田建德, 劉保權(quán), 馬美琴

（衡水橡膠股份有限公司, 河北 衡水 053000）

板式橡膠支座轉(zhuǎn)角對支座受力影響的仿真分析

田建德, 劉保權(quán), 馬美琴

（衡水橡膠股份有限公司, 河北 衡水 053000）

針對板式橡膠支座，在不同的轉(zhuǎn)動角度下對其進(jìn)行有限元分析。研究發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)動角度的增加，板式橡膠支座的橡膠及加勁鋼板的局部應(yīng)力急劇升高，進(jìn)而對支座的使用壽命產(chǎn)生一定的影響。

板式橡膠支座；轉(zhuǎn)角；有限元分析；應(yīng)力

0 前 言

板式橡膠支座是由多層橡膠與薄鋼板鑲嵌、粘合、硫化而成的一種橋梁支座產(chǎn)品[1]。該類型的橡膠支座須具有足夠的豎向剛度以承受

垂直荷載,且能將上部構(gòu)造的壓力可靠地傳遞給墩臺；須具有良好的彈性以適應(yīng)梁端的轉(zhuǎn)動；須具有較大的剪切變形以滿足上部構(gòu)造的水平位移。其具有構(gòu)造簡單、加工便捷、用鋼量少、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但在近些年的使用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)∶由于安裝不當(dāng)?shù)仍?導(dǎo)致板式橡膠支座安裝過程中存在一定的轉(zhuǎn)角,從而誘發(fā)受力不當(dāng)?shù)那闆r,出現(xiàn)了橡膠早期局部裂紋的現(xiàn)象。橡膠局部裂紋產(chǎn)生的原因歸根到底是由于橡膠的局部裂紋點(diǎn)的應(yīng)力超過了橡膠材料本身所能承受的極限,直接導(dǎo)致了破壞。本文通過對橡膠支座的正常及非正常使用狀態(tài)的角度,通過有限元分析[2-3],分析板式橡膠支座的受力變化和位置移動,對支座的正確安裝有一定的指導(dǎo)作用。

1 有限元分析模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

本次分析以JT/T 663—2006《公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格 系列》中的GYZ 200×35（NR）為例,其直徑為200 mm,厚度為35 mm,單層膠厚度5 mm；加勁鋼板直徑190 mm,厚度2 mm；支座形狀系數(shù)9.5。其許用轉(zhuǎn)角為0.005 1 rad。

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 ABAQUS軟件

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬類有限元軟件,與ANSYS和SPA2000等軟件相比, ABAQUS具有更加豐富的單元庫,尤其對高度非線性問題的求解,用戶僅需提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料屬性、接觸關(guān)系和荷載工況等數(shù)據(jù)。在非線性分析中,ABAQUS能自動選擇合適的荷載增量和收斂準(zhǔn)則,并在分析過程中不斷調(diào)整這些數(shù)值,較適合用來分析板式橡膠支座的受力情況。

1.2.2 模型材料屬性

根據(jù)板式橡膠支座的實(shí)體尺寸進(jìn)行有限元分析建模,橡膠件的計(jì)算涉及多個學(xué)科方面的理論知識,其力學(xué)行為對溫度、環(huán)境、應(yīng)變歷程、加載速率的影響都非常復(fù)雜,本次分析在標(biāo)準(zhǔn)的使用條件下進(jìn)行。橡膠材料選用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型,材料屬性如表1、表2所示。

表1 橡膠材料Mooney-Rivlin模型常數(shù)

表2 鋼板材料屬性

1.2.3 邊界條件及內(nèi)部接觸設(shè)置

為了準(zhǔn)確模擬支座的支撐邊界,在支座上、下底面各建立了直徑220 mm、厚20 mm的剛體,在上部剛體參考點(diǎn)RP-1上施加豎向荷載和轉(zhuǎn)角,完全固定約束下剛體參考點(diǎn)RP-2（如圖1所示）。

圖1 邊界條件設(shè)置圖

本模型由多個部件組成,加勁鋼板與橡膠采用“綁定”的約束方式,剛體與橡膠間的接觸面法向方向設(shè)置成“硬接觸”,其含義為∶接觸面之間能夠傳遞接觸壓力的大小不受限制；切向方向設(shè)置為“粗糙”接觸,不會產(chǎn)生滑移。1.2.4 網(wǎng)格劃分

ABAQUS中幾何模型的建立采用特征建模的方式,由于橡膠變形較大,因而需要劃分較密的網(wǎng)格,同時,細(xì)化大變形處部件的網(wǎng)格也是解決收斂問題的一個有效的方法。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 橡膠的有限元網(wǎng)格劃分

2 有限元模型的分析結(jié)果

板式支座在使用中主要受到以下幾種力的作用∶梁體的豎向載荷；梁體位移時的水平載荷；梁體的轉(zhuǎn)動。JT/T 4—2004 《公路橋梁板式橡膠支座》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定∶對于板式橡膠支座整體而言,豎向載荷產(chǎn)生的應(yīng)力小于10 MPa,剪切位移小于支座厚度的70%,轉(zhuǎn)角一般小于0.01 rad。

