球鉸滑片間距對(duì)球鉸受力影響分析

楊 康，鄭朋飛，何平根，韓家山，路 暢

(中船雙瑞(洛陽(yáng))特種裝備股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概述

轉(zhuǎn)體球鉸在橋梁建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用,目前應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟[1-2]。轉(zhuǎn)體球鉸主要由上球鉸、下球鉸及非金屬滑片等部分組成[3-4]。

非金屬滑片主要起到傳力和減小摩擦作用,滑片間距可能會(huì)對(duì)球鉸受力產(chǎn)生影響,但相關(guān)研究較少。球鉸不同球半徑的大小同樣可能會(huì)對(duì)球鉸受力產(chǎn)生影響[5]。因此,為探究球半徑對(duì)球鉸受力產(chǎn)生的影響,本文對(duì)不同球半徑的球鉸受力情況進(jìn)行對(duì)比研究分析。

本文以一座連續(xù)橋30 000 kN的轉(zhuǎn)體球鉸為例,結(jié)合轉(zhuǎn)體項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)球鉸進(jìn)行三維建模并采用有限元計(jì)算的方法對(duì)球鉸進(jìn)行分析,分別建立了不同滑片間距和不同球半徑球鉸的三維模型,并通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)比分析了球鉸滑片間距和球半徑對(duì)球鉸受力的影響。

2 轉(zhuǎn)體球鉸靜態(tài)受力特性影響分析

上、下球鉸由球面面板、網(wǎng)格筋等組成,網(wǎng)格筋主要由內(nèi)、外環(huán)筋和直筋相交而成[6-7]。銷軸穿過(guò)上、下球鉸,放置在銷軸套筒中,可以抵抗球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的傾覆力矩(見(jiàn)圖1)。

2.1 球鉸仿真模型的構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際分析、計(jì)算的需要,球鉸靜態(tài)受力分析時(shí),只考慮球鉸豎向載荷,銷軸不參與球鉸傳力[8-10]。根據(jù)有限元計(jì)算要求對(duì)球鉸、混凝土承臺(tái)建立三維模型[11](見(jiàn)圖2),并進(jìn)行兩種模型的有限元計(jì)算對(duì)比具體方式如下:

1)保持球鉸滑片數(shù)量不變的情況下改變球鉸滑片的間距。

2)保持球鉸滑片間距、球鉸滑片數(shù)量不變的情況下,改變球鉸的球半徑的兩種球鉸建模方式分別建立5種模型。建模情況如表1所示。

表1 球鉸建模參數(shù)

2.2 球鉸的有限元結(jié)果分析

2.2.1 滑片應(yīng)力分析

滑片應(yīng)力分析見(jiàn)表2,表3,圖3。

表2 球鉸滑片不同間距滑片應(yīng)力 MPa

表3 不同SR/D球鉸滑片應(yīng)力 MPa

從表2,表3及圖3可知,雖然球鉸滑片間距不同,但球鉸滑片所受應(yīng)力的分布特性相同。球鉸滑片所受應(yīng)力分布不均勻,外圈所受的應(yīng)力與內(nèi)圈所受應(yīng)力相差較大,滑片所受應(yīng)力從內(nèi)圈到外圈沿半徑方向增大。通過(guò)提取同一圈滑片上的應(yīng)力,得到同一圈滑片上應(yīng)力最大值和最小值相差在6%以內(nèi),因此球鉸靜態(tài)受力時(shí)相同半徑上的球鉸滑片受力大小基本相同。球鉸滑片隨間距減小,所受應(yīng)力也在減小。由圖3(c),圖3(d)和圖3(e)及表3對(duì)比分析可知,在球鉸滑片間距相同時(shí),球鉸面板球半徑的變化對(duì)球鉸滑片受力影響相對(duì)較小。

2.2.2 滑片變形分析

滑片變形分析見(jiàn)表4,表5,圖4。

表4 不同間距球鉸滑片變形 mm

表5 不同SR/D球鉸滑片變形 mm

從表4,表5及圖4可知,靠近球鉸中心的滑片相對(duì)變形量較小,靠近球鉸外側(cè)的滑片相對(duì)變形量較大。通過(guò)提取同圈球鉸滑片的相對(duì)變形量,同圈上球鉸滑片最小變形量與最大變形量相差4%以內(nèi)。

