橋梁支座。球型支座屬于鋼支座的一種，20世紀70年代在國外發展起來，具有承載能力大，轉動靈活，不存在橡膠老化問題，使用壽命長等特點，能夠適應曲線橋、寬橋以及坡道上橋梁支座的需要。球型支座不僅應用在橋梁方面，在綜合體育館、會展中心等大型建筑上也得到廣泛應用，因此，有必要對球型支座進行研究。經過必要的模型簡化處理，采用非線性接觸有限元分析方法，計算支座在垂直荷載作用下應力與變形，對支座與混凝土墩臺進行一系列分析，研究其中規律，對以后球型支座的理論研究、試驗以及在實際橋梁工程中應用，提供一定參考依據。

1 支座結構介紹

球型支座一般由上支座板(含不銹鋼板)、平面聚四氟乙烯板、球冠襯板、球面聚四氟乙烯板、下支座板和防塵結構以及輔助部件(如轉動套等)組成。雙向活動球型支座結構如圖1所示。

圖1 雙向活動球型支座結構示意

2 有限元模型的簡化與建立

2.1 有限元模型簡化

球型支座有限元分析主要研究支座關鍵結構，如圖1所示結構，不考慮防塵結構以及輔助部件。為了更全面研究工作狀態下的球型支座，在支座模型中加入混凝土橋跨與墩臺結構，使分析結果更加準確，更加貼近實際。

2.2 有限元模型建立

根據球型支座結構和傳力特點，支座在傳遞豎向荷載時，主要按照聚四氟乙烯板面積擴展進行傳遞，所以支座在向下傳遞豎向荷載時，其分布具有對稱性。根據支座結構傳力的對稱性和支座結構的對稱性，可以采用平面軸對稱模型進行有限元建模和計算，單元選擇Plane82。支座結構材料參數如表1所示。支座承載形式為豎向承壓，荷載大小為10 MN，鋼結構與聚四氟乙烯，以及鋼結構與混凝土結構之間均采用接觸單元連接，進行非線性接觸分析。建立有限元模型如圖2所示。

表1 支座結構材料參數

圖2 橋跨、支座以及墩臺有限元模型

支座結構尺寸以及墩臺模型尺寸，在相關文獻中都有規定，混凝土橋跨結構尺寸在有限元分析中沒有相關要求。但混凝土橋跨結構梁體厚度，對支座有限元分析的結果有重要的影響，合理的混凝土橋跨梁體厚度，直接關系到模型準確建立，于是以支座高度 H為參照，分析厚度為 0，1H，2H，3H，4H，10H 的混凝土橋跨梁體模型，0和10H是模擬沒有橋跨梁體和梁體厚度很大時兩種極限模型，通過分析從而確定合理的橋跨梁體厚度，有限元Ansys計算結果如表2所示，支座主要結構最大等效應力隨橋跨梁體厚度變化趨勢如圖3和圖4所示。

表2 不同混凝土橋跨梁體厚度對支座性能影響

圖3 四氟板和球冠襯板應力變化趨勢

圖4 上下支座板應力變化趨勢

從表2中數據可以看出，在沒有建立橋面結構模型的時候，球冠襯板、下支座板等效應力都很接近鑄鋼許用應力上限，上支座板、平面和球面聚四氟乙烯板的等效應力遠遠超過了所用材料的許用應力，這說明這種模型存在問題，不能采用。在2H，3H，4H，10H模型下，有限元分析結果，各部件的等效應力都在所用材料許用應力范圍內，是合理的模型。從圖3和圖4可以看出，隨著橋跨梁體厚度的增大，各結構等效應力相應減小，在3H以上時，等效應力減小趨勢變得很平緩;雖然橋跨梁體厚度增大會改善支座應力及變形情況，同時也增加有限元計算的規模，降低計算效率，所以綜合各個因素，選取橋跨梁體厚度為3倍支座高度，既可以滿足計算精度的要求，又可以提高計算的效率。

3 有限元計算結果分析

3.1 支座受垂直荷載有限元計算結果分析

圖5為垂直荷載作用下支座等效應力云圖，圖6是垂直荷載作用下支座Y方向位移等效應力云圖。由于橋跨結構不是研究對象，只是為了使有限元分析結果更加準確和貼合實際才加進去的，所以在顯示應力和位移云圖時，不顯示橋跨結構的應力與變形情況;支座承受垂直荷載作用時，由球型支座的傳力特點，下支座板發生鍋底狀變形，中間豎向壓縮，邊緣向上發生翹曲，在發生翹曲的根部產生很大的拉應力，所以等效應力也很大;上支座板由于邊緣懸空沒有支承，垂直荷載作用下，發生較大的下撓，產生很大的拉應力，較之于下支座板的拉應力更大，所以支座最大等效應力發生在這里;墩臺中間部分發生彈性壓縮，中間混凝土發生下沉較多，支座邊緣下的混凝土，由于上面結構向上翹曲，所以下沉很少，在兩者連接部分的混凝土產生拉應力較大，這些都與實際情況相符。

