球型受力模型影响分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇球型受力模型影响分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

本文作者：陈彦北 孔令俊 张振兴 李世珩 黄安民 单位：株洲时代新材料科技股份有限公司

我国自20世纪70年代以来一直采用聚四氟乙烯(PTFE)作为公路、铁路桥梁支座的耐磨板材料［1］。由于聚四氟乙烯材料具有耐磨性能不够、抗重承载、抗蠕变性能较差，容易导致冷流等缺点，难以满足铁路高速、重载的要求［2］。超高分子量聚乙烯(UHMWPE，ultra-highmolecularweightpolyethylene)具有耐磨损、耐腐蚀、耐冲击、耐低温、自、摩擦系数小、吸水率低和不易粘附异物等优良性能［3］，在国外被称为“神奇的塑料”。相关研究［4］表明:UHMWPE更适用于高应力和高速度条件下的活动支座，因此特别适合于要求较高的桥梁(如高速铁路和磁悬浮桥梁)支座上，以适应支座快速位移的需要。因此，在2007年6月颁布的《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定》［5］中规定采用UHMWPE改性超高分子量聚乙烯板取代了之前支座中广泛使用的PTFE，与不锈钢板对磨，并增加了UHMWPE板的检验方法。随后在武广客运专线的桥梁支座中大量采用UHMWPE作为耐磨板材料，从而揭开了国内采用UHMWPE作为桥梁支座耐磨板材料的序幕。球型支座是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种新型桥梁支座。由上支座板、球冠衬板、平面及球面耐磨板和不锈钢板、下支座板等组成［6］，其结构示意如图1。球型支座通过球冠衬板在耐磨板上的滑动来满足桥梁的大转角要求，可实现0.06rad以上的转动角度。球型支座既具备盆式橡胶支座的承载力大、位移大等特点，又具有传力可靠、反力均匀、转动力矩小、转动灵活、各向性能一致等诸多优良性能［7］，因此在国外从20世纪70年代初便得到广泛应用。我国第一个球型支座1988年应用于上海南浦大桥的主桥［8］，其后得到越来越广泛的应用。目前，国内球型支座规范采用的耐磨板材料仍以PTFE为主。不过，近几年随着国内经济发展，对于先进支座的重视程度不断提高，在高速铁路桥梁及重要公路桥梁的建设中大量应用采用了UHMWPE耐磨板材料的球型支座。但是对已使用各种耐磨材料的球型支座的受力性能还缺少相关研究，因此本文采用有限元法对其受力性能进行研究:分别建立了无耐磨板、采用PTFE(聚四氟乙烯)作为耐磨板及采用UHMWPE作为耐磨板的球型支座有限元计算模型，并针对各种使用工况进行仿真计算，根据计算结果给出各自的受力特点，并指出在球型支座中应用UHMWPE耐磨板的优势。

1计算模型及参数

以应用于某湘江桥的固定型球型支座为计算模型。该固定型球型支座的设计参数为:支座竖向反力60000kN;水力6000kN;纵向位移0;横向位移0;设计转角±0.05rad。该固定型球型支座的设计工况为:工况1，竖向荷载60000kN;工况2，竖向荷载60000kN，水平荷载6000kN，偏转±0.05rad。本次研究中使用ABAQUS6.10软件进行有限元仿真分析。为了便于建模且不影响计算结果，做了部分简化，去掉了锚锭钢棒部分和构造用孔洞，将模型主要分为五部分:上支座板、平面耐磨板、球冠衬板、球面耐磨板和下支座板。有限元网格均采用六面体单元，其中上支座板、球冠衬板和下支座板使用C3D8R单元，耐磨板部分使用C3D8单元，模型的有限元网格如图2所示。为了进行比较研究，分别建立了无耐磨板、采用PTFE作为耐磨板及采用UHMWPE作为耐磨板的球型支座有限元计算模型，并进行仿真分析，三种模型的几何结构完全相同。计算中采用的材料参数见表1。

