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铁道建筑
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Railway Engineering
May,2012
文章编号:1003-1995(2012)05-0014-04
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)
摘要:采用与支座实际エ作状态相符的非线性接触有眼元分析方法,对常规球型支座进行研究,得到支座
各部件变形及应力分布规律。研究了四氟板面积变化对支座各部件受載情况影响,結果显示,在一定范围
内,当四氟板面半径增大,支座各部件最大复合应力减小。分析了墩台混疑土的弹性模量对支座性能影
响,随着混凝土弹性模量增大,支座各部件最大复合应力减小。为球型支座、墩台设计提供参考依据。
关键词;接触分析球型支座四氟板混凝土
中图分类号:U443.361文献标识码:A
1球型支座非线性有限元分析
弹性模量2.05×10°MPa,泊松比0.3,聚四氟乙烯板
弹性模量1500MPa,泊松比0.4,混凝土弹性模量3.3
1.1支座基本结构
x10°MPa,泊松比0.2。在实际情况下,上部结构和上
球型支座由上支座板(含不锈钢板)、球冠衬板、支座板、平面聚四氟乙烯板、球冠衬板、球面聚四氟乙
下支座板、平面聚四氟乙烯板、球面聚四氟乙烯板和防烯板、下支座板之间以及下支座板和墩台之间都是接
尘结构,以及辅助部件(如转动套,铺固螺栓)等组成。触在一起的,之间可以有滑动位移,没有完全固定,所
球型支座基本结构如图1所示。
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10MN,建立有限元模型如图2
所示。
lー上支座板;2一下支座板;3一球冠衬板;4
平面聚四氟乙烯板;5一球面聚四氟乙烯板
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
图2支座及桥跨墩台有限元模型
算结果几乎没有影响的结构,如防尘结构和辅助部件。
1.3有限元计算结果分析
根据之前的研究结果,在支座有限元计算中,需要加入
图3为支座复合应力云图,图4是支座等效位移
上部结构(桥跨)和下部结构(墩台),这样可以使计算云图。为了方便査看支座应力和变形,在云图中不显
结果更加准确,更加贴合实际;桥跨和墩台模型尺寸
示桥跨结构的受载情况。
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
从图3中可以看出,支座最大复合应力发生在上
进行有限元建模和计算,单元选择 Plane82。铸钢结构
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69.1MPa,低于铸钢许用应力
收稿日期:2011-07-22;修回日期:2012-02-11
没有发生破坏,出现较大应力是由于竖向荷载在传递
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(2010Z7T03)
过程中,由上支座板传递到平面聚四氟乙烯板上时,四
作者简介;何维(1986一),男,湖南邵阳人,硕士研究生。
氟板的面积比上支座板小。从图4中可以很清楚看
2012年第5期
球型支座结构及性能研究
到,上支座板在平面四氟板端部处开始发生下挠,产生
0.35
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
0.317
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。
0.222
0.184
80
320
与盆底部中心距离/mm
图5支座盆底位移曲线
s40
7
图3支座复合应力云图(单位:MPa)
R39.5
1840
160
与钢盆底部中心距离/fmm
图6支座盆底应力分布曲线
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
9D343
氟板(包括平面和球面)水平投影面积,研究支座各部
图4支座等效位移云图(单位:mm)
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
表1竖向荷载下支座各部件最大等效应力MPa0.8R,0.9R,R(初始四板水平投影半径)不同情况
上支座板平面四氟板球面四氟板球冠衬板下支座板
下,支座各部件受力情况,结果如表2所示。
69.1
17.6
24.5
39.5
66.0
表2四氯板水平投影面积对支座性能影响
项
0.8R0.9R
图5是支座钢盆底部位移曲线,可以看出盆底中
上支座板边缘绕度/mm
0.9
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
上支座板最大等效应力/MPa104.080.
平面四氟板最大等效应力/MPa27.3
7.6
以看出,应力从盆底中心向边缘逐渐增加,在距离中心
球面四氟板最大等效应力/MPa36.330.024.5
(5/8)R处,应力最大。由此可知,钢盆底部在此处翘
球冠衬板最大等效应力/MPa
47.539.5
曲弧度最大,产生较大拉应力。研究表明,支座承压后下支座板最大等效应力/MP
105.1
83.666.0
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
从表2中可以看出,当四氟板水平投影面积变化
部向内侧的变形也越大。
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
2四氟板面积改变对支座性能影响
座板边缘挠度也相应减小;投影面积每变化0.1R,支
四氟板是球型支座中的关键部件,球型支座就是座各部件应力变化10%~20%。由此可知,竖向荷载
通过四氟滑板来实现转角和水平位移的。研究表明,通过四氟板传递时,应力按照聚四氟板面积扩展进行