双曲面减隔震支座设计计算探讨

陈 明 华

(铁拓智能装备有限公司，河北 衡水 053000)

0 引言

双曲面球型减隔震支座分为固定双曲面球型减隔震支座、单向活动双曲面球型减隔震支座(标准为“纵向活动双曲面球型减隔震支座和横向活动双曲面球型减隔震支座”，文中统称“单向活动”)、多向活动双曲面球型减隔震支座[1]。支座设计除需要满足性能及安装要求外，很多时候还需要在其基础上考虑重量最优与降低成本，因此需要从结构形式方面适当的精简，以下从这两方面分别提出一些相应的建议，供同行参考。

1 固定双曲面球型减隔震支座下支座板伸出悬空部分强度校核

常规的固定型支座，上部圆弧实现地震位移，下部仅实现转动，因此下部位移量很小，中座板只需要较小的移动，即滑板D2最大滑动至D3处为止，见图1。然而考虑重量优化及成本，往往需要在满足强度及使用功能的要求的前提下尽量减小尺寸，如固定型的双曲面球型减隔震支座的下支座板向里缩进，即D3处以至下支座板底板尺寸减小，见图2。如果这样的话就需要校核，当中座板滑动到最远端D3边缘时的最不利情况下，下支座板的伸出部分是否满足强度要求。中座板由D2向一侧移动至D3边缘处，位移为X，则俯视图中打剖面线部分为中座板压在下支座板处，下支座板直接受压力的悬空部分。这部分的弯曲强度需要校核。方法如下：上部的荷载为：压力及上支座板及中座板的重量，通过中座板传递到下支座板上，由于其余部分是整个压在下支座板的D1部分实体上，比较安全，下面仅校核悬空部分的荷载及受力计算。

弯曲应力公式为：

(1)

剪切应力公式为：

(2)

其中，D1为下支座板实体圆柱直径，mm；D2为滑板直径，mm；D3为下支座板允许滑板滑动的最大直径，mm；X为滑板滑动的最大距离，mm；L为滑板最大滑动边缘至下支座板实体圆柱的距离，mm；L1为悬空部分面积的中心A至下支座板实体圆柱的距离，mm；F为上部荷载，N；A为悬空部分面积，mm2；A总为悬空部分面积，mm2；t为悬空部分最不利位置(力臂最大处截面)的厚度，mm；α为悬空部分面积的圆心角，rad；σ为弯曲正应力，MPa；τ为剪应力，MPa。

上部悬空部分荷载占总荷载的比值A/A总，将悬空部分的竖向压力按荷载比值分配，同样，由于此部分荷载只作用于实体圆柱D1的一部分并不是整个圆柱，因此按照接触面积在圆柱的弧长对应的圆心角α，占整个圆周2π的比值，在作为受弯曲及受剪切的截面系数。

需要指出的是，由于核算力臂L1较为繁琐，为方便取值，可将力臂取为L/2。由图2可知，悬空部分为圆弧形，重心偏右侧，因此，按L/2取较为保守，是一种便捷取法。

鉴于减重考虑支座下支座板向里缩减，除了需校核相关部分的强度外，安装也是必须考虑的因素。因为支座与下部结构螺栓、套筒连接时，需要将螺栓从上部穿过下支座板的底板，再拧入底板下部预埋的套筒内螺纹中，因此需要下支座悬空伸出部分到支座下支座板底板上面之间的空间应能够放置一定长度的螺栓(螺栓长度=下支座板厚度+螺栓伸入套筒深度，同时需保证一定的拧入深度)。

2 较大水平力情况下单向活动型双曲面球型减隔震支座的设计

一般支座有标准套图或者成套的规格系列的，都是具体参数的，能满足一些工程选型的需要。但是由于新型结构复杂多样，结构形式、受力情况、地震周期、地域情况等的不同，导致设计院可能对支座会有特殊的要求，不论是支座样式、支座功能,还是支座参数，因此成系列的套图就不能满足设计院的要求，需要自行定制设计。尤其是单向活动支座的非活动方向的水平力，有时会比系列图大很多，那么设计这部分的时候需要注意考虑以下几个问题：

1)SF-1B 实际容许抗压情况，需要适当的加长或者加高[2,3]，SF-1B主要承受水平力产生的挤压，因此挤压面的压应力应满足相关套图[3]的要求；同时，如果SF-1B通过铆接到下支座板伸出部分，那么需要考虑锚栓孔间距、直径、顺内力方向及垂直内力方向的孔至边的距离等应满足规范[4]中表8.3.4的要求。同时加长会导致支座的上支座板和下支座板外形加大，加高的话会导致支座整体高度增高，这些都会使得支座的重量增加，因此需综合考虑加长和加高的限度，保证支座重量增加最小。

