板式橡胶支座转角对支座受力影响的仿真分析

田建德, 刘保权, 马美琴

（衡水橡胶股份有限公司, 河北 衡水 053000）

板式橡胶支座转角对支座受力影响的仿真分析

田建德, 刘保权, 马美琴

（衡水橡胶股份有限公司, 河北 衡水 053000）

针对板式橡胶支座，在不同的转动角度下对其进行有限元分析。研究发现：随着转动角度的增加，板式橡胶支座的橡胶及加劲钢板的局部应力急剧升高，进而对支座的使用寿命产生一定的影响。

板式橡胶支座；转角；有限元分析；应力

0 前 言

板式橡胶支座是由多层橡胶与薄钢板镶嵌、粘合、硫化而成的一种桥梁支座产品[1]。该类型的橡胶支座须具有足够的竖向刚度以承受

垂直荷载,且能将上部构造的压力可靠地传递给墩台；须具有良好的弹性以适应梁端的转动；须具有较大的剪切变形以满足上部构造的水平位移。其具有构造简单、加工便捷、用钢量少、成本低廉、安装方便等优点。但在近些年的使用实践中发现∶由于安装不当等原因,导致板式橡胶支座安装过程中存在一定的转角,从而诱发受力不当的情况,出现了橡胶早期局部裂纹的现象。橡胶局部裂纹产生的原因归根到底是由于橡胶的局部裂纹点的应力超过了橡胶材料本身所能承受的极限,直接导致了破坏。本文通过对橡胶支座的正常及非正常使用状态的角度,通过有限元分析[2-3],分析板式橡胶支座的受力变化和位置移动,对支座的正确安装有一定的指导作用。

1 有限元分析模型的建立

1.1 结构模型的建立

本次分析以JT/T 663—2006《公路桥梁板式橡胶支座规格 系列》中的GYZ 200×35（NR）为例,其直径为200 mm,厚度为35 mm,单层胶厚度5 mm；加劲钢板直径190 mm,厚度2 mm；支座形状系数9.5。其许用转角为0.005 1 rad。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 ABAQUS软件

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟类有限元软件,与ANSYS和SPA2000等软件相比, ABAQUS具有更加丰富的单元库,尤其对高度非线性问题的求解,用户仅需提供结构的几何形状、材料属性、接触关系和荷载工况等数据。在非线性分析中,ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛准则,并在分析过程中不断调整这些数值,较适合用来分析板式橡胶支座的受力情况。

1.2.2 模型材料属性

根据板式橡胶支座的实体尺寸进行有限元分析建模,橡胶件的计算涉及多个学科方面的理论知识,其力学行为对温度、环境、应变历程、加载速率的影响都非常复杂,本次分析在标准的使用条件下进行。橡胶材料选用Mooney-Rivlin本构模型,材料属性如表1、表2所示。

表1 橡胶材料Mooney-Rivlin模型常数

表2 钢板材料属性

1.2.3 边界条件及内部接触设置

为了准确模拟支座的支撑边界,在支座上、下底面各建立了直径220 mm、厚20 mm的刚体,在上部刚体参考点RP-1上施加竖向荷载和转角,完全固定约束下刚体参考点RP-2（如图1所示）。

图1 边界条件设置图

本模型由多个部件组成,加劲钢板与橡胶采用“绑定”的约束方式,刚体与橡胶间的接触面法向方向设置成“硬接触”,其含义为∶接触面之间能够传递接触压力的大小不受限制；切向方向设置为“粗糙”接触,不会产生滑移。1.2.4 网格划分

ABAQUS中几何模型的建立采用特征建模的方式,由于橡胶变形较大,因而需要划分较密的网格,同时,细化大变形处部件的网格也是解决收敛问题的一个有效的方法。网格划分如图2所示。

图2 橡胶的有限元网格划分

2 有限元模型的分析结果

板式支座在使用中主要受到以下几种力的作用∶梁体的竖向载荷；梁体位移时的水平载荷；梁体的转动。JT/T 4—2004 《公路桥梁板式橡胶支座》标准规定∶对于板式橡胶支座整体而言,竖向载荷产生的应力小于10 MPa,剪切位移小于支座厚度的70%,转角一般小于0.01 rad。

