转体球铰接触应力分析研究

李晓光 刘聪昳 郭亚晴

河北工程技术学院 河北 石家庄 050091

桥梁转体法是指将桥梁结构在非轴线设计位置制作成形后，通过转体就位的一种方法。转体施工法由于具有经济、方便、可靠、不干扰交通、不间断通航、可跨深沟河流等优点，近年来我国采用转体施工工艺的桥梁日益增多，转铰是实现其转体功能的关键结构。在桥梁转体施工过程中，球铰始终处于高应力状态。球铰接触面的高应力状态不仅会增加牵引系统造价，还可使材料发生磨损出现转动锁死现象，甚至导致在转动过程中偏移原位引起倾覆[1]。因此球铰接触面应力的分析是保证转体施工顺利进行的关键工作。

近年来，有大量学者对转体施工中关键部位受力情况、安全影响因素以及控 制要求等方面展开研究。X.ZHENG[2]分析了施工过程中环境因素对转动体系稳 定性的影响。李东峰等[3]采用有限元方法对球铰转动时的应力情况开展了研究。李洋等[4]根据球铰受偏心荷载时的应力分布规律，优化了球铰摩擦系数。但目前设计人员常采用简化计算方法对球铰接触应力进行预估，即将接触面简化为平面进行应力计算[5-9]，而实际上球铰接触面为曲面，且应力分布较为复杂，其应力 分布规律还需进一步研究。

本文以某铁路特大桥转体球铰为研究背景，转体球铰构造示意图如图1所示。采用有限元方法对转体结构进行受力分析，以转体中的球铰接触面为研究对象，分析球铰接触面应力分布规律。

图1 转体球铰构造示意图

1 计算模型及方法

1.1 有限元模型

本文采用ANSYS通用有限元分析软件建立精细化有限元模型，对球铰受力情况进行模拟。根据国家规范中的规定，平转法转体施工中钢球铰混凝土强度不得低于C50，钢材强度不得低于Q355，球铰材料参数详见表1。球铰模型中用Solid185单元模拟混凝土结构，用四面体单元进行网格划分。以顺桥向为Y方向，竖向为Z方向，横桥向为X方向建立坐标系，坐标原点位于下承台底部中心，如图2所示。不考虑开裂，材料特性基本符合线弹性理论，按各向同性均质材料处理。上球铰与下球铰的模型以及网格划分如图 3 所示。模型中下承台下底面节点全约束，上下球铰通过接触面节点自由度耦合连接。

表1 球铰材料参数

图2 模型坐标系示意图

图3 上球铰与下球铰模型

1.2 计算接触理论

本文有限元模型仅考虑竖向接触分析，水平转动过程的摩擦力采用阿蒙东摩 擦法则（Amontons' friction law ，σT=μσn），按照接触应力分布规律进行计算。 在不考虑滑移的情况下，接触边界的约束条件如下：

式中：gn为接触实体之间的间隙；σn为接触压力。因此控制方程的弱形式可表示为：

由于接触边界随着接触力发生变化，因此公式（2）是非线性问题，本文采用修正的拉格朗日法求解，求解过程由商业软件 ANSYS 执行。

2 计算结果

2.1 顺桥向正应力

对球铰接触面顺桥向应力进行提取。图4给出了球铰顺桥向正应力σx分布图，由图4(a)可以看出，上球铰从曲面顶点至上下球铰交界面压应力逐渐增大，最大压应力出现在与下球铰接触面交界处，最大值为-11MPa。上球铰从接触面边缘处至上球铰边缘，拉应力逐渐增大。上球铰与上转盘接触的两边存在较大的拉应力区，且最大拉应力约为0.98MPa。由图4(b)可以看出，下球铰应力分布规律与 上球铰基本一致，σx在顺桥向较横桥向明显。由图 4(c)、(d)可以看出，球铰内部 压应力较为均匀，虽在球铰边缘处出现应力集中现象，但受力情况良好。

图4 球铰顺桥向正应力σx 分布图

2.2 横桥向正应力

对球铰接触面横桥向应力进行提取。图5给出了球铰顺桥向正应力σx分布图，由图5(a)可以看出，上球铰从曲面顶点至上下球铰交界面压应力逐渐增大，最大压应力出现在与下球铰接触面交界处，最大值为-14.8MPa。上球铰从接触面边缘处至上球铰边缘，压应力逐渐减小。上球铰与上转盘接触的两边存在较大的拉应力区，且最大拉应力约为0.98MPa。由图5(b)可以看出，下球铰应力分布规律与 上球铰基本一致，σy在横桥向较顺桥向明显，最大拉应力为4.22MPa。由图5(c)、(d)可以看出，球铰内部压应力较为均匀，受力情况良好。

图5 球铰横桥向正应力σy 分布图

2.3 主压应力

对转体球铰主压应力进行提取，图6给出了转体球铰主压应力σ3分布图，由图6可知，球铰周围主压应力明显增大，且在接触面呈现出从中间向两边逐渐增大的分布特征。最大主压应力出现在上下球铰交界处，最大值为-41.93Mpa 。除 球铰交界处边缘，其余位置均没有出现主拉应力，应力状况良好。

图6 主压应力σ3分布图

3 结论

(1) 球铰顺桥向正应力从接触曲面顶点先减小后增大，球铰边缘出现最大拉应力，为 0.98MPa。

(2) 球铰横桥向正应力以压应力为主，下球铰应力分布规律与上球铰基本一 致，y在横桥向较顺桥向明显，最大拉应力为 4.22MPa。

(3) 球铰周围主压应力明显增大，且在接触面呈现出从中间向两边逐渐增大 的分布特征。课题名称：2022 年度河北工程技术学院校级科研课题：铁路特大桥转体球铰模拟分析，课题编号：2023HG42。