轉體球鉸接觸應力分析研究

李曉光 劉聰昳 郭亞晴

河北工程技術學院 河北 石家莊 050091

橋梁轉體法是指將橋梁結構在非軸線設計位置制作成形后，通過轉體就位的一種方法。轉體施工法由于具有經濟、方便、可靠、不干擾交通、不間斷通航、可跨深溝河流等優點，近年來我國采用轉體施工工藝的橋梁日益增多，轉鉸是實現其轉體功能的關鍵結構。在橋梁轉體施工過程中，球鉸始終處于高應力狀態。球鉸接觸面的高應力狀態不僅會增加牽引系統造價，還可使材料發生磨損出現轉動鎖死現象，甚至導致在轉動過程中偏移原位引起傾覆[1]。因此球鉸接觸面應力的分析是保證轉體施工順利進行的關鍵工作。

近年來，有大量學者對轉體施工中關鍵部位受力情況、安全影響因素以及控 制要求等方面展開研究。X.ZHENG[2]分析了施工過程中環境因素對轉動體系穩 定性的影響。李東峰等[3]采用有限元方法對球鉸轉動時的應力情況開展了研究。李洋等[4]根據球鉸受偏心荷載時的應力分布規律，優化了球鉸摩擦系數。但目前設計人員常采用簡化計算方法對球鉸接觸應力進行預估，即將接觸面簡化為平面進行應力計算[5-9]，而實際上球鉸接觸面為曲面，且應力分布較為復雜，其應力 分布規律還需進一步研究。

本文以某鐵路特大橋轉體球鉸為研究背景，轉體球鉸構造示意圖如圖1所示。采用有限元方法對轉體結構進行受力分析，以轉體中的球鉸接觸面為研究對象，分析球鉸接觸面應力分布規律。

圖1 轉體球鉸構造示意圖

1 計算模型及方法

1.1 有限元模型

本文采用ANSYS通用有限元分析軟件建立精細化有限元模型，對球鉸受力情況進行模擬。根據國家規范中的規定，平轉法轉體施工中鋼球鉸混凝土強度不得低于C50，鋼材強度不得低于Q355，球鉸材料參數詳見表1。球鉸模型中用Solid185單元模擬混凝土結構，用四面體單元進行網格劃分。以順橋向為Y方向，豎向為Z方向，橫橋向為X方向建立坐標系，坐標原點位于下承臺底部中心，如圖2所示。不考慮開裂，材料特性基本符合線彈性理論，按各向同性均質材料處理。上球鉸與下球鉸的模型以及網格劃分如圖 3 所示。模型中下承臺下底面節點全約束，上下球鉸通過接觸面節點自由度耦合連接。

表1 球鉸材料參數

圖2 模型坐標系示意圖

圖3 上球鉸與下球鉸模型

1.2 計算接觸理論

本文有限元模型僅考慮豎向接觸分析，水平轉動過程的摩擦力采用阿蒙東摩 擦法則（Amontons' friction law ，σT=μσn），按照接觸應力分布規律進行計算。 在不考慮滑移的情況下，接觸邊界的約束條件如下：

式中：gn為接觸實體之間的間隙；σn為接觸壓力。因此控制方程的弱形式可表示為：

由于接觸邊界隨著接觸力發生變化，因此公式（2）是非線性問題，本文采用修正的拉格朗日法求解，求解過程由商業軟件 ANSYS 執行。

2 計算結果

2.1 順橋向正應力

對球鉸接觸面順橋向應力進行提取。圖4給出了球鉸順橋向正應力σx分布圖，由圖4(a)可以看出，上球鉸從曲面頂點至上下球鉸交界面壓應力逐漸增大，最大壓應力出現在與下球鉸接觸面交界處，最大值為-11MPa。上球鉸從接觸面邊緣處至上球鉸邊緣，拉應力逐漸增大。上球鉸與上轉盤接觸的兩邊存在較大的拉應力區，且最大拉應力約為0.98MPa。由圖4(b)可以看出，下球鉸應力分布規律與 上球鉸基本一致，σx在順橋向較橫橋向明顯。由圖 4(c)、(d)可以看出，球鉸內部 壓應力較為均勻，雖在球鉸邊緣處出現應力集中現象，但受力情況良好。

圖4 球鉸順橋向正應力σx 分布圖

2.2 橫橋向正應力

對球鉸接觸面橫橋向應力進行提取。圖5給出了球鉸順橋向正應力σx分布圖，由圖5(a)可以看出，上球鉸從曲面頂點至上下球鉸交界面壓應力逐漸增大，最大壓應力出現在與下球鉸接觸面交界處，最大值為-14.8MPa。上球鉸從接觸面邊緣處至上球鉸邊緣，壓應力逐漸減小。上球鉸與上轉盤接觸的兩邊存在較大的拉應力區，且最大拉應力約為0.98MPa。由圖5(b)可以看出，下球鉸應力分布規律與 上球鉸基本一致，σy在橫橋向較順橋向明顯，最大拉應力為4.22MPa。由圖5(c)、(d)可以看出，球鉸內部壓應力較為均勻，受力情況良好。

圖5 球鉸橫橋向正應力σy 分布圖

2.3 主壓應力

對轉體球鉸主壓應力進行提取，圖6給出了轉體球鉸主壓應力σ3分布圖，由圖6可知，球鉸周圍主壓應力明顯增大，且在接觸面呈現出從中間向兩邊逐漸增大的分布特征。最大主壓應力出現在上下球鉸交界處，最大值為-41.93Mpa 。除 球鉸交界處邊緣，其余位置均沒有出現主拉應力，應力狀況良好。

圖6 主壓應力σ3分布圖

3 結論

(1) 球鉸順橋向正應力從接觸曲面頂點先減小后增大，球鉸邊緣出現最大拉應力，為 0.98MPa。

(2) 球鉸橫橋向正應力以壓應力為主，下球鉸應力分布規律與上球鉸基本一 致，y在橫橋向較順橋向明顯，最大拉應力為 4.22MPa。

(3) 球鉸周圍主壓應力明顯增大，且在接觸面呈現出從中間向兩邊逐漸增大 的分布特征。課題名稱：2022 年度河北工程技術學院校級科研課題：鐵路特大橋轉體球鉸模擬分析，課題編號：2023HG42。