大噸位橋梁支座主要結構受力特性的數值研究

摘要：橋梁支座的力學性能和可靠性對橋梁的正常承載和安全性有重要的影響。盆式橡膠支座的關鍵受力部件為橡膠板和盆環，球型支座的關鍵受力部件為球冠襯板和球面四氟板。從工程設計的角度出發，針對盆式橡膠支座，采用數值的方法，著重研究了盆環受力特性，將盆環受力的數值結果與工程設計驗算結果進行對比分析，發現二者吻合度非常理想；對于球型支座，同樣采用數值方法分析了其在不同荷載作用下的應力分布特點，找出了受力結構的高應力區。

關鍵詞：盆式橡膠支座" 球型支座" 數值分析" 盆環" 球冠襯板

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

橋梁支座是橋梁結構的一個重要組成部分，是連接橋梁上部結構和下部結構的重要結構部件。其中，盆式橡膠支座有質輕、有效高度低、易制造、節材、造價低等特點，并且具有承載能力強、容許支座位移量大、轉動靈活等優勢，因此，其特別適宜在大跨徑橋梁上使用。球型支座是在盆式橡膠支座的基礎上發展起來的一種支座形式，與其它支座相比，其容許轉角更大，且不存在橡膠老化問題，因此，其特別適用于低溫地區，以及寬橋、曲線橋、坡道橋和斜橋等復雜橋梁。

王宏謀[1]通過橡膠材料的有限元計算結果與試驗結果的對比，得到橡膠合理的計算泊松比。劉岳兵等人[2]運用ANSYS有限元分析軟件開展研究，提出了盆式橡膠支座主要結構尺寸的合理選取范圍。劉沛[3]通過3D盆式橡膠支座模型數值模擬，優化了盆式橡膠支座的幾何尺寸。邱仕義[4]利用ABAQUS軟件進行有限元仿真模擬，發現模擬結果與理論公式擬合較好。楊靜等人[5]解決了橡膠支座豎向與水平兩種荷載耦合作用時大剪切變形的幾何非線性問題。吳迪等人[6]利用有限元方法通過豎向單調加載的數值模擬，發現約束橡膠支座具有更低的豎向剛度和更高的豎向承載力。汪奇翰等人 [7]通過試驗對現有計算公式進行評估，重點研究了支座的水平與豎向剛度的壓應力相關性。王錦[8]研究了球型支座主要受力部件接觸面的參數特性，為開展有限元分析和設計提供參考。李軍[9]對超大噸位球型支座進行了有限元分析研究，為支座的設計和制作提供了新思路。桂長忍等人[10]等對服役十余年的球型支座進行了震后性能研究，提出進一步改善支座的抗風沙能力有助于提高其使用壽命。

1 工程實用案例

滬昆線樟樹贛江特大橋（K832+666）因原有支座劣化嚴重需要更換，新更換的支座擬采用盆式橡膠支座和球形支座，本文現將這兩種支座分別進行受力分析研究。

對于盆式橡膠支座，其豎向承載力設計值P1為3 000 kN，橫向承載力設計值P2為豎向力的10%，鋼盆材質為ZG270-500，其抗拉強度fu≥500 N/mm2，屈服強度fy≥270 N/mm2，鋼盆內的承壓橡膠板采用天然橡膠，硬度IRHD為60。

對于球型支座，其豎向承載力設計值P1為3 000 kN，橫向承載力設計值P2為豎向力的15%，支座鋼件部位也采用ZG270-500。

2 盆式橡膠支座

2.1鋼盆設計計算

取盆環內徑D1=360 mm，盆環外徑D2=450 mm，橡膠板厚度t=24 mm，盆環高度h=35 mm。

由豎向設計荷載P1產生的盆環拉力計算公式[11-12]如下。

盆環拉應力驗算公式如下。

盆環剪應力驗算公式如下。。

從式（2）和式（3）的驗算結果可以看出，盆環所受的拉應力和剪應力均符合設計要求，因此，盆環尺寸選用符合要求。

2.2 數值模型

橡膠板采用Mooney -Rivlin模型[1，3，6]，取C10=0.4、C01=0.1，泊松比v=0.4998，鋼盆采用雙線性彈塑性模型，彈性模量取205 GPa，泊松比取0.3，屈服強度取270 MPa。橡膠板直徑360 mm，厚度24 mm，鋼盆外徑450 mm，內徑360 mm，盆環高度35 mm，盆底厚度15 mm。

2.3 結果與分析

2.3.1 環向應力

從式（2）中可以看出，盆環的拉應力由橫向荷載與豎向荷載共同作用產生，二者作用為線性疊加狀態，且未考慮鋼盆底部對盆環受力的影響。豎向荷載產生的盆環截面上各單元的拉應力σθ分布如圖2所示。

橫向荷載產生的盆環截面上各單元的拉應力σθ分布如圖3所示。

從圖2和圖3中可以得到，橫向荷載與豎向荷載共同作用產生的盆環疊加應力為79.7 MPa+95.1 MPa=174.8 MPa，與式（2）的計算結果σθ=176 MPa非常吻合。

2.3.2 剪應力

從式（3）中可以看出，盆環底部的剪應力由1.5倍橫向荷載與豎向荷載共同作用產生，二者作用為線性疊加狀態。豎向荷載產生的盆環與盆底交界處各單元剪應力分布如圖4所示。

1.5倍橫向荷載產生的盆環與盆底交界處各單元剪應力分布見圖5。

從圖4和圖5中可以得到，橫向荷載與豎向荷載單獨作用產生的盆環底部疊加剪應力為5.0 MPa+13.9 MPa= 18.9 MPa，略小于式（3）的計算結果τ=21.75 MPa。

3 球形支座

球型支座由上支座板（含不銹鋼板）、球冠襯板、下支座板、平面四氟板、球面四氟板和防塵結構等組成，其核心受力部件如圖6所示。

3.1 數值模型

對球冠襯板、球面四氟板和下支座板建立數值分析模型，主要尺寸如圖6所示。球冠襯板和下支座板均為鋼制材料，采用彈塑性材料模型，彈性模量取210 GPa，泊松比取為0.3；球面四氟板材料彈性模量取850 MPa，泊松比取0.45。下支座板底部采用全約束邊界，建立分析模型。

3.2 分析結果

圖7顯示的是模型的豎向變形云圖。從圖上可以看出，最大變形量小于0.4 mm，模型總高度77 mm，滿足支座的豎向壓縮變形不應大于制作總高度的1%的要求[13]。

圖8顯示的是模型的等效應力分布云圖。從圖上可以看出，應力最大區偏向一側，而對于球冠襯板，在另一側還會出現一個小范圍的高應力集中區。模型中，鋼件部分的最大等效應力約為211.10 MPa，小于材料屈服強度，滿足要求。

4. 結論

根據設計參數，對盆式橡膠支座和球型支座進行數值受力分析，得出如下結論。

（1） 盆式橡膠支座中橡膠板和鋼盆的設計參數取值合理。

（2） 對于盆環的環向拉應力和剪應力，模擬結果與工程設計計算的驗算值比較一致。

（3） 對于球型支座，其球面四氟板比球冠襯板和下支座板所承受的應力水平要低。

（4） 對于球型支座，橫向應力的存在會導致模型鋼件部分的應力最大區域在模型兩側，而不是在鋼件的中心區域。

（5） 數值方法能夠反映出受力結構截面上不同位置的應力分布情況，而工程設計計算的驗算值只是截面應力的平均值，因此，數值方法的能夠刻畫出截面應力分布的非均勻性。

參考文獻

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