何 維，王少華，王廣超，劉昕銘

(西南交通大學(xué)機(jī)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)，以及輔助部件(如轉(zhuǎn)動(dòng)套，錨固螺栓)等組成。球型支座基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 球型支座基本結(jié)構(gòu)示意

梁端的豎向荷載是由上部結(jié)構(gòu)(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(jì)算效率，不考慮支座中對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎沒(méi)有影響的結(jié)構(gòu)，如防塵結(jié)構(gòu)和輔助部件。根據(jù)之前的研究結(jié)果，在支座有限元計(jì)算中，需要加入上部結(jié)構(gòu)(橋跨)和下部結(jié)構(gòu)(墩臺(tái))，這樣可以使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，更加貼合實(shí)際;橋跨和墩臺(tái)模型尺寸，依據(jù)之前研究結(jié)果確定。由于球型支座結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱(chēng)性，取支座的軸向1/2截面采用平面軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行有限元建模和計(jì)算，單元選擇Plane82。鑄鋼結(jié)構(gòu)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(shí)際情況下，上部結(jié)構(gòu)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(tái)之間都是接觸在一起的，之間可以有滑動(dòng)位移，沒(méi)有完全固定，所以在計(jì)算中，這些部分均采用接觸單元連接?；炷僚c鋼結(jié)構(gòu)之間摩擦系數(shù)0.4，鋼結(jié)構(gòu)與聚四氟乙烯板之間摩擦系數(shù)取0.03，接觸剛度取默認(rèn)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(tái)有限元模型

1.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

圖3為支座復(fù)合應(yīng)力云圖，圖4是支座等效位移云圖。為了方便查看支座應(yīng)力和變形，在云圖中不顯示橋跨結(jié)構(gòu)的受載情況。

從圖3中可以看出，支座最大復(fù)合應(yīng)力發(fā)生在上支座板中間部分，出現(xiàn)了一個(gè)最大應(yīng)力環(huán)帶。從表1中可以看到，最大應(yīng)力69.1 MPa，低于鑄鋼許用應(yīng)力，沒(méi)有發(fā)生破壞，出現(xiàn)較大應(yīng)力是由于豎向荷載在傳遞過(guò)程中，由上支座板傳遞到平面聚四氟乙烯板上時(shí)，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(kāi)始發(fā)生下?lián)?，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力;球冠襯板端部靠里部分處應(yīng)力較大，產(chǎn)生原因和上蓋板出現(xiàn)最大應(yīng)力一樣，是豎向荷載向下傳遞時(shí)，球冠襯板和球面聚四氟乙烯板相互作用，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力所致。

圖3 支座復(fù)合應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生翹曲，盆底邊緣部分的變形較小;從圖6鋼盆底部應(yīng)力分布曲線中可以看出，應(yīng)力從盆底中心向邊緣逐漸增加，在距離中心(5/8)R處，應(yīng)力最大。由此可知，鋼盆底部在此處翹曲弧度最大，產(chǎn)生較大拉應(yīng)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(yīng)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(nèi)側(cè)的變形也越大。

2 四氟板面積改變對(duì)支座性能影響

圖5 支座盆底位移曲線

圖6 支座盆底應(yīng)力分布曲線

四氟板是球型支座中的關(guān)鍵部件，球型支座就是通過(guò)四氟滑板來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角和水平位移的。研究表明，球型支座受豎向荷載時(shí)，主要按照聚四氟乙烯板面積擴(kuò)展進(jìn)行傳遞?；谇蛐椭ё@種傳力特點(diǎn)，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(shí)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(guò)有限元軟件ANSYS計(jì)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(jié)果如表2所示。

表2 四氟板水平投影面積對(duì)支座性能影響

從表2中可以看出，當(dāng)四氟板水平投影面積變化時(shí)，支座各部件受載情況也發(fā)生明顯變化。隨四氟板水平投影面積的增加，支座各部件應(yīng)力隨之減小，上支座板邊緣撓度也相應(yīng)減小;投影面積每變化0.1R，支座各部件應(yīng)力變化10% ～20%。由此可知，豎向荷載通過(guò)四氟板傳遞時(shí)，應(yīng)力按照聚四氟板面積擴(kuò)展進(jìn)行傳遞，當(dāng)四氟板水平投影面積較小時(shí)，荷載比較集中，會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，這會(huì)對(duì)聚四氟乙烯板產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致破壞，使支座失去轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)的功能，失去傳遞荷載作用。相反，投影面積較大時(shí)，荷載就會(huì)相對(duì)分散，產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)變小，有利于支座正常工作。所以，在球型支座的生產(chǎn)制造過(guò)程中，考慮成本的情況，在允許范圍內(nèi)可以盡量增加四氟板的水平投影面積。

3 墩臺(tái)受力情況及其混凝土性能對(duì)支座影響

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

圖7 混凝土墩臺(tái)第一主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖8 混凝土墩臺(tái)頂面拉應(yīng)力分布曲線

圖9 混凝土墩臺(tái)中心豎直截面拉應(yīng)力分布曲線

按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，普通混凝土劃分為十四個(gè)等級(jí)，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(tái)混凝土中設(shè)置網(wǎng)狀鋼筋，相當(dāng)于混凝土彈性模量增大。于是通過(guò)有限元軟件ANSYS計(jì)算分析墩臺(tái)混凝土彈性模量由2.5×104MPa增大到4.1×104MPa時(shí)，支座各部件應(yīng)力變化情況，結(jié)果如表3所示。

表3 墩臺(tái)混凝土彈性模量與支座部件的最大等效應(yīng)力MPa

從表3可以看出，隨著墩臺(tái)混凝土彈性模量的增大，支座各部件的最大復(fù)合應(yīng)力隨之減小，當(dāng)混凝土彈性模量從2.5×104MPa增大到4.1×104MPa時(shí)，支座各部件最大復(fù)合應(yīng)力減小10%～25%。從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土彈性模量的增大，混凝土墩臺(tái)上的拉應(yīng)力也會(huì)隨著增大，增大的幅度比較小;因?yàn)榛炷恋燃?jí)越高，其抗拉強(qiáng)度也越大，所以不會(huì)對(duì)墩臺(tái)產(chǎn)生不利影響。因此在實(shí)際工程中，為了減小支座應(yīng)力，在允許范圍內(nèi)，可以盡量增大混凝土的彈性模量，一般情況下，墩臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C40。

4 結(jié)論

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

2)通過(guò)研究，當(dāng)四氟板水平投影面積變化時(shí)，支座各部件受載情況發(fā)生明顯變化，對(duì)于此次研究規(guī)格的球型支座，當(dāng)四氟板投影面半徑增大0.1R，支座各部件應(yīng)力減小10%～20%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增加四氟板的面積。

3)墩臺(tái)混凝土的彈性模量對(duì)支座應(yīng)力有一定影響，當(dāng)混凝土彈性模量從2.5×104MPa增大到4.1×104MPa時(shí)，支座各部件最大復(fù)合應(yīng)力減小10% ～25%;同時(shí)，混凝土墩臺(tái)拉應(yīng)力也會(huì)有所增加，增加幅度較小，不會(huì)對(duì)墩臺(tái)造成不利影響。所以實(shí)際工程中，可以適當(dāng)提高混凝土的彈性模量。

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