球型支座结构及性能研究

何 维，王少华，王广超，刘昕铭

(西南交通大学机械工程研究所，四川成都 610031)

1 球型支座非线性有限元分析

1.1 支座基本结构

球型支座由上支座板(含不锈钢板)、球冠衬板、下支座板、平面聚四氟乙烯板、球面聚四氟乙烯板和防尘结构，以及辅助部件(如转动套，锚固螺栓)等组成。球型支座基本结构如图1所示。

图1 球型支座基本结构示意

梁端的竖向荷载是由上部结构(桥跨等)、上支座板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板传递到桥墩上。

1.2 支座有限元模型建立

为了方便建模，提高计算效率，不考虑支座中对计算结果几乎没有影响的结构，如防尘结构和辅助部件。根据之前的研究结果，在支座有限元计算中，需要加入上部结构(桥跨)和下部结构(墩台)，这样可以使计算结果更加准确，更加贴合实际;桥跨和墩台模型尺寸，依据之前研究结果确定。由于球型支座结构和荷载的对称性，取支座的轴向1/2截面采用平面轴对称模型进行有限元建模和计算，单元选择Plane82。铸钢结构弹性模量2.05×105MPa，泊松比0.3，聚四氟乙烯板弹性模量1 500 MPa，泊松比0.4，混凝土弹性模量3.3×104MPa，泊松比0.2。在实际情况下，上部结构和上支座板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙烯板、下支座板之间以及下支座板和墩台之间都是接触在一起的，之间可以有滑动位移，没有完全固定，所以在计算中，这些部分均采用接触单元连接。混凝土与钢结构之间摩擦系数0.4，钢结构与聚四氟乙烯板之间摩擦系数取0.03，接触刚度取默认值。支座竖向承压，荷载大小为10 MN，建立有限元模型如图2所示。

图2 支座及桥跨墩台有限元模型

1.3 有限元计算结果分析

图3为支座复合应力云图，图4是支座等效位移云图。为了方便查看支座应力和变形，在云图中不显示桥跨结构的受载情况。

从图3中可以看出，支座最大复合应力发生在上支座板中间部分，出现了一个最大应力环带。从表1中可以看到，最大应力69.1 MPa，低于铸钢许用应力，没有发生破坏，出现较大应力是由于竖向荷载在传递过程中，由上支座板传递到平面聚四氟乙烯板上时，四氟板的面积比上支座板小。从图4中可以很清楚看到，上支座板在平面四氟板端部处开始发生下挠，产生较大的拉应力;球冠衬板端部靠里部分处应力较大，产生原因和上盖板出现最大应力一样，是竖向荷载向下传递时，球冠衬板和球面聚四氟乙烯板相互作用，产生较大拉应力所致。

图3 支座复合应力云图(单位:MPa)

图4 支座等效位移云图(单位:mm)

表1 竖向荷载下支座各部件最大等效应力 MPa

图5是支座钢盆底部位移曲线，可以看出盆底中心部位有较大变形，于是钢盆端部产生翘曲，盆底边缘部分的变形较小;从图6钢盆底部应力分布曲线中可以看出，应力从盆底中心向边缘逐渐增加，在距离中心(5/8)R处，应力最大。由此可知，钢盆底部在此处翘曲弧度最大，产生较大拉应力。研究表明，支座承压后由于混凝土的弹性压缩，支座盆底应力呈钟乳形分布;钢盆底板厚度越薄，钢盆中心的下沉变形越大，钢盆端部向内侧的变形也越大。

2 四氟板面积改变对支座性能影响

图5 支座盆底位移曲线

图6 支座盆底应力分布曲线

四氟板是球型支座中的关键部件，球型支座就是通过四氟滑板来实现转角和水平位移的。研究表明，球型支座受竖向荷载时，主要按照聚四氟乙烯板面积扩展进行传递。基于球型支座这种传力特点，改变四氟板(包括平面和球面)水平投影面积，研究支座各部件受力情况。同时改变平面和球面四氟板面积，两者保持水平投影面积一致，通过有限元软件ANSYS计算0.8R，0.9R，R(初始四氟板水平投影半径)不同情况下，支座各部件受力情况，结果如表2所示。

