大吨位桥梁支座主要结构受力特性的数值研究

摘要：桥梁支座的力学性能和可靠性对桥梁的正常承载和安全性有重要的影响。盆式橡胶支座的关键受力部件为橡胶板和盆环，球型支座的关键受力部件为球冠衬板和球面四氟板。从工程设计的角度出发，针对盆式橡胶支座，采用数值的方法，着重研究了盆环受力特性，将盆环受力的数值结果与工程设计验算结果进行对比分析，发现二者吻合度非常理想；对于球型支座，同样采用数值方法分析了其在不同荷载作用下的应力分布特点，找出了受力结构的高应力区。

关键词：盆式橡胶支座" 球型支座" 数值分析" 盆环" 球冠衬板

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

桥梁支座是桥梁结构的一个重要组成部分，是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件。其中，盆式橡胶支座有质轻、有效高度低、易制造、节材、造价低等特点，并且具有承载能力强、容许支座位移量大、转动灵活等优势，因此，其特别适宜在大跨径桥梁上使用。球型支座是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种支座形式，与其它支座相比，其容许转角更大，且不存在橡胶老化问题，因此，其特别适用于低温地区，以及宽桥、曲线桥、坡道桥和斜桥等复杂桥梁。

王宏谋[1]通过橡胶材料的有限元计算结果与试验结果的对比，得到橡胶合理的计算泊松比。刘岳兵等人[2]运用ANSYS有限元分析软件开展研究，提出了盆式橡胶支座主要结构尺寸的合理选取范围。刘沛[3]通过3D盆式橡胶支座模型数值模拟，优化了盆式橡胶支座的几何尺寸。邱仕义[4]利用ABAQUS软件进行有限元仿真模拟，发现模拟结果与理论公式拟合较好。杨静等人[5]解决了橡胶支座竖向与水平两种荷载耦合作用时大剪切变形的几何非线性问题。吴迪等人[6]利用有限元方法通过竖向单调加载的数值模拟，发现约束橡胶支座具有更低的竖向刚度和更高的竖向承载力。汪奇翰等人 [7]通过试验对现有计算公式进行评估，重点研究了支座的水平与竖向刚度的压应力相关性。王锦[8]研究了球型支座主要受力部件接触面的参数特性，为开展有限元分析和设计提供参考。李军[9]对超大吨位球型支座进行了有限元分析研究，为支座的设计和制作提供了新思路。桂长忍等人[10]等对服役十余年的球型支座进行了震后性能研究，提出进一步改善支座的抗风沙能力有助于提高其使用寿命。

1 工程实用案例

沪昆线樟树赣江特大桥（K832+666）因原有支座劣化严重需要更换，新更换的支座拟采用盆式橡胶支座和球形支座，本文现将这两种支座分别进行受力分析研究。

对于盆式橡胶支座，其竖向承载力设计值P1为3 000 kN，横向承载力设计值P2为竖向力的10%，钢盆材质为ZG270-500，其抗拉强度fu≥500 N/mm2，屈服强度fy≥270 N/mm2，钢盆内的承压橡胶板采用天然橡胶，硬度IRHD为60。

对于球型支座，其竖向承载力设计值P1为3 000 kN，横向承载力设计值P2为竖向力的15%，支座钢件部位也采用ZG270-500。

2 盆式橡胶支座

2.1钢盆设计计算

取盆环内径D1=360 mm，盆环外径D2=450 mm，橡胶板厚度t=24 mm，盆环高度h=35 mm。

由竖向设计荷载P1产生的盆环拉力计算公式[11-12]如下。

盆环拉应力验算公式如下。

盆环剪应力验算公式如下。。

从式（2）和式（3）的验算结果可以看出，盆环所受的拉应力和剪应力均符合设计要求，因此，盆环尺寸选用符合要求。

2.2 数值模型

橡胶板采用Mooney -Rivlin模型[1，3，6]，取C10=0.4、C01=0.1，泊松比v=0.4998，钢盆采用双线性弹塑性模型，弹性模量取205 GPa，泊松比取0.3，屈服强度取270 MPa。橡胶板直径360 mm，厚度24 mm，钢盆外径450 mm，内径360 mm，盆环高度35 mm，盆底厚度15 mm。

2.3 结果与分析

2.3.1 环向应力

从式（2）中可以看出，盆环的拉应力由横向荷载与竖向荷载共同作用产生，二者作用为线性叠加状态，且未考虑钢盆底部对盆环受力的影响。竖向荷载产生的盆环截面上各单元的拉应力σθ分布如图2所示。

横向荷载产生的盆环截面上各单元的拉应力σθ分布如图3所示。

从图2和图3中可以得到，横向荷载与竖向荷载共同作用产生的盆环叠加应力为79.7 MPa+95.1 MPa=174.8 MPa，与式（2）的计算结果σθ=176 MPa非常吻合。

2.3.2 剪应力

从式（3）中可以看出，盆环底部的剪应力由1.5倍横向荷载与竖向荷载共同作用产生，二者作用为线性叠加状态。竖向荷载产生的盆环与盆底交界处各单元剪应力分布如图4所示。

1.5倍横向荷载产生的盆环与盆底交界处各单元剪应力分布见图5。

从图4和图5中可以得到，横向荷载与竖向荷载单独作用产生的盆环底部叠加剪应力为5.0 MPa+13.9 MPa= 18.9 MPa，略小于式（3）的计算结果τ=21.75 MPa。

3 球形支座

球型支座由上支座板（含不锈钢板）、球冠衬板、下支座板、平面四氟板、球面四氟板和防尘结构等组成，其核心受力部件如图6所示。

3.1 数值模型

对球冠衬板、球面四氟板和下支座板建立数值分析模型，主要尺寸如图6所示。球冠衬板和下支座板均为钢制材料，采用弹塑性材料模型，弹性模量取210 GPa，泊松比取为0.3；球面四氟板材料弹性模量取850 MPa，泊松比取0.45。下支座板底部采用全约束边界，建立分析模型。

3.2 分析结果

图7显示的是模型的竖向变形云图。从图上可以看出，最大变形量小于0.4 mm，模型总高度77 mm，满足支座的竖向压缩变形不应大于制作总高度的1%的要求[13]。

图8显示的是模型的等效应力分布云图。从图上可以看出，应力最大区偏向一侧，而对于球冠衬板，在另一侧还会出现一个小范围的高应力集中区。模型中，钢件部分的最大等效应力约为211.10 MPa，小于材料屈服强度，满足要求。

4. 结论

根据设计参数，对盆式橡胶支座和球型支座进行数值受力分析，得出如下结论。

（1） 盆式橡胶支座中橡胶板和钢盆的设计参数取值合理。

（2） 对于盆环的环向拉应力和剪应力，模拟结果与工程设计计算的验算值比较一致。

（3） 对于球型支座，其球面四氟板比球冠衬板和下支座板所承受的应力水平要低。

（4） 对于球型支座，横向应力的存在会导致模型钢件部分的应力最大区域在模型两侧，而不是在钢件的中心区域。

（5） 数值方法能够反映出受力结构截面上不同位置的应力分布情况，而工程设计计算的验算值只是截面应力的平均值，因此，数值方法的能够刻画出截面应力分布的非均匀性。

参考文献

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杨静，潘文，苏何先，等.天然橡胶支座大变形压剪性能的双非线性超弹性理论和实验研究[J].工程力学， 2022， 39（8）： 200-209， 222.

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