摘要：橋梁支座的力學(xué)性能和可靠性對(duì)橋梁的正常承載和安全性有重要的影響。盆式橡膠支座的關(guān)鍵受力部件為橡膠板和盆環(huán)，球型支座的關(guān)鍵受力部件為球冠襯板和球面四氟板。從工程設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，針對(duì)盆式橡膠支座，采用數(shù)值的方法，著重研究了盆環(huán)受力特性，將盆環(huán)受力的數(shù)值結(jié)果與工程設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者吻合度非常理想；對(duì)于球型支座，同樣采用數(shù)值方法分析了其在不同荷載作用下的應(yīng)力分布特點(diǎn)，找出了受力結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)。

關(guān)鍵詞：盆式橡膠支座" 球型支座" 數(shù)值分析" 盆環(huán)" 球冠襯板

Numerical Study on the Main Mechanical Stress Characteristics of Large Tonnage Bridge Bearings

WAN" Jun

Yingtan Engineering Machinery Section of China Railway Nanchang Bureau Group Co.， Ltd.， Yingtan， Jiangxi Province， 335000 China

Abstract： The mechanical performance and reliability of bridge bearings have an important impact on the normal load-bearing capacity and safety of bridges. For pot-type rubber bearings， the key load-bearing components are rubber plates and pot rings. For ball-type bearings， the key load-bearing components are spherical crown lining plates and spherical PTFE plates. From the perspective of engineering design requirements， this article focuses on studying the stress characteristics of the pot ring for pot-type rubber bearings using numerical methods. The numerical results of the stress on the pot ring are compared and analyzed with the results of engineering design verification， and it is found that the fit between the two is very ideal; For ball-type bearings， numerical methods were also used to analyze their stress distribution characteristics under different loads， and the high stress zone of the stressed structure was identified.

Key Words： Pot-type rubber bearings; Ball-type support; Numerical analysis; Pot ring; Crown lining plate

橋梁支座是橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)部件。其中，盆式橡膠支座有質(zhì)輕、有效高度低、易制造、節(jié)材、造價(jià)低等特點(diǎn)，并且具有承載能力強(qiáng)、容許支座位移量大、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，因此，其特別適宜在大跨徑橋梁上使用。球型支座是在盆式橡膠支座的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種支座形式，與其它支座相比，其容許轉(zhuǎn)角更大，且不存在橡膠老化問(wèn)題，因此，其特別適用于低溫地區(qū)，以及寬橋、曲線橋、坡道橋和斜橋等復(fù)雜橋梁。

王宏謀[1]通過(guò)橡膠材料的有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，得到橡膠合理的計(jì)算泊松比。劉岳兵等人[2]運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件開(kāi)展研究，提出了盆式橡膠支座主要結(jié)構(gòu)尺寸的合理選取范圍。劉沛[3]通過(guò)3D盆式橡膠支座模型數(shù)值模擬，優(yōu)化了盆式橡膠支座的幾何尺寸。邱仕義[4]利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元仿真模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與理論公式擬合較好。楊靜等人[5]解決了橡膠支座豎向與水平兩種荷載耦合作用時(shí)大剪切變形的幾何非線性問(wèn)題。吳迪等人[6]利用有限元方法通過(guò)豎向單調(diào)加載的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)約束橡膠支座具有更低的豎向剛度和更高的豎向承載力。汪奇翰等人 [7]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有計(jì)算公式進(jìn)行評(píng)估，重點(diǎn)研究了支座的水平與豎向剛度的壓應(yīng)力相關(guān)性。王錦[8]研究了球型支座主要受力部件接觸面的參數(shù)特性，為開(kāi)展有限元分析和設(shè)計(jì)提供參考。李軍[9]對(duì)超大噸位球型支座進(jìn)行了有限元分析研究，為支座的設(shè)計(jì)和制作提供了新思路。桂長(zhǎng)忍等人[10]等對(duì)服役十余年的球型支座進(jìn)行了震后性能研究，提出進(jìn)一步改善支座的抗風(fēng)沙能力有助于提高其使用壽命。

1 工程實(shí)用案例

滬昆線樟樹(shù)贛江特大橋（K832+666）因原有支座劣化嚴(yán)重需要更換，新更換的支座擬采用盆式橡膠支座和球形支座，本文現(xiàn)將這兩種支座分別進(jìn)行受力分析研究。

對(duì)于盆式橡膠支座，其豎向承載力設(shè)計(jì)值P1為3 000 kN，橫向承載力設(shè)計(jì)值P2為豎向力的10%，鋼盆材質(zhì)為ZG270-500，其抗拉強(qiáng)度f(wàn)u≥500 N/mm2，屈服強(qiáng)度f(wàn)y≥270 N/mm2，鋼盆內(nèi)的承壓橡膠板采用天然橡膠，硬度IRHD為60。

對(duì)于球型支座，其豎向承載力設(shè)計(jì)值P1為3 000 kN，橫向承載力設(shè)計(jì)值P2為豎向力的15%，支座鋼件部位也采用ZG270-500。

