球球型钢支座的设计研究与思考

鲍 薇 高静青

（中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055）

球球型钢支座的设计研究与思考

鲍 薇 高静青

（中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055）

分析了球型钢支座的结构特点及工作原理,阐述了球型钢支座设计优化思路及改进方面,对于摩擦材料的选择、导向条结构的采用进行了详细地说明。同时,结合球型钢支座的设计计算和结果分析进一步深化支座设计研究,为今后球型钢支座设计者提供有益的参考。

桥梁支座 球型钢支座 设计研究 结构优化

球型钢支座发明于20世纪70年代,自80年代末引入我国后,得到了广泛的应用[5]。作为在盆式橡胶支座上发展起来的一种新型支座,球型钢支座具有承载力高、转动灵活、转角大、不存在橡胶老化等优点。它不仅可以将梁部荷载均匀的传递给下部结构,还通过球面摩擦副的转动和平面摩擦副的平动完成梁部所需的转角与平移。随着设计理念的不断更新及新型材料的应用,球型支座在完成其功能要求的基础上,在结构方面不断优化。目前,球型钢支座已经以其良好的使用性能和经济效益在公路、铁路及轻轨桥梁中占据越来越多的使用份额,因此也对球型钢支座设计提出了更高更细致的要求。

1 球型钢支座的结构特点及工作原理

作为连接桥梁上部结构和下部结构的重要部件,球型钢支座传力途径简洁,受力明确。如图1所示,梁部荷载直接作用在球型钢支座上支座板上,通过中间钢衬板的球面传给下支座板,然后下支座板将荷载均匀作用到支承垫石混凝土上。当梁端产生转动时,球型钢支座转动灵活,且各向转动性能一致。如图2所示,支座转动力矩M=N·μ·R[1],其中,N为支座竖向设计荷载；R为中间钢衬板球面半径；μ为中间钢衬板与球面滑板摩擦系数。由此可见球型支座的转动力矩只与这3个参数有关,在荷载一定情况下力矩大小为一定值,而与支座转角大小无关,因此不会像盆式橡胶支座那样,转角越大时,支座反力矩也会越大[6]。

图1 球型钢支座传力路径

图2 球型钢支座转动力矩

为满足桥梁平动及转动要求,支座内部通过滑板与中间钢衬板间形成转动摩擦副进行转动；在上支座板滑板与中间钢衬板间形成平动摩擦副进行平动。根据平动时对水平位移要求的不同,球型支座可分为双向活动支座、单向活动支座和固定支座。不同类型的支座通过在上支座板不同方向设置限位装置控制水平位移的方式达到使用要求。

2 球型钢支座的设计及细部构造

随着新材料的产生及设计理念的更新,球型钢支座在使用过程中进行不断的改进和优化,在保证功能要求的同时兼顾尺寸的要求,达到功能性和经济性的

2.1 滑动材料的改进

球型钢支座摩擦副的选用决定了支座的整体性能,因此摩擦副的设计成为控制球型支座质量的重点部分。随着滑动材料的发展,目前改性超高分子量聚乙烯板承压使用应力可达到60MPa,这对减小支座尺寸有重要影响。表1为不同材料在不同容许力情况下平面板材最小直径尺寸的对比。

表1 不同材料平面板材最小直径尺寸对比mm

由表1可以看出,改性超高分子量聚乙烯板的采用,提高了支座滑板材料的使用应力,可有效减小支座结构尺寸。

对于磨耗方面,常温时改性超高分子量板在硅脂润滑条件下与不锈钢板的摩擦系数按下公式计算：μ=1.6/（15+σm）[2][4],其中,σm为改性超高分子量聚乙烯板的平均压应力。

聚四氟乙烯滑板在相同条件下摩擦系数表达式为：μ=1.2/（10+σm）,其中,σm为改性超高分子量聚乙烯板的平均压应力。

表2 改性超高分子量与聚四氟乙烯摩擦系数对比

由表2可以看出,改性超高分子量聚乙烯滑板的摩擦系数略高于聚四氟乙烯板,但由于聚四氟乙烯板使用应力为30MPa,μ=0.030,而改性超高分子量聚乙烯滑板的使用应力为45～60MPa,μ=0.021～0.027。因此,实际使用条件下,改性超高分子量聚乙烯板的摩擦系数低于聚四氟乙烯滑板。

目前,考虑到墩顶支承垫石局部承压,综合墩身尺寸不宜过大的要求,球型支座采用改性超高分子量板作为摩擦材料时,抗压容许应力多取45MPa。

2.2 导向条的使用与侧向摩擦副的改进

由于材料的改进,侧向摩擦副采用不锈钢板与超高分子量板,即摩擦副材料由超高分子量板代替S F-ⅠB板,有效降低了挡板高度。对于转动装置,导向环适用于有水平转动要求较大的弯桥或大跨度桥梁结构,通常水平转动较小时可采用导向条的结构形式来替代导向环的设置（见图3）。导向条一侧采用弧面与下座板接触实现转动,另一侧镶嵌超高分子量板,与上座板挡板上的不锈钢板形成摩擦副实现滑动。从构造来看,导向条的采用,可有效改善转动时的受力特性,使侧向超高分子量板与不锈钢板形成面接触。此外,相对导向环结构而言有效的减小了支座尺寸,节省钢材,降低造价。