2计算结果与分析

2.1有限元结果和理论解的对比参照欧标EN1337-7［9］第6条的规定，设计圆心角小于＜40°时，分布在球面耐磨板上的应力和平面耐磨板上的应力之差可以忽略不计。本次研究所用球型支座的设计圆心角为34°，满足标准规定，因此球型支座耐磨板竖向压应力理论值为29.1MPa。平面耐磨板竖向压应力有限元计算的结果见图3。由图3可知，平面耐磨板承受的竖向应力均为压应力(为负值，拉应力为正值)，PTFE耐磨板的应力值为24.2～29.2MPa，UHMWPE耐磨板的应力值为24.5～29.3MPa，中部大部分区域的应力值在29.0MPa附近，与理论值吻合非常好。由此可知，有限元分析的结果是准确可靠的。从图3中可以看出耐磨板竖向压应力在平面内的分布状况，中间稍大，边缘略小，比理论值更接近实际情况。球面耐磨板竖向压应力有限元计算结果见图4。与平面耐磨板受力情况类似，球面耐磨板承受的竖向应力也均为压应力(为负值)，PTFE耐磨板的应力值为24.7～28.6MPa，UHMWPE耐磨板的应力值为25.9～29.3MPa，中部大部分区域的应力值在29.0MPa附近，与理论值吻合也非常好。

2.2两种工况下的对比图5给出了球型支座在工况1下的竖向应力云图。由图5可见，没有使用耐磨板时的应力为－80.9～+0.2MPa，球冠衬板和上下支座板之间的圆弧面局部有很大的接触应力，且竖向应力主要分布在支座中心附近的小部分区域;采用PTFE作为耐磨板时，支座整体竖向应力为－29.2～+2.01MPa，且分布均匀，特别是在有耐磨板的区域，应力梯度变化非常小;采用UHMWPE作为耐磨板时，支座整体竖向应力为－29.3～+2.19MPa，分布情况与采用PTFE作为耐磨板时类似，分布均匀且在有耐磨板的区域应力梯度变化非常小。可见，耐磨板的使用，大大改善了支座的整体受力，使得支座整体受力更加均匀，避免了局部的应力集中。在改善支座受力方面，使用新型耐磨材料UHMWPE达到了与使用PTFE相同的效果。图5球型支座整体在工况1下的竖向应力云图图6给出了球型支座整体在工况2下的竖向应力云图。由于无耐磨板对球型支座的使用和受力非常不利，不会在实际应用中发生，这里不再做讨论，仅给出采用PTFE和UHMWPE作为耐磨板时的情况。采用PTFE作为耐磨板时，支座整体的竖向应力为－170.6～+93.0MPa。采用UHMWPE作为耐磨板时，支座整体的竖向应力为－169.4～+92.9MPa，应力分布情况与采用PTFE耐磨板时非常接近，均在有耐磨板的区域受力均匀，应力梯度变化非常小。由于水平荷载和水平转角的作用，出现了局部的应力集中。可见在支座受力方面，使用新型耐磨材料UHMWPE达到了与使用PTFE相同的效果。两种工况的对比都说明，使用UHMWPE耐磨板在改善球型支座的受力方面与使用PTFE耐磨板作用相似，均消除了支座接触部位之间的应力集中，使支座受力更均匀，且这两种耐磨板对于支座应力集中改善的幅度很接近。

3结论

使用UHMWPE耐磨板在改善球型支座的受力方面与使用PTFE耐磨板作用相似，均消除了支座接触部位之间的应力集中，使支座受力更均匀，且这两种耐磨板对于支座应力集中改善的程度很接近。因此，可以认为UHMWPE耐磨板在改善球型支座的受力方面毫不逊于PTFE耐磨板。由于UHMWPE耐磨板具有更低的密度、更优良的力学性能(高承载能力)、良好自性能及优异的耐磨损性能等，是更为理想的桥梁支座耐磨材料，特别值得在桥梁支座领域进行大规模的推广和应用。