抗拉拔球型支座結構與性能研究

羅勇歡，李世珩，夏俊勇，張振興，郭紅鋒，陳彥北

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

在颶風較多的沿海地區以及高烈度地震區建設橋梁，橋梁支座除滿足承載能力、位移和轉動、使用壽命、減隔震、可靠性等方面的要求外，還應滿足對豎向抗拉拔能力的要求?？估吻蛐椭ё窃诔Ｒ幥蛐椭ё幕A上發展起來的一種新型橋梁支座，具有豎向抗拉拔能力，本文對其結構與性能進行研究。

1 抗拉拔球型支座的基本結構和工作原理

常規球型支座主要由上支座板、下支座板、中座板以及耐磨板組成。上支座板與梁體相連，下支座板與墩臺相接，中座板是球型支座的核心部分，常規球型支座通過平面耐磨板實現平面滑動功能，通過球面耐磨板實現轉動功能。

抗拉拔球型支座是在常規球型支座的基礎上，為了抵抗垂直方向的拉拔力而設計的，其整體結構如圖1所示。這種支座除具備常規球型支座的基本結構外，在上下支座板之間增加了抗拉拔結構，包括抗拉拔板和高強度抗拉拔螺栓，以滿足豎向抗拉拔要求?？估吻蛐椭ё诘卣鸺帮Z風發生時，能保證橋梁上、下結構之間合理的相對位移，對高烈度區尤其直下型地震區的工程結構有良好的抗震作用，同時也適用于沿海颶風較多地區的橋梁工程和建筑工程等。

圖1 抗拉拔球型支座結構剖面示意

2 抗拉拔球型支座結構設計實例

某特大橋主跨徑856 m，橋梁總長約1 194 m，橋面距離谷底高度約400m，是一座大跨度的懸索橋。該橋所用支座要求豎向承載力500 kN，抗拉拔力100 kN，順橋向位移 50mm，轉角 0.02 rad，地震峰值0.05g。本次設計針對該橋受颶風影響而產生的豎向拉拔力，因此在常規球型支座的基礎上增加了抗拉拔結構，通過抗拉拔螺栓聯結抗拉拔板，與上支座板和下支座板構成簡單實用的抗拉拔結構。

2.1 支座抗拉拔結構主要材料與力學性能

支座抗拉拔結構主要材料一般是Q345B、ZG270-500等，本文支座抗拉拔結構力學校核以Q345B為參照標準。Q345B的沖擊功Akv≥34 J，斷裂伸長率δ≥19%。

Q345B屈服點、許用應力和許用剪切應力與板厚的關系如表1所示。

2.2 高強螺栓機械性能

支座抗拉拔螺栓采用10.9級M16×45高強螺栓，其機械性能如下:

表1 Q345B力學性能參數

抗拉強度σb=1000mPa，屈服強度σs=900mPa，許用應力［σb］=450mPa，許用剪應力［τb］=270mPa。

10.9級高強螺栓的屈強比值為0.9，安全系數為1.7～2.2，本文取2.0。剪應力為許用應力的0.6倍。

3 常規關鍵性能校核

3.1 耐磨板豎向承壓校核

根據歐洲標準EN1337-7的規定，設計圓心角＜40°時，分布在球面耐磨板上的應力和平面耐磨板上的應力差可以忽略不計。本文設計圓心角為35°。

耐磨板豎向壓應力σ1校核如下

式中，F為豎向設計承載力，N;L為球面耐磨板水平投影直徑，mm;［σ］為改性超高分子量聚乙烯許用應力，取45mPa。

3.2 轉動能力校核

球型支座具有一定的轉動能力，在設計中需要考慮支座的載荷偏心問題，并需對中座板球面半徑與球面轉角進行校核。

3.2.1 球面耐磨板載荷偏心校核

根據EN1337-7的規定，球面耐磨板摩擦產生的偏心et≤L/8時，球面在工作中才不會出現分離。

式中，μmax為摩擦系數;r為轉動半徑，mm;Vs為水平剪力，mm;Ns為豎向壓力，N;c為底邊中心到邊的短距離，mm;a為支座設計轉角，rad;b為橫截面和滑動面間的距離，mm。

