支座連接裝置及工裝設計與計算

陳明華 魏林生 劉 玲 李志朝 郭美景

(鐵拓智能裝備有限公司，河北 衡水 053000)

支座是連接橋梁上部結構與下部結構的重要部件，它能將橋梁上部結構的反力和變形(位移和轉角)可靠的傳遞給橋梁的下部結構，從而使結構的受力情況與理論計算圖相符合[1]。作為用于橋梁、建筑、鋼結構中的配件產品，其基本結構為：上支座板、球冠襯板、下支座板、平面及球面滑板材料及不銹鋼板、防塵、錨栓組件、臨時連接裝置等。

1 支座的臨時連接裝置設計要求

支座的臨時連接裝置不是支座正常使用時的支座零部件的一部分，而是在出廠后安裝前這段時間內，為了保證支座內部各個零部件的相對固定而設置的一個工件，待支座安裝結束后再自行拆除，以便支座的轉角、位移等功能的實現。設計單位設計圖紙時，有時會設計出這個工件，有的要求廠家根據實際情況自行設計。廠家自行設計時需考慮多方面的因素：1)需能有效的固定支座內部構件不發生相對轉動和滑動，保證在起吊搬運、儲存、運輸過程中支座各部件的相對固定；2)不能影響或降低支座本體的材質性能、強度(如焊接時需對支座本體做防護，焊渣不能噴濺到支座本體上；不能傷及母材。如果是螺栓連接，打孔位置尺寸等不能降低支座本體的母材強度)；3)考慮安裝方便及安裝后的拆卸簡單易施工。

根據支座的使用部位，支座和結構有不同的連接方式，支座與橋梁、建筑、鋼構的連接方式大體分為兩種：焊接連接和螺栓、螺桿、套筒、螺母、墊圈連接，后者居多。對于不同的連接方式，連接板的樣式及要求也不同。下面介紹兩種連接方式及利弊：如果支座和結構是焊接連接，連接板也多為焊接。廠家大多是用長方體板將上支座板和下支座板焊接來固定支座，工藝較為簡單，只需保證焊接長度、焊接尺寸和焊接質量即可。在支座安裝完畢后，安裝方將長方體板直接割開，就解除了連接裝置對支座內部零件的約束，支座就可以自由轉動和位移了。缺點是：由于長方體板是和支座本體焊接的，因此不會把長方體板完全割去，即割口部位的外觀影響支座以致結構的外觀。

如果支座和結構是由工程上較為常用的螺栓、螺桿、套筒等連接的，那么連接板也多設置為螺栓連接，這也是相對來說比較正規的連接方式，因為螺栓連接有它獨特的優勢：方便拆卸，能更好的保證支座本體的完整及美觀。常用的螺栓連接裝置方式很多，有角鋼型、L形鋼、Z形鋼等并配相應的連接螺栓及螺母、墊圈。由于支座安裝到墊石上，灌漿后漿料表面高出下支座板底面不大于5 mm[2]，即漿料可能會高出支座下支座板底面一定厚度，若連接螺栓在下支座板底板的側面的話，在拆除臨時連接裝置時會由于漿料而妨礙了連接螺栓的拆除。因此設置的連接裝置最好將連接螺栓設置在下支座板底板的上表面，同樣為了方便安裝拆卸，連接螺栓設置在上支座板的下表面(見圖1)，因此連接板就成了Z形鋼這種形式(見圖2)，為防止Z形鋼拉伸變形及增加強度，在Z形鋼側面焊接拉筋；同時考慮到擰螺栓的空間，僅在連接板的一側設置了拉筋。這種方式在支座本體的不影響支座使用的位置打螺紋孔，并且根據規格及重量的大小設計合適規格的螺栓尺寸，拆卸時，用扳手將螺栓擰下即可，滿足連接板設計需考慮的因素。

2 Z形鋼臨時連接裝置的工裝設計

Z形鋼一次彎折對工裝的強度及設計要求很高，一次把一個平的連接板同時折兩個彎，對連接板及工裝都有不同程度的損壞，影響彎折效果；對Z形鋼，折彎的位置正好相反，設計的工裝需要保證兩個折彎處的受力同時、均勻，因此需選擇好工裝向下壓的位置以平衡兩處折彎的受力。如圖3所示，折彎后的效果如此，但是壓的過程中對上模開始接觸連接板時，需要設置部件來固定連接板不跑偏，同時在向下壓的過程中連接板也不能夠脫開下模的三個方向的限制范圍，設計工裝有較大難度。

