球型支座与上下部结构之间特性研究

2012-11-27王少华严情木

铁道建筑 2012年3期

何维，王少华，严情木

(西南交通大学机械工程研究所，四川成都 610031)

随着桥梁建设事业的发展，大跨度桥梁不断涌现，对桥梁支座的承载能力、位移和转角能力的要求不断提高，需要开发和研究与之相适应的各种新型桥梁支座。球型支座属于钢支座的一种，20世纪70年代在国外发展起来，具有承载能力大，转动灵活，不存在橡胶老化问题，使用寿命长等特点，能够适应曲线桥、宽桥以及坡道上桥梁支座的需要。球型支座不仅应用在桥梁方面，在综合体育馆、会展中心等大型建筑上也得到广泛应用，因此，有必要对球型支座进行研究。经过必要的模型简化处理，采用非线性接触有限元分析方法，计算支座在垂直荷载作用下应力与变形，对支座与混凝土墩台进行一系列分析，研究其中规律，对以后球型支座的理论研究、试验以及在实际桥梁工程中应用，提供一定参考依据。

1 支座结构介绍

球型支座一般由上支座板(含不锈钢板)、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板和防尘结构以及辅助部件(如转动套等)组成。双向活动球型支座结构如图1所示。

图1 双向活动球型支座结构示意

2 有限元模型的简化与建立

2.1 有限元模型简化

球型支座有限元分析主要研究支座关键结构，如图1所示结构，不考虑防尘结构以及辅助部件。为了更全面研究工作状态下的球型支座，在支座模型中加入混凝土桥跨与墩台结构，使分析结果更加准确，更加贴近实际。

2.2 有限元模型建立

根据球型支座结构和传力特点，支座在传递竖向荷载时，主要按照聚四氟乙烯板面积扩展进行传递，所以支座在向下传递竖向荷载时，其分布具有对称性。根据支座结构传力的对称性和支座结构的对称性，可以采用平面轴对称模型进行有限元建模和计算，单元选择Plane82。支座结构材料参数如表1所示。支座承载形式为竖向承压，荷载大小为10 MN，钢结构与聚四氟乙烯，以及钢结构与混凝土结构之间均采用接触单元连接，进行非线性接触分析。建立有限元模型如图2所示。

表1 支座结构材料参数

图2 桥跨、支座以及墩台有限元模型

支座结构尺寸以及墩台模型尺寸，在相关文献中都有规定，混凝土桥跨结构尺寸在有限元分析中没有相关要求。但混凝土桥跨结构梁体厚度，对支座有限元分析的结果有重要的影响，合理的混凝土桥跨梁体厚度，直接关系到模型准确建立，于是以支座高度 H为参照，分析厚度为 0，1H，2H，3H，4H，10H 的混凝土桥跨梁体模型，0和10H是模拟没有桥跨梁体和梁体厚度很大时两种极限模型，通过分析从而确定合理的桥跨梁体厚度，有限元Ansys计算结果如表2所示，支座主要结构最大等效应力随桥跨梁体厚度变化趋势如图3和图4所示。

表2 不同混凝土桥跨梁体厚度对支座性能影响

图3 四氟板和球冠衬板应力变化趋势

图4 上下支座板应力变化趋势

从表2中数据可以看出，在没有建立桥面结构模型的时候，球冠衬板、下支座板等效应力都很接近铸钢许用应力上限，上支座板、平面和球面聚四氟乙烯板的等效应力远远超过了所用材料的许用应力，这说明这种模型存在问题，不能采用。在2H，3H，4H，10H模型下，有限元分析结果，各部件的等效应力都在所用材料许用应力范围内，是合理的模型。从图3和图4可以看出，随着桥跨梁体厚度的增大，各结构等效应力相应减小，在3H以上时，等效应力减小趋势变得很平缓;虽然桥跨梁体厚度增大会改善支座应力及变形情况，同时也增加有限元计算的规模，降低计算效率，所以综合各个因素，选取桥跨梁体厚度为3倍支座高度，既可以满足计算精度的要求，又可以提高计算的效率。

