球铰滑片间距对球铰受力影响分析

杨 康，郑朋飞，何平根，韩家山，路 畅

(中船双瑞(洛阳)特种装备股份有限公司,河南 洛阳 471000)

1 概述

转体球铰在桥梁建设中得到越来越多的应用,目前应用技术已日趋成熟[1-2]。转体球铰主要由上球铰、下球铰及非金属滑片等部分组成[3-4]。

非金属滑片主要起到传力和减小摩擦作用,滑片间距可能会对球铰受力产生影响,但相关研究较少。球铰不同球半径的大小同样可能会对球铰受力产生影响[5]。因此,为探究球半径对球铰受力产生的影响,本文对不同球半径的球铰受力情况进行对比研究分析。

本文以一座连续桥30 000 kN的转体球铰为例,结合转体项目实际情况对球铰进行三维建模并采用有限元计算的方法对球铰进行分析,分别建立了不同滑片间距和不同球半径球铰的三维模型,并通过有限元计算对比分析了球铰滑片间距和球半径对球铰受力的影响。

2 转体球铰静态受力特性影响分析

上、下球铰由球面面板、网格筋等组成,网格筋主要由内、外环筋和直筋相交而成[6-7]。销轴穿过上、下球铰,放置在销轴套筒中,可以抵抗球铰转动时的倾覆力矩(见图1)。

2.1 球铰仿真模型的构建

根据实际分析、计算的需要,球铰静态受力分析时,只考虑球铰竖向载荷,销轴不参与球铰传力[8-10]。根据有限元计算要求对球铰、混凝土承台建立三维模型[11](见图2),并进行两种模型的有限元计算对比具体方式如下:

1)保持球铰滑片数量不变的情况下改变球铰滑片的间距。

2)保持球铰滑片间距、球铰滑片数量不变的情况下,改变球铰的球半径的两种球铰建模方式分别建立5种模型。建模情况如表1所示。

表1 球铰建模参数

2.2 球铰的有限元结果分析

2.2.1 滑片应力分析

滑片应力分析见表2,表3,图3。

表2 球铰滑片不同间距滑片应力 MPa

表3 不同SR/D球铰滑片应力 MPa

从表2,表3及图3可知,虽然球铰滑片间距不同,但球铰滑片所受应力的分布特性相同。球铰滑片所受应力分布不均匀,外圈所受的应力与内圈所受应力相差较大,滑片所受应力从内圈到外圈沿半径方向增大。通过提取同一圈滑片上的应力,得到同一圈滑片上应力最大值和最小值相差在6%以内,因此球铰静态受力时相同半径上的球铰滑片受力大小基本相同。球铰滑片随间距减小,所受应力也在减小。由图3(c),图3(d)和图3(e)及表3对比分析可知,在球铰滑片间距相同时,球铰面板球半径的变化对球铰滑片受力影响相对较小。

2.2.2 滑片变形分析

滑片变形分析见表4,表5,图4。

表4 不同间距球铰滑片变形 mm

表5 不同SR/D球铰滑片变形 mm

从表4,表5及图4可知,靠近球铰中心的滑片相对变形量较小,靠近球铰外侧的滑片相对变形量较大。通过提取同圈球铰滑片的相对变形量,同圈上球铰滑片最小变形量与最大变形量相差4%以内。

2.2.3 上球铰应力分析

上球铰应力分析见表6,表7,图5。

表6 滑片不同间距的上球铰受力 MPa

表7 不同SR/D上球铰受力

从表6,表7及图5可知,靠近球铰中心位置的球铰面板所受的应力较小,离球铰中心位置较远球铰面板所受应力较大,上球铰的最大应力出现在球铰面板的外侧。球铰面板所受最大应力的位置对应球铰滑片最外圈,该圈上的球铰滑片受力最大。随着球铰滑片间距的减小,球铰面板所受最大的应力减小。从表7可知,球铰滑片的间距相同时,SR/D取值的不同对上球铰的受力影响稍小。

2.2.4 上球铰受力变形分析

上球铰受力变形分析见表8,表9,图6。

表8 滑片不同间距上球铰变形 mm

表9 不同SR/D上球铰变形 mm

从表8,表9及图6可知,靠近球铰中心位置的上球铰面板相对变形量较小,靠近球铰边缘位置上球铰相对变形量较大。最大相对变形量出现在球铰面板的最外侧,由于球铰滑片最外圈受到的应力最大,因此对应上球铰面板最外侧相对变形最大。

2.2.5 下球铰受力分析

下球铰受力分析见表10,表11,图7。

表10 滑片不同间距下球铰受力 MPa

表11 不同SR/D下球铰受力

从表10,表11和图7可知,下球铰面板处所受应力较大位置主要位于球铰滑片约束坑内,距离球铰中心较远的位置下球铰面板所受的应力较大,离球铰中心距离较近球铰面板所受的应力较小,该分布情况与球铰滑片受力情况趋势相似。当球铰滑片间距相同时,球半径SR对下球铰的受力影响相对较小。

2.2.6 下球铰受力变形分析

下球铰受力变形分析见表12,表13,图8。

表12 不同滑片间距的下球铰变形 mm

表13 不同SR/D下球铰变形 mm

从表12,表13和图8可知,下球铰相对最大变形部分分布于球铰滑片约束坑处。

3 结论

通过对不同滑片间距及不同球半径的球铰建模仿真对比分析得到以下结论:

1)球铰静态受力时,球铰滑片的受力、变形在球面上分布不均匀。内圈与外圈受力相差较大,靠近外圈的球铰滑片受力、变形较大,靠近球铰中心的滑片受力较小。同圈上的球铰滑片受力、变形情况相差较小。工程应用时,应适当提高球铰滑片的安全系数,防止球铰滑片平均压力较大时,内圈滑片所受应力较小,外圈滑片应力过大从而发生损坏。

2)球铰滑片数量不变时,滑片间距较小时,球铰滑片、上、下球铰受力情况相对较好。因此,对于受竖向力较大的球铰,在滑片数量不变情况下,可在合理尺寸范围内降低滑片间距,改善球铰受力情况。

3)当球铰滑片间距一定时,球铰球半径SR与球铰半径D比值SR/D对球铰滑片及上、下球铰的受力情况影响相对较小。因此,球铰设计、制造时可适当增大球铰球半径,在不改变球铰受力情况下可减小球铰的整体结构重量。