鮑 薇 高靜青

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055）

球球型鋼支座的設(shè)計(jì)研究與思考

鮑 薇 高靜青

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055）

分析了球型鋼支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理,闡述了球型鋼支座設(shè)計(jì)優(yōu)化思路及改進(jìn)方面,對(duì)于摩擦材料的選擇、導(dǎo)向條結(jié)構(gòu)的采用進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明。同時(shí),結(jié)合球型鋼支座的設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)果分析進(jìn)一步深化支座設(shè)計(jì)研究,為今后球型鋼支座設(shè)計(jì)者提供有益的參考。

橋梁支座 球型鋼支座 設(shè)計(jì)研究 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

球型鋼支座發(fā)明于20世紀(jì)70年代,自80年代末引入我國(guó)后,得到了廣泛的應(yīng)用[5]。作為在盆式橡膠支座上發(fā)展起來(lái)的一種新型支座,球型鋼支座具有承載力高、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)角大、不存在橡膠老化等優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以將梁部荷載均勻的傳遞給下部結(jié)構(gòu),還通過(guò)球面摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)和平面摩擦副的平動(dòng)完成梁部所需的轉(zhuǎn)角與平移。隨著設(shè)計(jì)理念的不斷更新及新型材料的應(yīng)用,球型支座在完成其功能要求的基礎(chǔ)上,在結(jié)構(gòu)方面不斷優(yōu)化。目前,球型鋼支座已經(jīng)以其良好的使用性能和經(jīng)濟(jì)效益在公路、鐵路及輕軌橋梁中占據(jù)越來(lái)越多的使用份額,因此也對(duì)球型鋼支座設(shè)計(jì)提出了更高更細(xì)致的要求。

1 球型鋼支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

作為連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要部件,球型鋼支座傳力途徑簡(jiǎn)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(guò)中間鋼襯板的球面?zhèn)鹘o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(dāng)梁端產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),球型鋼支座轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,且各向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致。如圖2所示,支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M=N·μ·R[1],其中,N為支座豎向設(shè)計(jì)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(shù)。由此可見(jiàn)球型支座的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩只與這3個(gè)參數(shù)有關(guān),在荷載一定情況下力矩大小為一定值,而與支座轉(zhuǎn)角大小無(wú)關(guān),因此不會(huì)像盆式橡膠支座那樣,轉(zhuǎn)角越大時(shí),支座反力矩也會(huì)越大[6]。

圖1 球型鋼支座傳力路徑

圖2 球型鋼支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

為滿足橋梁平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)要求,支座內(nèi)部通過(guò)滑板與中間鋼襯板間形成轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；在上支座板滑板與中間鋼襯板間形成平動(dòng)摩擦副進(jìn)行平動(dòng)。根據(jù)平動(dòng)時(shí)對(duì)水平位移要求的不同,球型支座可分為雙向活動(dòng)支座、單向活動(dòng)支座和固定支座。不同類型的支座通過(guò)在上支座板不同方向設(shè)置限位裝置控制水平位移的方式達(dá)到使用要求。

2 球型鋼支座的設(shè)計(jì)及細(xì)部構(gòu)造

隨著新材料的產(chǎn)生及設(shè)計(jì)理念的更新,球型鋼支座在使用過(guò)程中進(jìn)行不斷的改進(jìn)和優(yōu)化,在保證功能要求的同時(shí)兼顧尺寸的要求,達(dá)到功能性和經(jīng)濟(jì)性的

2.1 滑動(dòng)材料的改進(jìn)

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(shè)計(jì)成為控制球型支座質(zhì)量的重點(diǎn)部分。隨著滑動(dòng)材料的發(fā)展,目前改性超高分子量聚乙烯板承壓使用應(yīng)力可達(dá)到60MPa,這對(duì)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(duì)比。

表1 不同材料平面板材最小直徑尺寸對(duì)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(yīng)力,可有效減小支座結(jié)構(gòu)尺寸。

對(duì)于磨耗方面,常溫時(shí)改性超高分子量板在硅脂潤(rùn)滑條件下與不銹鋼板的摩擦系數(shù)按下公式計(jì)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(yīng)力。

聚四氟乙烯滑板在相同條件下摩擦系數(shù)表達(dá)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(yīng)力。

表2 改性超高分子量與聚四氟乙烯摩擦系數(shù)對(duì)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(shù)略高于聚四氟乙烯板,但由于聚四氟乙烯板使用應(yīng)力為30MPa,μ=0.030,而改性超高分子量聚乙烯滑板的使用應(yīng)力為45～60MPa,μ=0.021～0.027。因此,實(shí)際使用條件下,改性超高分子量聚乙烯板的摩擦系數(shù)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(guò)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(shí),抗壓容許應(yīng)力多取45MPa。

2.2 導(dǎo)向條的使用與側(cè)向摩擦副的改進(jìn)

由于材料的改進(jìn),側(cè)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(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,導(dǎo)向環(huán)適用于有水平轉(zhuǎn)動(dòng)要求較大的彎橋或大跨度橋梁結(jié)構(gòu),通常水平轉(zhuǎn)動(dòng)較小時(shí)可采用導(dǎo)向條的結(jié)構(gòu)形式來(lái)替代導(dǎo)向環(huán)的設(shè)置（見(jiàn)圖3）。導(dǎo)向條一側(cè)采用弧面與下座板接觸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng),另一側(cè)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(shí)現(xiàn)滑動(dòng)。從構(gòu)造來(lái)看,導(dǎo)向條的采用,可有效改善轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的受力特性,使側(cè)向超高分子量板與不銹鋼板形成面接觸。此外,相對(duì)導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)而言有效的減小了支座尺寸,節(jié)省鋼材,降低造價(jià)。