3 有限元计算结果分析

3.1 支座受垂直荷载有限元计算结果分析

图5为垂直荷载作用下支座等效应力云图，图6是垂直荷载作用下支座Y方向位移等效应力云图。由于桥跨结构不是研究对象，只是为了使有限元分析结果更加准确和贴合实际才加进去的，所以在显示应力和位移云图时，不显示桥跨结构的应力与变形情况;支座承受垂直荷载作用时，由球型支座的传力特点，下支座板发生锅底状变形，中间竖向压缩，边缘向上发生翘曲，在发生翘曲的根部产生很大的拉应力，所以等效应力也很大;上支座板由于边缘悬空没有支承，垂直荷载作用下，发生较大的下挠，产生很大的拉应力，较之于下支座板的拉应力更大，所以支座最大等效应力发生在这里;墩台中间部分发生弹性压缩，中间混凝土发生下沉较多，支座边缘下的混凝土，由于上面结构向上翘曲，所以下沉很少，在两者连接部分的混凝土产生拉应力较大，这些都与实际情况相符。

图5 垂直荷载下支座等效应力云图(单位:MPa)

图6 垂直荷载下支座Y方向位移等效应力云图(单位:MPa)

3.2 下支座板与墩台之间摩擦系数对支座性能影响

混凝土墩台与下支座板之间摩擦系数是由铸钢和墩台表面情况决定的，在墩台表面粗糙度一定的情况下，摩擦系数则随着铸钢表面的粗糙程度的增大而增大，支座使用时间越长，其表面锈蚀情况越严重，粗糙度随之增大。参考文献资料，混凝土与铸钢之间的摩擦系数取值范围为0.2～0.6。为了系统地研究下支座板与墩台之间摩擦系数对支座的影响，分析摩擦系数变化范围为0～0.6。分析结果显示，随着摩擦系数的增加，支座各部件的应力都随之减小，下支座板等效应力和墩台拉应力减小幅度相对较大，下支座板最大等效应力及墩台最大拉应力变化具体趋势见图7和图8。从图7和图8可以看出，两种最大应力变化趋势基本都一致，摩擦系数较小的阶段，曲线斜率较大，说明下降很快;随着摩擦系数的增加，变化趋势逐渐变得平缓;墩台与支座摩擦系数在0.3以下时，墩台混凝土拉应力都在3.0 MPa以上，超过了一般混凝土许用拉应力上限，会拉裂混凝土墩台，造成破坏，所以下支座板与墩台之间摩擦系数取值最好在0.4左右;在实际工程应用当中，为了提高结构的安全性，可以尽可能增加两者之间的摩擦系数。

图7 下支座板最大等效应力变化曲线

图8 墩台混凝土最大拉应力变化曲线

3.3试验工况与实际工况对比研究

试验工况是用有限元软件Ansys模拟支座在试验机试验条件下的受荷情况。与实际工况不同之处在于:首先，支座上下所承接结构的材料不同，前者是钢，后者是混凝土，其弹性模量和泊松比都有很大的差异，其次，钢与钢之间的摩擦系数也不同于钢与混凝土之间的摩擦系数。为了研究这两种工况之间的差异，通过有限元计算，其结果如表3所示。

表3 试验工况与实际工况支座受荷情况对比

从表3中可以看出，上支座板边缘挠度试验工况比实际情况小50%左右，这是由于钢的刚度大，荷载作用下，变形较小，由变形协调可知，在这种情况下上支座板变形小。同理，由于试验机钢结构较之于混凝土结构，荷载作用下，变形要小，所以支座其它部件，在试验条件下，变形也会较小，最大等效应力都相差20%以上。综上所述，试验条件下，所得到的应力和变形结果，都趋于安全，但实际情况并非如此乐观，两者之间有一定差距，所以，对试验结果要合理、准确地采用。