2)下支座板凸台(为焊接或铆接SF-1B部位)，厚度不宜太薄，如焊接的话需要比SF-1B厚度上、下各多出2 mm～3 mm空间，即焊接空间及角焊高度尺寸。

3)限位板上需要焊接不锈钢板和SF-1B形成一对摩擦副，同时厚度不宜小于螺栓或者销轴直径，螺栓或者销轴部位限位板是受挤压、剪切和拉伸的，因此厚度必须保证限位板强度不被破坏。

4)支座地震情况下剪断力由限位板上的剪断销轴承担，当销轴被剪断后，下支座板可以通过上部的大曲面和滑板(为了摩擦耗能，滑板不设储硅脂槽)自由移动耗能。地震力必须由所有剪断销轴承担，因此剪断销轴或螺栓和上支座板、限位板为紧配合。

另外对于多向活动双曲面球型减隔震支座而言，标准中图纸并无任何限位构造，即地震来后支座上支座板和下支座板之间可以自由移动(当然由结构及其他固定或者单向活动支座的限制，也不允许多向活动支座任意移动)，建议多向活动支座本身也要设置限位构造，和结构及其他支座共同限位，起到双重保险的作用。

3 剪断销轴或螺栓的剪断力计算

销轴一般采用40Cr或者45号，如有特殊要求也可采用其他材质。

一般抗剪销轴或者抗剪螺栓通用设计是以抗剪强度设计值为计算依据，按照抗剪切强度来计算，即用剪切力/剪切面面积/剪切面个数不大于材料的抗剪强度设计值[5]，如式(3)所示。

τ=F剪断力/(n·πD2/4)

(3)

其中，τ为剪应力，MPa；F剪断力为水平剪断力，N；n为剪切面个数，单剪的情况为剪断销轴的个数，无量纲；D为剪切面直径，mm。

这种是用来承受水平剪切力的，就是在此水平力作用下，这些抗剪销轴或者抗剪螺栓能够保证不被剪断。

然而双曲面球型减隔震支座中的剪断销轴不是这样，它要求支座在结构的水平力达到剪断力的时候，销轴要被剪断，因此需要以剪断力来判定销轴的直径及数量。由于生产销轴材质的厂家出的产品多少有差异，比较精准的方法是通过试验测定，该批销轴材质的剪断力值及偏差，从而以此来设计实际支座的销轴布置。测定方法是可以通过专用电子试验机测定，如试验设备达不到，也可以通过现有设备改装测定，如通过设计一定的工装，与现有的试验设备相连接牢固并不能损坏设备，同时工装上把剪断销轴上好，通过设备自身施加竖向荷载，自行记录剪断力的数值。按照式(3)计算的结果和实际测定出来的剪断力比较，并不小于其值。

由于剪断销轴是分别在上支座板和限位板上通过紧配合固定，即一部分在上支座板内部，一部分在限位板内部，希望销轴从上支座板和限位板的接触面处剪断，因此将销轴长度在接触面处切一个V型切口(一周)，以确保材质均匀的销轴的剪断部位。因此设计销轴选取直径时，要考虑到切口尺寸比销轴直径要小，计算时需要按照切口处最小截面作为剪断截面计算，即式(3)中的D取为切口处的最小直径。

如果销轴长度较长，弯曲效应明显，还需进行弯曲计算，并核算折算应力。

确定的销轴直径和个数需要满足钢结构设计规范中表8.3.4的要求。如水平力过大导致个数较多，或者直径过大，现有材质无法满足，则需考虑用更高强度的销轴材质，以满足剪断及钢板等零件的强度要求。

4 结语

针对于双曲面桥梁球型减隔震支座的设计提出了一些实际经验的做法，如固定型的在满足强度的基础上的优化减重及之后产生的校核强度计算问题，结合图示给出了完整的计算过程；对单向活动双曲面球型减隔震支座的非系列图的较大水平力的情况下，依据标准及套图要求，支座哪些部件需要做哪方面的相应尺寸或者结构上的改动，需要考虑哪些方面的问题；对多向活动双曲面球型减隔震支座，由于双向都可以自由活动，因此提出了建议设置限位构造，和结构及其他非活动型支座共同限位，起到双重保险的作用；对固定及单向活动双曲面球型减隔震支座的剪断力设计及计算提出了计算方法及加工要求：测定剪断力、紧配合、切口等。