抗拉拔球型支座結(jié)構(gòu)與性能研究

羅勇歡，李世珩，夏俊勇，張振興，郭紅鋒，陳彥北

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

在颶風(fēng)較多的沿海地區(qū)以及高烈度地震區(qū)建設(shè)橋梁，橋梁支座除滿足承載能力、位移和轉(zhuǎn)動、使用壽命、減隔震、可靠性等方面的要求外，還應(yīng)滿足對豎向抗拉拔能力的要求。抗拉拔球型支座是在常規(guī)球型支座的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型橋梁支座，具有豎向抗拉拔能力，本文對其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行研究。

1 抗拉拔球型支座的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

常規(guī)球型支座主要由上支座板、下支座板、中座板以及耐磨板組成。上支座板與梁體相連，下支座板與墩臺相接，中座板是球型支座的核心部分，常規(guī)球型支座通過平面耐磨板實現(xiàn)平面滑動功能，通過球面耐磨板實現(xiàn)轉(zhuǎn)動功能。

抗拉拔球型支座是在常規(guī)球型支座的基礎(chǔ)上，為了抵抗垂直方向的拉拔力而設(shè)計的，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種支座除具備常規(guī)球型支座的基本結(jié)構(gòu)外，在上下支座板之間增加了抗拉拔結(jié)構(gòu)，包括抗拉拔板和高強度抗拉拔螺栓，以滿足豎向抗拉拔要求?？估吻蛐椭ё诘卣鸺帮Z風(fēng)發(fā)生時，能保證橋梁上、下結(jié)構(gòu)之間合理的相對位移，對高烈度區(qū)尤其直下型地震區(qū)的工程結(jié)構(gòu)有良好的抗震作用，同時也適用于沿海颶風(fēng)較多地區(qū)的橋梁工程和建筑工程等。

圖1 抗拉拔球型支座結(jié)構(gòu)剖面示意

2 抗拉拔球型支座結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

某特大橋主跨徑856 m，橋梁總長約1 194 m，橋面距離谷底高度約400m，是一座大跨度的懸索橋。該橋所用支座要求豎向承載力500 kN，抗拉拔力100 kN，順橋向位移 50mm，轉(zhuǎn)角 0.02 rad，地震峰值0.05g。本次設(shè)計針對該橋受颶風(fēng)影響而產(chǎn)生的豎向拉拔力，因此在常規(guī)球型支座的基礎(chǔ)上增加了抗拉拔結(jié)構(gòu)，通過抗拉拔螺栓聯(lián)結(jié)抗拉拔板，與上支座板和下支座板構(gòu)成簡單實用的抗拉拔結(jié)構(gòu)。

2.1 支座抗拉拔結(jié)構(gòu)主要材料與力學(xué)性能

支座抗拉拔結(jié)構(gòu)主要材料一般是Q345B、ZG270-500等，本文支座抗拉拔結(jié)構(gòu)力學(xué)校核以Q345B為參照標(biāo)準(zhǔn)。Q345B的沖擊功Akv≥34 J，斷裂伸長率δ≥19%。

Q345B屈服點、許用應(yīng)力和許用剪切應(yīng)力與板厚的關(guān)系如表1所示。

2.2 高強螺栓機械性能

支座抗拉拔螺栓采用10.9級M16×45高強螺栓，其機械性能如下:

表1 Q345B力學(xué)性能參數(shù)

抗拉強度σb=1000mPa，屈服強度σs=900mPa，許用應(yīng)力［σb］=450mPa，許用剪應(yīng)力［τb］=270mPa。

10.9級高強螺栓的屈強比值為0.9，安全系數(shù)為1.7～2.2，本文取2.0。剪應(yīng)力為許用應(yīng)力的0.6倍。

3 常規(guī)關(guān)鍵性能校核

3.1 耐磨板豎向承壓校核

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1337-7的規(guī)定，設(shè)計圓心角＜40°時，分布在球面耐磨板上的應(yīng)力和平面耐磨板上的應(yīng)力差可以忽略不計。本文設(shè)計圓心角為35°。

耐磨板豎向壓應(yīng)力σ1校核如下

式中，F(xiàn)為豎向設(shè)計承載力，N;L為球面耐磨板水平投影直徑，mm;［σ］為改性超高分子量聚乙烯許用應(yīng)力，取45mPa。

3.2 轉(zhuǎn)動能力校核

球型支座具有一定的轉(zhuǎn)動能力，在設(shè)計中需要考慮支座的載荷偏心問題，并需對中座板球面半徑與球面轉(zhuǎn)角進(jìn)行校核。

3.2.1 球面耐磨板載荷偏心校核

根據(jù)EN1337-7的規(guī)定，球面耐磨板摩擦產(chǎn)生的偏心et≤L/8時，球面在工作中才不會出現(xiàn)分離。

式中，μmax為摩擦系數(shù);r為轉(zhuǎn)動半徑，mm;Vs為水平剪力，mm;Ns為豎向壓力，N;c為底邊中心到邊的短距離，mm;a為支座設(shè)計轉(zhuǎn)角，rad;b為橫截面和滑動面間的距離，mm。

