球型支座与上下部结构之间特性研究.pdf

铁道建筑
2012年第3期
Railway Engineering
文章编号:1003-1995(2012)03-0005-03
球型支座与上下部结构之间特性研究
何维,王少华,严情木
(西南交通大学机械工程研究所,四川成都610031
摘要:采用轴对称有限元模型,加入桥跨及混凝土墩台结构,对10MN球型支座进行了非线性接触有限
元分析,确定了桥跨结构梁体合理厚度模型。研究了支座与混疑土墩台之间摩擦系数对支座的性能影
响,建议摩擦系数取值为0.4左右;对比研究试验エ况与实际工况下支座应力与变形情沉,两者之间有
定差距,对武验数据要正确合理地采用。
关键词:球型支座混凝土墩台非线性接触分析
中图分类号:U443.2文献标识码;:A
随着桥梁建设事业的发展,大跨度桥粱不断涌现,对
桥梁支座的承载能力位移和转角能力的要求不断提高,
有限元模型的简化与建立
需要开发和研究与之相适应的各种新型桥梁支座。球型2.1有限元模型筒化
支座属于钢支座的一种,20世纪70年代在国外发展起
球型支座有限元分析主要研究支座关健结构,如
来,具有承载能力大,转动灵活,不存在橡胶老化问题,使图1所示结构,不考虑防尘结构以及辅助部件。为了
用寿命长等特点,能够适应曲线桥、宽桥以及坡道上桥梁更全面研究工作状态下的球型支座,在支座模型中加
支座的需要。球型支座不仅应用在桥梁方面,在综合体入混凝土桥跨与墩台结构,使分析结果更加准确,更加
育馆、会展中心等大型建筑上也得到广泛应用,因此,有贴近实际。
必要对球型支座进行研究。经过必要的模型简化处理,2.2有限元模型建立
采用非线性接触有限元分析方法,计算支座在垂直荷载
根据球型支座结构和传力特点,支座在传递竖向
作用下应力与变形,对支座与混凝土嫩台进行一系列分荷载时,主要按照聚四氟乙烯板面积扩展进行传递,所
析,研究其中规律,对以后球型支座的理论研究、试验以以支座在向下传递竖向荷载时,其分布具有对称性。
及在实际桥梁工程中应用,提供一定参考依据。
根据支座结构传力的对称性和支座结构的对称性,可
1支座结构介绍
以采用平面轴对称模型进行有限元建模和计算,单元
选择Pane82。支座结构材料参数如表1所示。支座
球型支座一般由上支座板(含不锈钢板)、平面聚承载形式为竖向承压,荷载大小为10MN,钢结构与聚
四氟乙烯板、球冠树板、球面聚四氟乙烯板、下支座板四氣乙烯,以及钢结构与混凝土结构之间均采用接触
和防尘结构以及辅助部件(如转动套等)组成。双向单元连接,进行非线性接触分析。建立有限元模型如
活动球型支座结构如图1所示。
图2所示。
表1支座结构材料参数
参数
铸钢结构聚四氟乙烯板混凝土
弹性模量/MPa2.05×10
1500
3.3×104
泊松比
0.3
0.4
0.2
注:1ー上支座板;2ー下支座板;3一球冠村板;
平面聚四氟乙烯板;5一球面聚四氟乙烯板
图1双向活动球型支座结构示意
收日期:2011-07-22;修回日期:2011-12-19
甚金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(2010Z103)
作者简介:何维(1986-),男,湖南邵阳人,硕士研究生
图2桥跨、支座以及墩台有限元模型
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铁道建筑
支座结构尺寸以及墩台模型尺寸,在相关文献中减小,在3H以上时,等效应力减小趋势变得很平缓;
都有规定,混凝土桥跨结构尺寸在有限元分析中没有虽然桥跨梁体厚度增大会改善支座应力及变形情况,
相关要求。但混凝土桥跨结构梁体厚度,对支座有限同时也增加有限元计算的规模,降低计算效率,所以综
元分析的结果有重要的影响,合理的混凝土桥跨梁体合各个因素,选取桥跨梁体厚度为3倍支座高度,既可
厚度,直接关系到模型准确建立,于是以支座高度H以满足计算精度的要求,又可以提高计算的效率
为参照,分析厚度为0,1H,2H,3H,4H,10H的混凝土
桥跨梁体模型,0和10H是模拟没有桥跨梁体和梁体
3有限元计算结果分析
厚度很大时两种极限模型,通过分析从而确定合理的3.1支座受垂直荷载有限元计算结果分析
桥跨梁体厚度,有限元 Ansys计算结果如表2所示,支
图5为垂直荷载作用下支座等效应力云图,图6
座主要结构最大等效应力随桥跨梁体厚度变化趋势如是垂直荷载作用下支座Y方向位移等效应カ云图。
图3和图4所示。
由于桥跨结构不是研究对象,只是为了使有限元分析
表2不同混凝土桥跨梁体厚度对支座性能影响
结果更加准确和贴合实际才加进去的,所以在显示应
最大
1H 2A 3H 4A 104
力和位移云图时,不显示桥跨结构的应力与变形情况;
等效应力/MPa
上支座板560.2145.782.375.674.874.8
支座承受垂直荷载作用时,由球型支座的传力特点,下
平面四氟板
支座板发生锅底状变形,中间竖向压缩,边缘向上发生
球面四氟板
34.926.424.924.724.7翘曲,在发生翘曲的根部产生很大的拉应力,所以等效
球冠衬板
137.459,942.540.139.839.8
应力也很大;上支座板由于边缘悬空没有支承,垂直荷
下文座板13.996.586.474-674.574.5载作用下,发生较大的下挠,产生很大的拉应力,较之
150
于下支座板的拉应力更大,所以支座最大等效应力发
平面聚四氯乙烯板最大等效应力
生在这里;墩台中间部分发生弹性压缩,中间混凝土发
120
球面聚四氯乙板最大等效应力
球冠村板最大等效应力
生下沉较多,支座边缘下的混凝土,由于上面结构向上
90
翘曲,所以下沉很少,在两者连接部分的混凝土产生拉
应力较大,这些都与实际情况相符。
30
012345678910
混凝土桥跨果体厚度/XH
图3四氟板和球冠衬板应力变化趋势
上支座板最大等效应力
乏R划柳长奖期
下支座板最大等效应力
90
图5垂直荷载下支座等效应力云图(单位:MPa
012345678910
混凝士桥跨果体厚度/XH
图4上下支座板应力变化趋势
从表2中数据可以看出,在没有建立桥面结构模
型的时候,球冠衬板、下支座板等效应力都很接近铸钢
许用应力上限,上支座板、平面和球面聚四氟乙烯板的
等效应力远远超过了所用材料的许用应力,这说明这
图6垂直荷载下支座Y方向位移
种模型存在问题,不能采用。在2H,3H,4H,10H模型
等效应力云图(单位:MPa)
下,有限元分析结果,各部件的等效应力都在所用材料
许用应力范围内,是合理的模型。从图3和图4可以3.2下支座板与墩台之间系数对支座性能影响
看出,随着桥跨梁体厚度的增大,各结构等效应力相应
混凝土墩台与下支座板之间摩擦系数是由钢和