环形弹簧在桥梁支座中的应用研究

2023-10-09张晓武梁文伟顾海龙

山西建筑 2023年20期

张晓武，梁文伟，顾海龙，高健

(中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司,河南洛阳 471000)

0 引言

环形弹簧是由多个带有内锥面的外圆环和带有外锥面的内圆环配合组成的一种压缩型弹簧构件[1](见图1)。由于其良好的弹性、耗能能力以及大承载能力,同时其结构相对紧凑,因此,环形弹簧常被用在轴向承载大、需强缓冲耗能且空间受限的场合[2],比如土木建筑领域的消能减振(震),枪炮的后座缓冲等[3]。

1 环形弹簧特性曲线分析和适应工况研究

针对一特定的工况(环形弹簧外环外径最大为500 mm,弹簧设计轴向载荷为3 300 kN,弹簧设计轴向变形量1.72 mm),根据《弹簧手册》[4]设计并推导出该环形弹簧的加卸载曲线和不同预压荷载下的滞回曲线,如图2所示。

由环形弹簧在不同预压荷载下的滞回曲线可以看出:

1)不同预压荷载下的滞回曲线均包络在加卸载曲线中。

2)滞回曲线所围成的面积(见表1),随着预压荷载的增大,包围面积线性增大,也即环形弹簧的耗能能力线性增大。因此,在采用环形弹簧进行减振(震)耗能时,在一定范围内可以尽可能使预压荷载增大。

表1 环形弹簧的滞回曲线包围的面积

区别于纯线性弹簧,由环形弹簧特性曲线分析,可得到以下三种其适用工况:

1)环形弹簧在零预压荷载状态下,当轴向外力能完全卸载时(即轴向外力为瞬时力),比如:风荷载、地震荷载、撞击荷载,列车行车振动荷载等。环形弹簧特性线为完整的加-卸载曲线。此时,环形弹簧既能起到弹性作用,也能够起到强缓冲和耗能的作用。

2)环形弹簧在有预压荷载的状态下,当预压荷载值较大(F预压≥FR),FR为环形弹簧在零预压荷载作用下卸载曲线拐点处对应的荷载值,此时无论活载值取值多少,环形特性线都只能在特性线的刚度极大段范围内振荡,此时环形弹簧失去弹性作用,不能起到耗能与缓冲作用。

3)环形弹簧在有预压荷载的状态下,当预压荷载值较小(F预压

2 环形弹簧在桥梁支座中的应用

当列车行车过程中,由于轮轨相互作用产生的振动属于瞬时力,依据相关隔振理论的研究,为了降低列车运行产生的振动传递到桥墩进而扩散到周围环境,从而造成环境振动污染,可通过在振动的传播路径上加入弹性耗能装置以达到隔离、消减振动的目的。

列车产生的激振整体传播路径为,轮轨、梁体、支座、桥墩、基础、周围环境。因此,可通过在支座处串联一弹性耗能装置从而隔离、消减振动的传播。上述方法其核心是降低支座的固有频率,也即是降低支座的竖向刚度,同时增加支座的耗能能力。根据小节2中关于环形弹簧的适用工况分析,可采用环形弹簧与桥梁支座串联的方式来实现减隔振(震)功能。

2.1 支座总体结构设计

根据环形弹簧的减隔振(震)原理,在桥梁支座下座板下部串联两个厚壁型环形弹簧。厚壁型环形弹簧是在标准的环形弹簧的基础上,通过结构改进使其增加竖向承载能力,同时降低竖向高度。其功能原理为:当支座上部受到轴向振动荷载作用时,环形弹簧外圈水平向受力胀开,内圈水平向受力收缩,支座整体下降。当支座上部振动荷载卸载后,环形弹簧外环水平向收缩,内环水平向张开,支座整体升高。支座整体处于弹性状态同时由于内外环的摩擦而起到缓冲耗能作用。

具体结构形式和计算分析如下。

支座的总体结构见图3,标准环形弹簧结构见图4。

其中,D2为外圆环直径;D1为内圆环直径;H0为环簧受载前总高;H为环簧受载后总高;β为内圆环的圆锥角;δ0为环簧受载前两节外环初始间距;δ为环簧受载后两节外环间距;f为环簧受载前后高度差;F为环簧所受轴向荷载。

厚壁型环形弹簧,对比《弹簧手册》里标准的环形弹簧设计方法,主要改进措施如下:

1)只采用一对标准环簧的一半,减小其轴向尺寸,降低高度。

2)增大环簧的圆锥角β;增大环簧径向厚度,提高竖向承载力,增大刚度。

此外,在底盆设置凸台和环槽,凸台高度与环簧外环高度保持一致,考虑到环簧长期使用过程中可能疲劳失效,下坐板和底盆可直接接触,保证支座竖向承载能力,提高可靠性。此外凸台和环形弹簧侧面的间隙合理设置,对环形弹簧轴向变形起到导向作用。

2.2 支座仿真分析计算

还是以支座设计承载力为5 500 kN,设计轴向载荷3 300 kN,弹簧设计轴向变形量1.72 m为例,完成多层环簧式隔振支座结构设计,并进行了仿真计算。三维模型见图5。

2.2.1 刚度计算

通过对多层环簧式隔振支座的结构仿真分析,结果见图6—图11。

表2给出了多层环簧结构在竖向加载过程中的竖向变形情况,图12给出了其荷载-变形曲线,图12显示多层环形弹簧的竖向压缩组合刚度呈线性,为1 918.6 kN/mm。

表2 多层环形弹簧结构竖向加载变形情况

2.2.2 应力计算

通过应力计算,可得:内侧环形弹簧在恒载时的最大应力分别为:内环774 MPa,外环850 MPa(见图13,图14)。外侧环形弹簧最大应力分别为:内环482 MPa,外环499 MPa(见图15,图16)。按照通用弹簧材料60Si2MnA的屈服强度为1 375 MPa计算,安全系数分别达到1.8,1.6,2.8,2.7。具体计算表如表3所示。