可見，et≤L/8，滿足要求。

3.2.2 中座板球面半徑尺寸校核

根據(jù)經(jīng)驗，中座板球面半徑一般應(yīng)為球面耐磨板水平投影面直徑的β倍。

校核公式為

式中，RS為中座板球面半徑，mm;β在本文中取值范圍為1.5≤β≤2.8。

本設(shè)計RS為260mm，介于1.5L(225mm)和2.8L(420mm)之間，故滿足要求。

3.2.3 中座板轉(zhuǎn)角校核

校核公式為

式中，D為中座板外徑，mm;θ為支座設(shè)計轉(zhuǎn)角，rad。

由于D為180mm，L+2RSθ=150+2×260×0.02=160.4，故可滿足要求。

4 抗拉拔螺栓校核

4.1 拉應(yīng)力校核

10.9級高強螺栓有效應(yīng)力面積為157 mm2。支座在抗拉拔工況下，按高強螺栓不承受剪力設(shè)計。支座受豎向抗拉拔力時，僅考慮螺桿受拉力。力矩平衡狀態(tài)下的螺桿拉應(yīng)力σ2應(yīng)滿足

式中，n為抗拉拔螺栓個數(shù);FL為螺栓受到的拉力，N;FB為抗拉拔板受到的拉拔力，N;z為結(jié)合圈數(shù)(一般不超過10);Ab為螺栓阻抗面積，mm2;L1為抗拉拔板的力臂，mm;L2為抗拉拔螺栓的力臂，mm;［σb］為螺栓許用抗拉應(yīng)力，MPa。

4.2 螺紋牙擠壓應(yīng)力校核

螺紋牙擠壓應(yīng)力σ3應(yīng)滿足

式中，d2為外螺紋中徑，mm;h為螺紋工作高度，mm。h=0.541p，p為螺紋螺距，mm。

4.3 螺紋牙抗剪強度校核

螺紋牙剪應(yīng)力τ1應(yīng)滿足

式中，d1為外螺紋小徑，mm;b為螺紋牙底寬度，mm，b=0.75p;［τb］為螺栓許用剪應(yīng)力，MPa。

4.4 螺紋牙抗彎曲強度校核

螺紋牙抗彎曲強度σ4應(yīng)滿足

式中，M為彎矩，W為抗彎模量。

5 抗拉拔支座有限元分析

5.1 計算工況

根據(jù)抗拉拔球型支座的實際工作情況，確定5種工況，其中工況1和工況5為最不利工況。

1)工況1:100 kN向上拉拔作用力。

2)工況2:500 kN豎向荷載。

3)工況3:500 kN豎向荷載和50 kN水平荷載。

4)工況4:500 kN豎向荷載，50 kN水平荷載，50mm縱向位移。

5)工況5:500 kN豎向荷載，50 kN水平荷載，50mm縱向位移，0.02 rad偏轉(zhuǎn)。

本文僅給出最不利工況下的有限元分析結(jié)果，在此種條件下如果經(jīng)過校核認(rèn)為支座是安全的，則認(rèn)為通過安全校核。

5.2 工況5下支座各部分應(yīng)力

工況5支座主要受力部件的應(yīng)力分布情況如下:上支座板的最大Mises應(yīng)力為34.01 MPa;平面耐磨板的最大豎向壓應(yīng)力為64.22 MPa;中座板的最大Mises應(yīng)力為90.83 MPa;球面耐磨板的最大豎向壓應(yīng)力為36.74 MPa;下支座板的最大Mises應(yīng)力為30.86 MPa。支座各金屬部件受力均小于Q345B的屈服強度，故該工況下支座設(shè)計滿足要求。

5.3 工況1下支座各部分應(yīng)力

在工況1下，只有抗拉拔板與下支座板接觸，支座整體最大Mises應(yīng)力為109.8 MPa;下支座板的最大Mises應(yīng)力為109.8 MPa;抗拉拔板的最大Mises應(yīng)力為59.70mPa。支座各金屬部件受力均小于Q345B的屈服強度，故該工況下支座設(shè)計滿足要求。

6 結(jié)論與建議

1)抗拉拔球型支座耐磨板的承載能力以及支座的轉(zhuǎn)動能力均滿足設(shè)計要求。

2)抗拉拔螺栓螺桿拉應(yīng)力、螺紋牙擠壓應(yīng)力、抗剪強度和彎曲強度均滿足設(shè)計理論要求。

3)通過有限元分析，抗拉拔球形支座能夠滿足各種工況的承載力、拉拔力、位移和轉(zhuǎn)角要求。在不利工況1下，支座拉拔力達(dá)到設(shè)計理論值，抗拉拔結(jié)構(gòu)部分能滿足設(shè)計要求;在不利工況5下豎向力、水平力、橫向位移和轉(zhuǎn)角位移均達(dá)到設(shè)計值，此種荷載情況下符合設(shè)計要求。

建議在抗拉拔結(jié)構(gòu)之間設(shè)置橡膠或彈簧等柔性減震結(jié)構(gòu)，以提高抗拉拔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

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