图3 两种导向结构形式

3 球型钢支座的设计计算及结果分析

目前球型钢支座设计依据主要采用我国规范并参考欧洲标准EN1337及德铁标准ETA—06/0131设计。

3.1 计算分析

式中 P——设计竖向承载力；

D——平面和球面滑板水平投影的直径；

[σ]——超高分子量聚乙烯滑板的设计应力。

（2）上、下座板厚度计算

上、下座板厚度参考欧标EN1337支座规程中有关座板的相对变形及ETA-06/0131进行计算[4]。

（1）超高分子量聚乙烯板应力计算

式中 db——上、下座板直径；

tb——上、下座板厚度；

L——滑板直径；

L0——参考直径；

NQd——活载引起的轴向力；

NGd——恒载引起的轴向力；

Ecd——混凝土弹性模量；

Ecrd——混凝土折算弹性模量。

（3）侧向转动滑块计算

为减小支座在转动过程中侧向滑板与下座板之间的接触应力,设计采用了在上座板挡块和下座板凸台之间设置了转向滑块。弧面接触应力采用“桥规”中关于弧形支座接触应力公式计算。

式中 P——设计竖向承载力；

l——侧向滑块的长度；

r1——侧向滑块的弧面半径；

Es——钢材的弹性模量；

[σj]——接触应力允许值。

（4）纵横向活动支座侧向挡块计算

纵横向活动支座侧向挡块主要受弯剪组合应力控制。

其中M为由水平荷载Q引起的弯矩

l—侧向滑块的长度；

b—侧向滑块的宽度。

（5）固定支座钢突计算

固定支座钢突采用“桥规”有关盆式橡胶支座盆突检算公式及欧标EN1337分别进行检算。

（6）螺栓计算

式中 Q——水平荷载；

n——螺栓个数；

d——螺栓直径。

（7）混凝土局部承压计算

混凝土局部受压应力计算采用《铁路桥涵钢筋混凝凝土和预应力混凝土结构设计规范》[8]TB10002.3—2005中第5.2.1条之8项公式

式中 P——设计竖向荷载；

Ac——混凝土局部承压面积；

A——混凝土计算面积。

3.2 主要计算结果

以Ag≤0.1g,设计竖向荷载为3 000kN为例,主要检算结果见表3。计算结果均满足材料允许应力、支座板相对变形及混凝土局部承压的要求,表明支座的设计安全、可靠。

表3 设计竖向荷载3 000kN主要计算结果

4 设计思考与探讨

目前,球型钢支座在我国主要用于公路桥梁,在铁路桥梁应用上主要还是以盆式橡胶支座为主,因此在依据规范使用时还存在一些不甚明确的地方,引发了设计中的思考与探讨。

计算方面,目前设计依据除《桥梁球型支座》、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》等国内规范要求外,对支座上支座板变形、上下支座板厚度、侧向摩擦材料的形状系数等进行检算时还要依据欧标EN规程。

材料方面,对于滑动材料,规范目前只给出摩擦材料的系数常温0.03、低温0.05的要求,并没有像欧标中明确指出不同温度不同材料的具体计算公式,因此在计算磨耗考虑使用寿命时所进行计算数据未能达到精准。

硅脂作为支座润滑剂对支座摩擦性能及耐久性有着重要影响,对于球型支座中要求采用国家化工行业标准HG/T2502要求的5201-2硅脂润滑剂,但目前欧标EN规程中,对此已形成支座要求硅脂性能的要求,更适合支座使用性能及摩擦副材料的使用要求。

5 结束语

球型钢支座以其良好的转动性等优点越来越多的在多项目工程上进行应用,尤其是在严寒、沿海等橡胶容易老化的地区,球型钢支座发挥了很多不可取代的优势。由于目前此种类型支座的一些细节设计及材料要求方面规范还没有明确,在设计中还需进一步摸索,在使用中积累宝贵经验,推动我国铁路球型钢支座进一步完善发展。

参考文献

[1] GB/T17955—2009 桥梁球型支座[S]

[2] BSEN 1337—1：2000Structural bearing—Part2：Sliding elements〔S〕

[3] BS EN 1337—1：2000Structural bearing—Part 7：Spherical and cylindrical PTFEbearings[S]

[4] ETA-06/0131 European Technical Approval[S]

[5] 庄军生.桥梁支座[M].北京：中国铁道出版社,2008

[6] 王心方.对球形支座限定转动力矩的规定是否必要[J].城市道桥与防洪,2004（3）

[7] TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]

Research and Though of GTQZ Design

BAOWei GAO Jing-qing

U443.362

A

16727479（2012）03-0068-03

2012-04-28

鲍 薇（1981—）,女,2000年毕业于北京科技大学工程力学专业,硕士,工程师。结合,以利于支座更好的应用。