在實(shí)際工程安裝使用中,豎向載荷及水平位移一般都在使用范圍內(nèi)。但施工過程中由于支撐墊石的不水平、梁體底面的不水平,在安裝過程中,梁體底面與支座墊石平面形成了一定的夾角,安裝支座后使得支座產(chǎn)生了人為的初始轉(zhuǎn)角,而這種初始夾角往往超出了支座的許用轉(zhuǎn)角。本次分析主要從這種人為產(chǎn)生的初始轉(zhuǎn)角人手,針對板式橡膠支座在標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力狀態(tài)下,轉(zhuǎn)角在0、0.005 1、0.020 0、0.030 0 rad的情況下,對鋼板和橡膠的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析（圖3～圖5）。

由圖3可以看出∶在轉(zhuǎn)角為零時,橡膠層的局部最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座外緣鋼板層中心點(diǎn)處,此時鋼板和橡膠的等效應(yīng)力最小。

由圖4可以看出∶在轉(zhuǎn)角為0.005 1 rad時,橡膠層的局部最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座外緣鋼板層中心與轉(zhuǎn)動法線交叉處,鋼板層的最大應(yīng)力點(diǎn)偏離了鋼板的中心位置,此時支座沒有局部脫空現(xiàn)象產(chǎn)生。

由圖5可以看出∶在轉(zhuǎn)角為0.020 0 rad時,橡膠層的局部最大應(yīng)力出現(xiàn)在支座外緣鋼板層中心與轉(zhuǎn)動法線交叉處,鋼板層的最大應(yīng)力點(diǎn)更加偏離了鋼板的中心位置,此時支座出現(xiàn)了局部脫空現(xiàn)象,脫空間隙達(dá)2.089 mm（見圖6）。

圖3 轉(zhuǎn)角為0時的橡膠與鋼板層等效應(yīng)力圖

圖4 轉(zhuǎn)角為0.005 1 rad時的橡膠與鋼板層等效應(yīng)力圖

圖5 轉(zhuǎn)角為0.020 0 rad時的橡膠與鋼板層等效應(yīng)力圖

由圖7可以看出∶在轉(zhuǎn)角為0.030 0 rad時,橡膠層的局部最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在支座外緣鋼板層中心與轉(zhuǎn)動法線交叉處。鋼板層的最大應(yīng)力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到鋼板的中心位置,成長條形布置。此時鋼板和橡膠的等效應(yīng)力最大,支座出現(xiàn)了嚴(yán)重的局部脫空現(xiàn)象,脫空間隙達(dá)3.480 mm。不同轉(zhuǎn)角對支座受力影響的具體數(shù)據(jù)詳見表3。

由表3可見∶隨著支座所受轉(zhuǎn)角的角度增大,支座內(nèi)部橡膠與鋼板的內(nèi)應(yīng)力增大。當(dāng)轉(zhuǎn)角為0.020 0 rad時,橡膠部分承受的壓應(yīng)力為9.196 MPa,接近支座的設(shè)計(jì)極限應(yīng)力10.000 MPa。隨著轉(zhuǎn)角的增大,支座與梁體之間出現(xiàn)了局部脫空。當(dāng)支座與梁體之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,也就是支座中的局部承擔(dān)著所有的載荷,局部點(diǎn)的應(yīng)力接近或者超過了支座設(shè)計(jì)時極限應(yīng)力,加速了橡膠部分的老化,外觀表現(xiàn)為支座的橡膠部分產(chǎn)生裂紋。

圖6 支座的脫空位置圖

表3 不同轉(zhuǎn)角對支座的受力影響

3 結(jié) 論

有限元分析表明∶板式橡膠支座在同等的豎向載荷下,隨著轉(zhuǎn)角的加大,橡膠和鋼板的局部應(yīng)力急劇升高。在支座僅發(fā)生0.030 0 rad轉(zhuǎn)角時,對支座內(nèi)的橡膠或者鋼板產(chǎn)生的局部應(yīng)力升高了8.8倍,支座已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。支座橡膠部分在這種高應(yīng)力狀態(tài)下隨著時間的推移,在熱老化、氧老化、交變載荷（動載）的綜合作用下產(chǎn)生了局部破壞,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。因此應(yīng)采取措施盡量減少支座安裝初期因人為因素造成的轉(zhuǎn)角。

圖7 轉(zhuǎn)角為0.030 0 rad時的橡膠與鋼板層等效應(yīng)力圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 莊軍生. 橋梁支座(第三版)[M].北京: 中國鐵道出版社, 2008:20-50.

[2] 晏紅文,田紅旗,黃友劍,陳燦輝,楊軍. 有限元法在機(jī)車車輛橡膠元件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)車電傳動, 2007(06) :33-37.

[3] 高劍虹. 減振橡膠支座的非線性有限元分析[D]. 福州:福州大學(xué), 2006.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Simulation Analysis on the Inf uence of Turn Angle on the Plate Rubber Bearing

Tian Jiande, Liu Baoquan, Ma Meiqin
(Hengshui Rubber Co.,Ltd., Hengshui 053000, China)

The f nite element analysis of plate rubber bearing under different rotation angles was introduced. The result shows that with the increase of the plate rubber bearing’s turn angle, the local stress of the rubber and stiffening steel plates increases sharply, and then makes effect on the service life of the rubber bearings.

Plate Rubber Bearing; Turn Angle; Finite Element Analysis; Stress

TQ 336.4+3

B

1671-8232(2015)07-0044-05

2015-05-19