可見，et≤L/8，滿足要求。

3.2.2 中座板球面半徑尺寸校核

根據經驗，中座板球面半徑一般應為球面耐磨板水平投影面直徑的β倍。

校核公式為

式中，RS為中座板球面半徑，mm;β在本文中取值范圍為1.5≤β≤2.8。

本設計RS為260mm，介于1.5L(225mm)和2.8L(420mm)之間，故滿足要求。

3.2.3 中座板轉角校核

校核公式為

式中，D為中座板外徑，mm;θ為支座設計轉角，rad。

由于D為180mm，L+2RSθ=150+2×260×0.02=160.4，故可滿足要求。

4 抗拉拔螺栓校核

4.1 拉應力校核

10.9級高強螺栓有效應力面積為157 mm2。支座在抗拉拔工況下，按高強螺栓不承受剪力設計。支座受豎向抗拉拔力時，僅考慮螺桿受拉力。力矩平衡狀態下的螺桿拉應力σ2應滿足

式中，n為抗拉拔螺栓個數;FL為螺栓受到的拉力，N;FB為抗拉拔板受到的拉拔力，N;z為結合圈數(一般不超過10);Ab為螺栓阻抗面積，mm2;L1為抗拉拔板的力臂，mm;L2為抗拉拔螺栓的力臂，mm;［σb］為螺栓許用抗拉應力，MPa。

4.2 螺紋牙擠壓應力校核

螺紋牙擠壓應力σ3應滿足

式中，d2為外螺紋中徑，mm;h為螺紋工作高度，mm。h=0.541p，p為螺紋螺距，mm。

4.3 螺紋牙抗剪強度校核

螺紋牙剪應力τ1應滿足

式中，d1為外螺紋小徑，mm;b為螺紋牙底寬度，mm，b=0.75p;［τb］為螺栓許用剪應力，MPa。

4.4 螺紋牙抗彎曲強度校核

螺紋牙抗彎曲強度σ4應滿足

式中，M為彎矩，W為抗彎模量。

5 抗拉拔支座有限元分析

5.1 計算工況

根據抗拉拔球型支座的實際工作情況，確定5種工況，其中工況1和工況5為最不利工況。

1)工況1:100 kN向上拉拔作用力。

2)工況2:500 kN豎向荷載。

3)工況3:500 kN豎向荷載和50 kN水平荷載。

4)工況4:500 kN豎向荷載，50 kN水平荷載，50mm縱向位移。

5)工況5:500 kN豎向荷載，50 kN水平荷載，50mm縱向位移，0.02 rad偏轉。

本文僅給出最不利工況下的有限元分析結果，在此種條件下如果經過校核認為支座是安全的，則認為通過安全校核。

5.2 工況5下支座各部分應力

工況5支座主要受力部件的應力分布情況如下:上支座板的最大Mises應力為34.01 MPa;平面耐磨板的最大豎向壓應力為64.22 MPa;中座板的最大Mises應力為90.83 MPa;球面耐磨板的最大豎向壓應力為36.74 MPa;下支座板的最大Mises應力為30.86 MPa。支座各金屬部件受力均小于Q345B的屈服強度，故該工況下支座設計滿足要求。

5.3 工況1下支座各部分應力

在工況1下，只有抗拉拔板與下支座板接觸，支座整體最大Mises應力為109.8 MPa;下支座板的最大Mises應力為109.8 MPa;抗拉拔板的最大Mises應力為59.70mPa。支座各金屬部件受力均小于Q345B的屈服強度，故該工況下支座設計滿足要求。

6 結論與建議

1)抗拉拔球型支座耐磨板的承載能力以及支座的轉動能力均滿足設計要求。

2)抗拉拔螺栓螺桿拉應力、螺紋牙擠壓應力、抗剪強度和彎曲強度均滿足設計理論要求。

3)通過有限元分析，抗拉拔球形支座能夠滿足各種工況的承載力、拉拔力、位移和轉角要求。在不利工況1下，支座拉拔力達到設計理論值，抗拉拔結構部分能滿足設計要求;在不利工況5下豎向力、水平力、橫向位移和轉角位移均達到設計值，此種荷載情況下符合設計要求。

建議在抗拉拔結構之間設置橡膠或彈簧等柔性減震結構，以提高抗拉拔結構的穩定性與安全性。

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