抗拉拔球型支座结构与性能研究

罗勇欢，李世珩，夏俊勇，张振兴，郭红锋，陈彦北

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

在飓风较多的沿海地区以及高烈度地震区建设桥梁，桥梁支座除满足承载能力、位移和转动、使用寿命、减隔震、可靠性等方面的要求外，还应满足对竖向抗拉拔能力的要求。抗拉拔球型支座是在常规球型支座的基础上发展起来的一种新型桥梁支座，具有竖向抗拉拔能力，本文对其结构与性能进行研究。

1 抗拉拔球型支座的基本结构和工作原理

常规球型支座主要由上支座板、下支座板、中座板以及耐磨板组成。上支座板与梁体相连，下支座板与墩台相接，中座板是球型支座的核心部分，常规球型支座通过平面耐磨板实现平面滑动功能，通过球面耐磨板实现转动功能。

抗拉拔球型支座是在常规球型支座的基础上，为了抵抗垂直方向的拉拔力而设计的，其整体结构如图1所示。这种支座除具备常规球型支座的基本结构外，在上下支座板之间增加了抗拉拔结构，包括抗拉拔板和高强度抗拉拔螺栓，以满足竖向抗拉拔要求。抗拉拔球型支座在地震及飓风发生时，能保证桥梁上、下结构之间合理的相对位移，对高烈度区尤其直下型地震区的工程结构有良好的抗震作用，同时也适用于沿海飓风较多地区的桥梁工程和建筑工程等。

图1 抗拉拔球型支座结构剖面示意

2 抗拉拔球型支座结构设计实例

某特大桥主跨径856 m，桥梁总长约1 194 m，桥面距离谷底高度约400m，是一座大跨度的悬索桥。该桥所用支座要求竖向承载力500 kN，抗拉拔力100 kN，顺桥向位移 50mm，转角 0.02 rad，地震峰值0.05g。本次设计针对该桥受飓风影响而产生的竖向拉拔力，因此在常规球型支座的基础上增加了抗拉拔结构，通过抗拉拔螺栓联结抗拉拔板，与上支座板和下支座板构成简单实用的抗拉拔结构。

2.1 支座抗拉拔结构主要材料与力学性能

支座抗拉拔结构主要材料一般是Q345B、ZG270-500等，本文支座抗拉拔结构力学校核以Q345B为参照标准。Q345B的冲击功Akv≥34 J，断裂伸长率δ≥19%。

Q345B屈服点、许用应力和许用剪切应力与板厚的关系如表1所示。

2.2 高强螺栓机械性能

支座抗拉拔螺栓采用10.9级M16×45高强螺栓，其机械性能如下:

表1 Q345B力学性能参数

抗拉强度σb=1000mPa，屈服强度σs=900mPa，许用应力［σb］=450mPa，许用剪应力［τb］=270mPa。

10.9级高强螺栓的屈强比值为0.9，安全系数为1.7～2.2，本文取2.0。剪应力为许用应力的0.6倍。

3 常规关键性能校核

3.1 耐磨板竖向承压校核

根据欧洲标准EN1337-7的规定，设计圆心角＜40°时，分布在球面耐磨板上的应力和平面耐磨板上的应力差可以忽略不计。本文设计圆心角为35°。

耐磨板竖向压应力σ1校核如下

式中，F为竖向设计承载力，N;L为球面耐磨板水平投影直径，mm;［σ］为改性超高分子量聚乙烯许用应力，取45mPa。

3.2 转动能力校核

球型支座具有一定的转动能力，在设计中需要考虑支座的载荷偏心问题，并需对中座板球面半径与球面转角进行校核。

3.2.1 球面耐磨板载荷偏心校核

根据EN1337-7的规定，球面耐磨板摩擦产生的偏心et≤L/8时，球面在工作中才不会出现分离。

式中，μmax为摩擦系数;r为转动半径，mm;Vs为水平剪力，mm;Ns为竖向压力，N;c为底边中心到边的短距离，mm;a为支座设计转角，rad;b为横截面和滑动面间的距离，mm。