2.2.3 上球鉸應(yīng)力分析

上球鉸應(yīng)力分析見(jiàn)表6,表7,圖5。

表6 滑片不同間距的上球鉸受力 MPa

表7 不同SR/D上球鉸受力

從表6,表7及圖5可知,靠近球鉸中心位置的球鉸面板所受的應(yīng)力較小,離球鉸中心位置較遠(yuǎn)球鉸面板所受應(yīng)力較大,上球鉸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在球鉸面板的外側(cè)。球鉸面板所受最大應(yīng)力的位置對(duì)應(yīng)球鉸滑片最外圈,該圈上的球鉸滑片受力最大。隨著球鉸滑片間距的減小,球鉸面板所受最大的應(yīng)力減小。從表7可知,球鉸滑片的間距相同時(shí),SR/D取值的不同對(duì)上球鉸的受力影響稍小。

2.2.4 上球鉸受力變形分析

上球鉸受力變形分析見(jiàn)表8,表9,圖6。

表8 滑片不同間距上球鉸變形 mm

表9 不同SR/D上球鉸變形 mm

從表8,表9及圖6可知,靠近球鉸中心位置的上球鉸面板相對(duì)變形量較小,靠近球鉸邊緣位置上球鉸相對(duì)變形量較大。最大相對(duì)變形量出現(xiàn)在球鉸面板的最外側(cè),由于球鉸滑片最外圈受到的應(yīng)力最大,因此對(duì)應(yīng)上球鉸面板最外側(cè)相對(duì)變形最大。

2.2.5 下球鉸受力分析

下球鉸受力分析見(jiàn)表10,表11,圖7。

表10 滑片不同間距下球鉸受力 MPa

表11 不同SR/D下球鉸受力

從表10,表11和圖7可知,下球鉸面板處所受應(yīng)力較大位置主要位于球鉸滑片約束坑內(nèi),距離球鉸中心較遠(yuǎn)的位置下球鉸面板所受的應(yīng)力較大,離球鉸中心距離較近球鉸面板所受的應(yīng)力較小,該分布情況與球鉸滑片受力情況趨勢(shì)相似。當(dāng)球鉸滑片間距相同時(shí),球半徑SR對(duì)下球鉸的受力影響相對(duì)較小。

2.2.6 下球鉸受力變形分析

下球鉸受力變形分析見(jiàn)表12,表13,圖8。

表12 不同滑片間距的下球鉸變形 mm

表13 不同SR/D下球鉸變形 mm

從表12,表13和圖8可知,下球鉸相對(duì)最大變形部分分布于球鉸滑片約束坑處。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同滑片間距及不同球半徑的球鉸建模仿真對(duì)比分析得到以下結(jié)論:

1)球鉸靜態(tài)受力時(shí),球鉸滑片的受力、變形在球面上分布不均勻。內(nèi)圈與外圈受力相差較大,靠近外圈的球鉸滑片受力、變形較大,靠近球鉸中心的滑片受力較小。同圈上的球鉸滑片受力、變形情況相差較小。工程應(yīng)用時(shí),應(yīng)適當(dāng)提高球鉸滑片的安全系數(shù),防止球鉸滑片平均壓力較大時(shí),內(nèi)圈滑片所受應(yīng)力較小,外圈滑片應(yīng)力過(guò)大從而發(fā)生損壞。

2)球鉸滑片數(shù)量不變時(shí),滑片間距較小時(shí),球鉸滑片、上、下球鉸受力情況相對(duì)較好。因此,對(duì)于受豎向力較大的球鉸,在滑片數(shù)量不變情況下,可在合理尺寸范圍內(nèi)降低滑片間距,改善球鉸受力情況。

3)當(dāng)球鉸滑片間距一定時(shí),球鉸球半徑SR與球鉸半徑D比值SR/D對(duì)球鉸滑片及上、下球鉸的受力情況影響相對(duì)較小。因此,球鉸設(shè)計(jì)、制造時(shí)可適當(dāng)增大球鉸球半徑,在不改變球鉸受力情況下可減小球鉸的整體結(jié)構(gòu)重量。