2 盆式橡膠支座

2.1鋼盆設(shè)計(jì)計(jì)算

取盆環(huán)內(nèi)徑D1=360 mm，盆環(huán)外徑D2=450 mm，橡膠板厚度t=24 mm，盆環(huán)高度h=35 mm。

由豎向設(shè)計(jì)荷載P1產(chǎn)生的盆環(huán)拉力計(jì)算公式[11-12]如下。

盆環(huán)拉應(yīng)力驗(yàn)算公式如下。

盆環(huán)剪應(yīng)力驗(yàn)算公式如下。。

從式（2）和式（3）的驗(yàn)算結(jié)果可以看出，盆環(huán)所受的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)要求，因此，盆環(huán)尺寸選用符合要求。

2.2 數(shù)值模型

橡膠板采用Mooney -Rivlin模型[1，3，6]，取C10=0.4、C01=0.1，泊松比v=0.4998，鋼盆采用雙線性彈塑性模型，彈性模量取205 GPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度取270 MPa。橡膠板直徑360 mm，厚度24 mm，鋼盆外徑450 mm，內(nèi)徑360 mm，盆環(huán)高度35 mm，盆底厚度15 mm。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 環(huán)向應(yīng)力

從式（2）中可以看出，盆環(huán)的拉應(yīng)力由橫向荷載與豎向荷載共同作用產(chǎn)生，二者作用為線性疊加狀態(tài)，且未考慮鋼盆底部對(duì)盆環(huán)受力的影響。豎向荷載產(chǎn)生的盆環(huán)截面上各單元的拉應(yīng)力σθ分布如圖2所示。

橫向荷載產(chǎn)生的盆環(huán)截面上各單元的拉應(yīng)力σθ分布如圖3所示。

從圖2和圖3中可以得到，橫向荷載與豎向荷載共同作用產(chǎn)生的盆環(huán)疊加應(yīng)力為79.7 MPa+95.1 MPa=174.8 MPa，與式（2）的計(jì)算結(jié)果σθ=176 MPa非常吻合。

2.3.2 剪應(yīng)力

從式（3）中可以看出，盆環(huán)底部的剪應(yīng)力由1.5倍橫向荷載與豎向荷載共同作用產(chǎn)生，二者作用為線性疊加狀態(tài)。豎向荷載產(chǎn)生的盆環(huán)與盆底交界處各單元剪應(yīng)力分布如圖4所示。

1.5倍橫向荷載產(chǎn)生的盆環(huán)與盆底交界處各單元剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

從圖4和圖5中可以得到，橫向荷載與豎向荷載單獨(dú)作用產(chǎn)生的盆環(huán)底部疊加剪應(yīng)力為5.0 MPa+13.9 MPa= 18.9 MPa，略小于式（3）的計(jì)算結(jié)果τ=21.75 MPa。

3 球形支座

球型支座由上支座板（含不銹鋼板）、球冠襯板、下支座板、平面四氟板、球面四氟板和防塵結(jié)構(gòu)等組成，其核心受力部件如圖6所示。

3.1 數(shù)值模型

對(duì)球冠襯板、球面四氟板和下支座板建立數(shù)值分析模型，主要尺寸如圖6所示。球冠襯板和下支座板均為鋼制材料，采用彈塑性材料模型，彈性模量取210 GPa，泊松比取為0.3；球面四氟板材料彈性模量取850 MPa，泊松比取0.45。下支座板底部采用全約束邊界，建立分析模型。

3.2 分析結(jié)果

圖7顯示的是模型的豎向變形云圖。從圖上可以看出，最大變形量小于0.4 mm，模型總高度77 mm，滿足支座的豎向壓縮變形不應(yīng)大于制作總高度的1%的要求[13]。

圖8顯示的是模型的等效應(yīng)力分布云圖。從圖上可以看出，應(yīng)力最大區(qū)偏向一側(cè)，而對(duì)于球冠襯板，在另一側(cè)還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小范圍的高應(yīng)力集中區(qū)。模型中，鋼件部分的最大等效應(yīng)力約為211.10 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足要求。

4. 結(jié)論

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)盆式橡膠支座和球型支座進(jìn)行數(shù)值受力分析，得出如下結(jié)論。

（1） 盆式橡膠支座中橡膠板和鋼盆的設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理。

（2） 對(duì)于盆環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，模擬結(jié)果與工程設(shè)計(jì)計(jì)算的驗(yàn)算值比較一致。

（3） 對(duì)于球型支座，其球面四氟板比球冠襯板和下支座板所承受的應(yīng)力水平要低。

（4） 對(duì)于球型支座，橫向應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致模型鋼件部分的應(yīng)力最大區(qū)域在模型兩側(cè)，而不是在鋼件的中心區(qū)域。

（5） 數(shù)值方法能夠反映出受力結(jié)構(gòu)截面上不同位置的應(yīng)力分布情況，而工程設(shè)計(jì)計(jì)算的驗(yàn)算值只是截面應(yīng)力的平均值，因此，數(shù)值方法的能夠刻畫(huà)出截面應(yīng)力分布的非均勻性。

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