可见，et≤L/8，满足要求。

3.2.2 中座板球面半径尺寸校核

根据经验，中座板球面半径一般应为球面耐磨板水平投影面直径的β倍。

校核公式为

式中，RS为中座板球面半径，mm;β在本文中取值范围为1.5≤β≤2.8。

本设计RS为260mm，介于1.5L(225mm)和2.8L(420mm)之间，故满足要求。

3.2.3 中座板转角校核

校核公式为

式中，D为中座板外径，mm;θ为支座设计转角，rad。

由于D为180mm，L+2RSθ=150+2×260×0.02=160.4，故可满足要求。

4 抗拉拔螺栓校核

4.1 拉应力校核

10.9级高强螺栓有效应力面积为157 mm2。支座在抗拉拔工况下，按高强螺栓不承受剪力设计。支座受竖向抗拉拔力时，仅考虑螺杆受拉力。力矩平衡状态下的螺杆拉应力σ2应满足

式中，n为抗拉拔螺栓个数;FL为螺栓受到的拉力，N;FB为抗拉拔板受到的拉拔力，N;z为结合圈数(一般不超过10);Ab为螺栓阻抗面积，mm2;L1为抗拉拔板的力臂，mm;L2为抗拉拔螺栓的力臂，mm;［σb］为螺栓许用抗拉应力，MPa。

4.2 螺纹牙挤压应力校核

螺纹牙挤压应力σ3应满足

式中，d2为外螺纹中径，mm;h为螺纹工作高度，mm。h=0.541p，p为螺纹螺距，mm。

4.3 螺纹牙抗剪强度校核

螺纹牙剪应力τ1应满足

式中，d1为外螺纹小径，mm;b为螺纹牙底宽度，mm，b=0.75p;［τb］为螺栓许用剪应力，MPa。

4.4 螺纹牙抗弯曲强度校核

螺纹牙抗弯曲强度σ4应满足

式中，M为弯矩，W为抗弯模量。

5 抗拉拔支座有限元分析

5.1 计算工况

根据抗拉拔球型支座的实际工作情况，确定5种工况，其中工况1和工况5为最不利工况。

1)工况1:100 kN向上拉拔作用力。

2)工况2:500 kN竖向荷载。

3)工况3:500 kN竖向荷载和50 kN水平荷载。

4)工况4:500 kN竖向荷载，50 kN水平荷载，50mm纵向位移。

5)工况5:500 kN竖向荷载，50 kN水平荷载，50mm纵向位移，0.02 rad偏转。

本文仅给出最不利工况下的有限元分析结果，在此种条件下如果经过校核认为支座是安全的，则认为通过安全校核。

5.2 工况5下支座各部分应力

工况5支座主要受力部件的应力分布情况如下:上支座板的最大Mises应力为34.01 MPa;平面耐磨板的最大竖向压应力为64.22 MPa;中座板的最大Mises应力为90.83 MPa;球面耐磨板的最大竖向压应力为36.74 MPa;下支座板的最大Mises应力为30.86 MPa。支座各金属部件受力均小于Q345B的屈服强度，故该工况下支座设计满足要求。

5.3 工况1下支座各部分应力

在工况1下，只有抗拉拔板与下支座板接触，支座整体最大Mises应力为109.8 MPa;下支座板的最大Mises应力为109.8 MPa;抗拉拔板的最大Mises应力为59.70mPa。支座各金属部件受力均小于Q345B的屈服强度，故该工况下支座设计满足要求。

6 结论与建议

1)抗拉拔球型支座耐磨板的承载能力以及支座的转动能力均满足设计要求。

2)抗拉拔螺栓螺杆拉应力、螺纹牙挤压应力、抗剪强度和弯曲强度均满足设计理论要求。

3)通过有限元分析，抗拉拔球形支座能够满足各种工况的承载力、拉拔力、位移和转角要求。在不利工况1下，支座拉拔力达到设计理论值，抗拉拔结构部分能满足设计要求;在不利工况5下竖向力、水平力、横向位移和转角位移均达到设计值，此种荷载情况下符合设计要求。

建议在抗拉拔结构之间设置橡胶或弹簧等柔性减震结构，以提高抗拉拔结构的稳定性与安全性。

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