在实际工程安装使用中,竖向载荷及水平位移一般都在使用范围内。但施工过程中由于支撑垫石的不水平、梁体底面的不水平,在安装过程中,梁体底面与支座垫石平面形成了一定的夹角,安装支座后使得支座产生了人为的初始转角,而这种初始夹角往往超出了支座的许用转角。本次分析主要从这种人为产生的初始转角人手,针对板式橡胶支座在标准许用应力状态下,转角在0、0.005 1、0.020 0、0.030 0 rad的情况下,对钢板和橡胶的应力状态进行分析（图3～图5）。

由图3可以看出∶在转角为零时,橡胶层的局部最大应力出现在支座外缘钢板层中心点处,此时钢板和橡胶的等效应力最小。

由图4可以看出∶在转角为0.005 1 rad时,橡胶层的局部最大应力出现在支座外缘钢板层中心与转动法线交叉处,钢板层的最大应力点偏离了钢板的中心位置,此时支座没有局部脱空现象产生。

由图5可以看出∶在转角为0.020 0 rad时,橡胶层的局部最大应力出现在支座外缘钢板层中心与转动法线交叉处,钢板层的最大应力点更加偏离了钢板的中心位置,此时支座出现了局部脱空现象,脱空间隙达2.089 mm（见图6）。

图3 转角为0时的橡胶与钢板层等效应力图

图4 转角为0.005 1 rad时的橡胶与钢板层等效应力图

图5 转角为0.020 0 rad时的橡胶与钢板层等效应力图

由图7可以看出∶在转角为0.030 0 rad时,橡胶层的局部最大应力仍出现在支座外缘钢板层中心与转动法线交叉处。钢板层的最大应力点转移到钢板的中心位置,成长条形布置。此时钢板和橡胶的等效应力最大,支座出现了严重的局部脱空现象,脱空间隙达3.480 mm。不同转角对支座受力影响的具体数据详见表3。

由表3可见∶随着支座所受转角的角度增大,支座内部橡胶与钢板的内应力增大。当转角为0.020 0 rad时,橡胶部分承受的压应力为9.196 MPa,接近支座的设计极限应力10.000 MPa。随着转角的增大,支座与梁体之间出现了局部脱空。当支座与梁体之间出现脱空现象,也就是支座中的局部承担着所有的载荷,局部点的应力接近或者超过了支座设计时极限应力,加速了橡胶部分的老化,外观表现为支座的橡胶部分产生裂纹。

图6 支座的脱空位置图

表3 不同转角对支座的受力影响

3 结 论

有限元分析表明∶板式橡胶支座在同等的竖向载荷下,随着转角的加大,橡胶和钢板的局部应力急剧升高。在支座仅发生0.030 0 rad转角时,对支座内的橡胶或者钢板产生的局部应力升高了8.8倍,支座已经产生严重的应力集中现象。支座橡胶部分在这种高应力状态下随着时间的推移,在热老化、氧老化、交变载荷（动载）的综合作用下产生了局部破坏,进而产生裂纹。因此应采取措施尽量减少支座安装初期因人为因素造成的转角。

图7 转角为0.030 0 rad时的橡胶与钢板层等效应力图

参考文献：

[1] 庄军生. 桥梁支座(第三版)[M].北京: 中国铁道出版社, 2008:20-50.

[2] 晏红文,田红旗,黄友剑,陈灿辉,杨军. 有限元法在机车车辆橡胶元件设计中的应用[J]. 机车电传动, 2007(06) :33-37.

[3] 高剑虹. 减振橡胶支座的非线性有限元分析[D]. 福州:福州大学, 2006.

[责任编辑：朱 胤]

Simulation Analysis on the Inf uence of Turn Angle on the Plate Rubber Bearing

Tian Jiande, Liu Baoquan, Ma Meiqin
(Hengshui Rubber Co.,Ltd., Hengshui 053000, China)

The f nite element analysis of plate rubber bearing under different rotation angles was introduced. The result shows that with the increase of the plate rubber bearing’s turn angle, the local stress of the rubber and stiffening steel plates increases sharply, and then makes effect on the service life of the rubber bearings.

Plate Rubber Bearing; Turn Angle; Finite Element Analysis; Stress

TQ 336.4+3

B

1671-8232(2015)07-0044-05

2015-05-19