圖5 垂直荷載下支座等效應力云圖(單位:MPa)

圖6 垂直荷載下支座Y方向位移等效應力云圖(單位:MPa)

3.2 下支座板與墩臺之間摩擦系數對支座性能影響

混凝土墩臺與下支座板之間摩擦系數是由鑄鋼和墩臺表面情況決定的，在墩臺表面粗糙度一定的情況下，摩擦系數則隨著鑄鋼表面的粗糙程度的增大而增大，支座使用時間越長，其表面銹蝕情況越嚴重，粗糙度隨之增大。參考文獻資料，混凝土與鑄鋼之間的摩擦系數取值范圍為0.2～0.6。為了系統地研究下支座板與墩臺之間摩擦系數對支座的影響，分析摩擦系數變化范圍為0～0.6。分析結果顯示，隨著摩擦系數的增加，支座各部件的應力都隨之減小，下支座板等效應力和墩臺拉應力減小幅度相對較大，下支座板最大等效應力及墩臺最大拉應力變化具體趨勢見圖7和圖8。從圖7和圖8可以看出，兩種最大應力變化趨勢基本都一致，摩擦系數較小的階段，曲線斜率較大，說明下降很快;隨著摩擦系數的增加，變化趨勢逐漸變得平緩;墩臺與支座摩擦系數在0.3以下時，墩臺混凝土拉應力都在3.0 MPa以上，超過了一般混凝土許用拉應力上限，會拉裂混凝土墩臺，造成破壞，所以下支座板與墩臺之間摩擦系數取值最好在0.4左右;在實際工程應用當中，為了提高結構的安全性，可以盡可能增加兩者之間的摩擦系數。

圖7 下支座板最大等效應力變化曲線

圖8 墩臺混凝土最大拉應力變化曲線

3.3試驗工況與實際工況對比研究

試驗工況是用有限元軟件Ansys模擬支座在試驗機試驗條件下的受荷情況。與實際工況不同之處在于:首先，支座上下所承接結構的材料不同，前者是鋼，后者是混凝土，其彈性模量和泊松比都有很大的差異，其次，鋼與鋼之間的摩擦系數也不同于鋼與混凝土之間的摩擦系數。為了研究這兩種工況之間的差異，通過有限元計算，其結果如表3所示。

表3 試驗工況與實際工況支座受荷情況對比

從表3中可以看出，上支座板邊緣撓度試驗工況比實際情況小50%左右，這是由于鋼的剛度大，荷載作用下，變形較小，由變形協調可知，在這種情況下上支座板變形小。同理，由于試驗機鋼結構較之于混凝土結構，荷載作用下，變形要小，所以支座其它部件，在試驗條件下，變形也會較小，最大等效應力都相差20%以上。綜上所述，試驗條件下，所得到的應力和變形結果，都趨于安全，但實際情況并非如此樂觀，兩者之間有一定差距，所以，對試驗結果要合理、準確地采用。

4 結論

1)將非線性接觸分析應用到球型支座分析計算中，另外加入橋跨結構，使有限元計算結果更加準確，更加貼合實際。

2)通過系列分析，確定橋跨梁體厚度取3倍支座高度較為合理，為準確建立有限元模型提供基礎。

3)隨著下支座板與墩臺混凝土之間的摩擦系數的增大，支座各結構應力隨之減小，在實際工程應用中為了提高結構的安全性，在滿足要求的前提下，可以盡可能增大摩擦系數;當摩擦系數＜0.3時，墩臺混凝土拉應力都超過了其許用拉應力上限，所以建議支座與墩臺之間摩擦系數取0.4左右。

4)試驗工況與實際工況有限元計算結果對比分析，試驗條件下所得到的結果偏于安全，與實際情況應力和變形相差都在20%以上，所以對試驗得到的結果，要合理準確地采用。

［1］中華人民共和國國家標準.GB/T 17955—2009 橋梁球型支座［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］韓青，張毅剛.結構工程中接觸問題的數值計算方法［J］.北京工業大學學報，2006，32(4):321-326.

［3］莊軍生.橋梁支座［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［4］李楊海.公路橋梁支座使用手冊［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用［M］.北京.中國水利水電出版社，2005.