如果兩次彎折的話就很方便易行。現介紹一種長方體鋼板彎折兩次而成的Z形鋼，為防止Z形鋼Z形拉直，在Z形鋼外側貼焊筋板。圖4為彎折Z形鋼的工裝。圖4中，工裝的上、下模分別通過焊接連接板、擰入連接螺栓固定在試驗機上。上模下部為尖狀，通過螺栓擠壓在上模板上，用于沖壓連接板，連接板由平板狀經過硫化機上模板進而工裝上模板彎折到工裝下模板的凹槽內，呈L形狀。彎折的位置通過工裝下模板左側的擋板調節，擋板上部為帶長形豁口的孔，可以左右移動使得連接板彎折尺寸可調。工裝下模板為敞口的U形，為了給沖壓下來的連接板以釋放空間，緩沖沖壓力不能釋放導致對設備及板的傷害。一次壓成L形，再次壓連接板的另一端，使其成為Z形。工裝上、下模板尺寸可調、可一次壓4個～6個連接板，提高效率；擋板位置及尺寸可調，適應不同的彎折長度；上模板下降的高度可調，適應不同的彎折角度。面對眾多根據支座的規格及尺寸而設置的連接板，此工裝較好的實現了連接板成型。同時方便利用現有的設備硫化機，對于不同噸位、上下模板的尺寸不同，可以設置更多種類尺寸的連接板。

需指出的是，工裝的材質需為強于連接板材質的硬質合金鋼或其他代替品，以保證在將工裝定型的過程中不損壞。

3 一種特殊安裝方式

結構中支座形式多種多樣，安裝環境千差萬別，因此需要將支座合理無誤的安裝就位，才能起到傳遞上部結構反力、變形及轉角等給下部結構的作用。現工程上一種鋼球支座，它的工程需要實現的轉角較大，并且和上部為法蘭連接，和下部螺栓套筒連接。支座在豎直方向和結構有傾角α，加工的產品要適應結構的傾角，同時，支座下部的螺栓連接孔也是有角度β的，這兩種角度分別在兩個平面內。如圖5所示。因此在支座的下部零件打孔時需格外注意，將支座調整好安裝角度后保證α，然后在下部的連接孔旋轉角度β，這樣支座才能正確的安裝就位。因為支座的下部結構預留孔的傾角β已經打好，因此需配合下部結構的安裝要求。和上部結構的傾角α保證和上部結構的安裝要求。車間加工時，設計一種專門用于指示的指針工裝，如圖6所示。豎直固定在支座上，通過旋轉頂部用鉚釘固定在圓鋼上的指針到指定的角度，來確定下支座板的一個孔的方向，進而依據圖紙圓周均布打孔。打孔之后，需用臨時連接裝置固定好，以免支座內部零件發生轉動。臨時連接裝置為自行設置，保證各方向的位置相對固定，如圖7所示。

4 支座連接板設計

支座和結構的連接孔也需要設計而定，如GB 20688.3中就提到了一種連接螺栓的設計計算方法[3]，同時連帶通過連接螺栓的力來校核連接板的強度。列出的是矩形的8個螺栓，四角上各1個，然后在連接板的中線部位四角螺栓中間各布置一個排列。根據每個抗拉部位螺栓距離中性軸的遠近來承受拉力，用以和壓力產生的力矩平衡。然而有時根據受力的需要及安裝空間的限制等因素的影響，螺栓排列復雜一些，如圖8～圖10所示，現就這種情況的計算圖和大家探討，供參考。

其中，M為螺栓拉力產生的彎矩，N·mm；T為螺栓拉力；c為拉力力臂，mm；tf為連接板厚度，mm；L為連接板受彎部分的有效寬度，mm。

對于橡膠支座本體為圓形的情況，如圖8所示，由兩個螺栓孔外沿分別向支座本體引切線，得到A′，B′和C′，D′四個點，因此L=A′B′=C′D′。由于螺栓孔是對稱的，因此只需計算一個即可，力臂c為螺栓孔至支座本體的法線距離。然而支座在結構中兩個螺栓孔是同時受力的，及連接板也同時受到兩個螺栓的拉力產生的彎矩，因此為保守起見，將L′選取為四個切點中距離最近的兩點B′，C′，那么可計算得到連接板的彎曲應力，同樣可計算剪應力，進而折算應力小于設計值，確定連接板的厚度。需要指出的是，因為力是作用于螺栓中心，因此認為從螺栓中心向支座本體引切線更為合適，得到A，B和C，D四個點，按照上述描述，很明顯L′>L。對于圖8中三個螺栓的情況，最端部的螺栓可以直接按照規范附錄G[4]校核，這個螺栓分擔的拉力較大，力臂也大，但是向支座本體引的切線，切點距離要小，取L=2c+d(d為螺栓孔距)。故需結合三個螺栓計算得到的板厚，取最厚值。

對于橡膠支座本體為方形的情況如圖9所示，由支座本體角處向螺栓引切線；對于支座本體較小的情況如圖10所示，可以將兩個螺栓的力疊加為合力，合力作用點在兩個螺栓的中間，這樣的話直接采用規范的算法也可以得到連接板厚度。

5 結語

連接裝置雖然是支座的配件，不是支座實現功能的必要構件，但是在支座運輸、安裝過程中卻是必不可少的，它的牢固、合理與否直接影響到支座性能的實現，因此設計方面需根據不同的支座形式，合理設計臨時連接裝置，以滿足相關標準及安裝、拆卸方便等的各方面的需求。