圖3 兩種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)形式

3 球型鋼支座的設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果分析

目前球型鋼支座設(shè)計(jì)依據(jù)主要采用我國(guó)規(guī)范并參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337及德鐵標(biāo)準(zhǔn)ETA—06/0131設(shè)計(jì)。

3.1 計(jì)算分析

式中 P——設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)應(yīng)力。

（2）上、下座板厚度計(jì)算

上、下座板厚度參考?xì)W標(biāo)EN1337支座規(guī)程中有關(guān)座板的相對(duì)變形及ETA-06/0131進(jìn)行計(jì)算[4]。

（1）超高分子量聚乙烯板應(yīng)力計(jì)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(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊計(jì)算

為減小支座在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中側(cè)向滑板與下座板之間的接觸應(yīng)力,設(shè)計(jì)采用了在上座板擋塊和下座板凸臺(tái)之間設(shè)置了轉(zhuǎn)向滑塊?；∶娼佑|應(yīng)力采用“橋規(guī)”中關(guān)于弧形支座接觸應(yīng)力公式計(jì)算。

式中 P——設(shè)計(jì)豎向承載力；

l——側(cè)向滑塊的長(zhǎng)度；

r1——側(cè)向滑塊的弧面半徑；

Es——鋼材的彈性模量；

[σj]——接觸應(yīng)力允許值。

（4）縱橫向活動(dòng)支座側(cè)向擋塊計(jì)算

縱橫向活動(dòng)支座側(cè)向擋塊主要受彎剪組合應(yīng)力控制。

其中M為由水平荷載Q引起的彎矩

l—側(cè)向滑塊的長(zhǎng)度；

b—側(cè)向滑塊的寬度。

（5）固定支座鋼突計(jì)算

固定支座鋼突采用“橋規(guī)”有關(guān)盆式橡膠支座盆突檢算公式及歐標(biāo)EN1337分別進(jìn)行檢算。

（6）螺栓計(jì)算

式中 Q——水平荷載；

n——螺栓個(gè)數(shù)；

d——螺栓直徑。

（7）混凝土局部承壓計(jì)算

混凝土局部受壓應(yīng)力計(jì)算采用《鐵路橋涵鋼筋混凝凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]TB10002.3—2005中第5.2.1條之8項(xiàng)公式

式中 P——設(shè)計(jì)豎向荷載；

Ac——混凝土局部承壓面積；

A——混凝土計(jì)算面積。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

以Ag≤0.1g,設(shè)計(jì)豎向荷載為3 000kN為例,主要檢算結(jié)果見(jiàn)表3。計(jì)算結(jié)果均滿足材料允許應(yīng)力、支座板相對(duì)變形及混凝土局部承壓的要求,表明支座的設(shè)計(jì)安全、可靠。

表3 設(shè)計(jì)豎向荷載3 000kN主要計(jì)算結(jié)果

4 設(shè)計(jì)思考與探討

目前,球型鋼支座在我國(guó)主要用于公路橋梁,在鐵路橋梁應(yīng)用上主要還是以盆式橡膠支座為主,因此在依據(jù)規(guī)范使用時(shí)還存在一些不甚明確的地方,引發(fā)了設(shè)計(jì)中的思考與探討。

計(jì)算方面,目前設(shè)計(jì)依據(jù)除《橋梁球型支座》、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)內(nèi)規(guī)范要求外,對(duì)支座上支座板變形、上下支座板厚度、側(cè)向摩擦材料的形狀系數(shù)等進(jìn)行檢算時(shí)還要依據(jù)歐標(biāo)EN規(guī)程。

材料方面,對(duì)于滑動(dòng)材料,規(guī)范目前只給出摩擦材料的系數(shù)常溫0.03、低溫0.05的要求,并沒(méi)有像歐標(biāo)中明確指出不同溫度不同材料的具體計(jì)算公式,因此在計(jì)算磨耗考慮使用壽命時(shí)所進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)未能達(dá)到精準(zhǔn)。

硅脂作為支座潤(rùn)滑劑對(duì)支座摩擦性能及耐久性有著重要影響,對(duì)于球型支座中要求采用國(guó)家化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T2502要求的5201-2硅脂潤(rùn)滑劑,但目前歐標(biāo)EN規(guī)程中,對(duì)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(jié)束語(yǔ)

球型鋼支座以其良好的轉(zhuǎn)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多的在多項(xiàng)目工程上進(jìn)行應(yīng)用,尤其是在嚴(yán)寒、沿海等橡膠容易老化的地區(qū),球型鋼支座發(fā)揮了很多不可取代的優(yōu)勢(shì)。由于目前此種類型支座的一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)及材料要求方面規(guī)范還沒(méi)有明確,在設(shè)計(jì)中還需進(jìn)一步摸索,在使用中積累寶貴經(jīng)驗(yàn),推動(dòng)我國(guó)鐵路球型鋼支座進(jìn)一步完善發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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

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

[5] 莊軍生.橋梁支座[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2008

[6] 王心方.對(duì)球形支座限定轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的規(guī)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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(yè)于北京科技大學(xué)工程力學(xué)專業(yè),碩士,工程師。結(jié)合,以利于支座更好的應(yīng)用。