何 維，王少華，嚴(yán)情木

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程研究所，四川 成都 610031)

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大跨度橋梁不斷涌現(xiàn)，對橋梁支座的承載能力、位移和轉(zhuǎn)角能力的要求不斷提高，需要開發(fā)和研究與之相適應(yīng)的各種新型橋梁支座。球型支座屬于鋼支座的一種，20世紀(jì)70年代在國外發(fā)展起來，具有承載能力大，轉(zhuǎn)動靈活，不存在橡膠老化問題，使用壽命長等特點，能夠適應(yīng)曲線橋、寬橋以及坡道上橋梁支座的需要。球型支座不僅應(yīng)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(yīng)用，因此，有必要對球型支座進(jìn)行研究。經(jīng)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(yīng)力與變形，對支座與混凝土墩臺進(jìn)行一系列分析，研究其中規(guī)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(yīng)用，提供一定參考依據(jù)。

1 支座結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以及輔助部件(如轉(zhuǎn)動套等)組成。雙向活動球型支座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙向活動球型支座結(jié)構(gòu)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如圖1所示結(jié)構(gòu)，不考慮防塵結(jié)構(gòu)以及輔助部件。為了更全面研究工作狀態(tài)下的球型支座，在支座模型中加入混凝土橋跨與墩臺結(jié)構(gòu)，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，更加貼近實際。

2.2 有限元模型建立

根據(jù)球型支座結(jié)構(gòu)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(kuò)展進(jìn)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(jù)支座結(jié)構(gòu)傳力的對稱性和支座結(jié)構(gòu)的對稱性，可以采用平面軸對稱模型進(jìn)行有限元建模和計算，單元選擇Plane82。支座結(jié)構(gòu)材料參數(shù)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(jié)構(gòu)與聚四氟乙烯，以及鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)之間均采用接觸單元連接，進(jìn)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(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖2 橋跨、支座以及墩臺有限元模型

支座結(jié)構(gòu)尺寸以及墩臺模型尺寸，在相關(guān)文獻(xiàn)中都有規(guī)定，混凝土橋跨結(jié)構(gòu)尺寸在有限元分析中沒有相關(guān)要求。但混凝土橋跨結(jié)構(gòu)梁體厚度，對支座有限元分析的結(jié)果有重要的影響，合理的混凝土橋跨梁體厚度，直接關(guān)系到模型準(zhǔn)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(jié)果如表2所示，支座主要結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)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(yīng)力變化趨勢

圖4 上下支座板應(yīng)力變化趨勢

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，在沒有建立橋面結(jié)構(gòu)模型的時候，球冠襯板、下支座板等效應(yīng)力都很接近鑄鋼許用應(yīng)力上限，上支座板、平面和球面聚四氟乙烯板的等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所用材料的許用應(yīng)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(jié)果，各部件的等效應(yīng)力都在所用材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)等效應(yīng)力相應(yīng)減小，在3H以上時，等效應(yīng)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(yīng)力及變形情況，同時也增加有限元計算的規(guī)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(jié)果分析

3.1 支座受垂直荷載有限元計算結(jié)果分析

圖5為垂直荷載作用下支座等效應(yīng)力云圖，圖6是垂直荷載作用下支座Y方向位移等效應(yīng)力云圖。由于橋跨結(jié)構(gòu)不是研究對象，只是為了使有限元分析結(jié)果更加準(zhǔn)確和貼合實際才加進(jìn)去的，所以在顯示應(yīng)力和位移云圖時，不顯示橋跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(fā)生鍋底狀變形，中間豎向壓縮，邊緣向上發(fā)生翹曲，在發(fā)生翹曲的根部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，所以等效應(yīng)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(fā)生較大的下?lián)希a(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，較之于下支座板的拉應(yīng)力更大，所以支座最大等效應(yīng)力發(fā)生在這里;墩臺中間部分發(fā)生彈性壓縮，中間混凝土發(fā)生下沉較多，支座邊緣下的混凝土，由于上面結(jié)構(gòu)向上翹曲，所以下沉很少，在兩者連接部分的混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)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(yīng)力云圖(單位:MPa)

圖6 垂直荷載下支座Y方向位移等效應(yīng)力云圖(單位:MPa)

3.2 下支座板與墩臺之間摩擦系數(shù)對支座性能影響

混凝土墩臺與下支座板之間摩擦系數(shù)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(shù)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(yán)重，粗糙度隨之增大。參考文獻(xiàn)資料，混凝土與鑄鋼之間的摩擦系數(shù)取值范圍為0.2～0.6。為了系統(tǒng)地研究下支座板與墩臺之間摩擦系數(shù)對支座的影響，分析摩擦系數(shù)變化范圍為0～0.6。分析結(jié)果顯示，隨著摩擦系數(shù)的增加，支座各部件的應(yīng)力都隨之減小，下支座板等效應(yīng)力和墩臺拉應(yīng)力減小幅度相對較大，下支座板最大等效應(yīng)力及墩臺最大拉應(yīng)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(yīng)力變化趨勢基本都一致，摩擦系數(shù)較小的階段，曲線斜率較大，說明下降很快;隨著摩擦系數(shù)的增加，變化趨勢逐漸變得平緩;墩臺與支座摩擦系數(shù)在0.3以下時，墩臺混凝土拉應(yīng)力都在3.0 MPa以上，超過了一般混凝土許用拉應(yīng)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(shù)取值最好在0.4左右;在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，為了提高結(jié)構(gòu)的安全性，可以盡可能增加兩者之間的摩擦系數(shù)。

圖7 下支座板最大等效應(yīng)力變化曲線

圖8 墩臺混凝土最大拉應(yīng)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(jī)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(jié)構(gòu)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(shù)也不同于鋼與混凝土之間的摩擦系數(shù)。為了研究這兩種工況之間的差異，通過有限元計算，其結(jié)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(xié)調(diào)可知，在這種情況下上支座板變形小。同理，由于試驗機(jī)鋼結(jié)構(gòu)較之于混凝土結(jié)構(gòu)，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(yīng)力都相差20%以上。綜上所述，試驗條件下，所得到的應(yīng)力和變形結(jié)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(jié)果要合理、準(zhǔn)確地采用。

4 結(jié)論

1)將非線性接觸分析應(yīng)用到球型支座分析計算中，另外加入橋跨結(jié)構(gòu)，使有限元計算結(jié)果更加準(zhǔn)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(zhǔn)確建立有限元模型提供基礎(chǔ)。

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

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

［1］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).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(jié)構(gòu)工程中接觸問題的數(shù)值計算方法［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)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.

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