表2 四氟板水平投影面积对支座性能影响

从表2中可以看出，当四氟板水平投影面积变化时，支座各部件受载情况也发生明显变化。随四氟板水平投影面积的增加，支座各部件应力随之减小，上支座板边缘挠度也相应减小;投影面积每变化0.1R，支座各部件应力变化10% ～20%。由此可知，竖向荷载通过四氟板传递时，应力按照聚四氟板面积扩展进行传递，当四氟板水平投影面积较小时，荷载比较集中，会产生较大应力，这会对聚四氟乙烯板产生不利影响，严重时甚至会导致破坏，使支座失去转动和滑动的功能，失去传递荷载作用。相反，投影面积较大时，荷载就会相对分散，产生的应力就会变小，有利于支座正常工作。所以，在球型支座的生产制造过程中，考虑成本的情况，在允许范围内可以尽量增加四氟板的水平投影面积。

3 墩台受力情况及其混凝土性能对支座影响

实际桥梁支座支撑在桥墩、台顶帽混凝土上，支座承压后混凝土将发生弹性压缩。由于混凝土的抗压强度远大于其抗拉强度，所以混凝土墩台在受载情况下是否发生破坏，主要考察其最大拉应力。图7为混凝土墩台第一主应力云图，图8为混凝土墩台顶面拉应力分布曲线。从中可见墩台顶面中心部位混凝土承压，钢盆边缘部位混凝土出现拉应力，研究表明，该拉应力随着支座球面半径的增大而增大。图9为混凝土墩台中心竖直截面拉应力分布曲线，在混凝土墩台中心垂直截面下约0.20H～0.75H(H为墩台高度)范围内，混凝土受拉，最大拉应力出现在0.25H处，为防止混凝土在主拉应力下开裂，必须在支承混凝土顶面及支座下一倍直径高度范围内布置适当的网状钢筋。

图7 混凝土墩台第一主应力云图(单位:MPa)

图8 混凝土墩台顶面拉应力分布曲线

图9 混凝土墩台中心竖直截面拉应力分布曲线

按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定，普通混凝土划分为十四个等级，即:C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80，从C15到C80，混凝土弹性模量由2.5×104MPa增大到3.8×104MPa。如果在墩台混凝土中设置网状钢筋，相当于混凝土弹性模量增大。于是通过有限元软件ANSYS计算分析墩台混凝土弹性模量由2.5×104MPa增大到4.1×104MPa时，支座各部件应力变化情况，结果如表3所示。

表3 墩台混凝土弹性模量与支座部件的最大等效应力MPa

从表3可以看出，随着墩台混凝土弹性模量的增大，支座各部件的最大复合应力随之减小，当混凝土弹性模量从2.5×104MPa增大到4.1×104MPa时，支座各部件最大复合应力减小10%～25%。从表3中还可以发现，随着混凝土弹性模量的增大，混凝土墩台上的拉应力也会随着增大，增大的幅度比较小;因为混凝土等级越高，其抗拉强度也越大，所以不会对墩台产生不利影响。因此在实际工程中，为了减小支座应力，在允许范围内，可以尽量增大混凝土的弹性模量，一般情况下，墩台混凝土强度等级不得低于C40。

4 结论

1)采用与支座实际工作状态相符的非线性接触有限元分析方法，对10 MN球型支座进行研究，得到球型支座各部件受载情况，盆底变形和应力分布以及墩台混凝土拉应力分布规律。

2)通过研究，当四氟板水平投影面积变化时，支座各部件受载情况发生明显变化，对于此次研究规格的球型支座，当四氟板投影面半径增大0.1R，支座各部件应力减小10%～20%，设计时应尽量增加四氟板的面积。

3)墩台混凝土的弹性模量对支座应力有一定影响，当混凝土弹性模量从2.5×104MPa增大到4.1×104MPa时，支座各部件最大复合应力减小10% ～25%;同时，混凝土墩台拉应力也会有所增加，增加幅度较小，不会对墩台造成不利影响。所以实际工程中，可以适当提高混凝土的弹性模量。

［1］庄军生．桥梁支座［M］．北京:中国铁道出版社，2000．

［2］臧晓秋．大吨位和大位移球型支座设计［J］．铁道建筑，2009(4):1-3．

［3］中华人民共和国国家标准．GB/T 17955—2009 桥梁球型支座［S］．北京:中国标准出版社，2009．

［4］庄军生，张士臣．大吨位盆式橡胶支座的试验研究［J］．铁道建筑，1989(10):6-11．

［5］李乔．混凝土结构设计原理［M］．北京:中国铁道出版社，2005．

［6］尚晓江，邱峰，赵海峰，等．ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2005．

［7］李杨海．公路桥梁支座使用手册［M］．北京:人民交通出版社，2009．