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沙湾钢盆式橡胶支座橡胶转动性能与盆环厚度的关系

双林板式橡胶支座  2020/10/30 4:43:06  2909
内容摘要:1 概述沙湾钢盆式橡胶支座的主要作用是传递载荷,在使用过程中主要承受桥梁传递过来的静压力,又要承受汽车、火车等交通工具通过桥梁时产生的活载。随着桥梁的上下抖动,支座要承受一定转动力矩的作用。针对各种复杂的...

1 概述

沙湾钢盆式橡胶支座的主要作用是传递载荷,在使用过程中主要承受桥梁传递过来的静压力,又要承受汽车、火车等交通工具通过桥梁时产生的活载。随着桥梁的上下抖动,支座要承受一定转动力矩的作用。针对各种复杂的载荷工况,钢盆式橡胶支座的应变、应力情况如何?设计支座应该注意的主要问题有那些?在以往支座的研究过程中,只是给出了大概的设计公式,这些设计公式取的安全系数比较大,相对比较保守。这样就势必会造成一些不必要的浪费,基于此,本章节将研究支座中设计载荷与橡胶直径,橡胶厚度,盆环厚度之间的关系,以确定一个比较合理的设计范围,期望在以后的实际工程中具有相应的价值。

2 钢盆中橡胶的转动性能研究

2.1 钢盆中橡胶转动性能试验研究

转动试验用来测定支座转角与盆式橡胶支座反力矩之间的关系。铁道部科学研究院与交通部科学规划研究院对此做了相关研究。

通过研究得出以下结论:

1)试件厚度与转动力矩的关系,试件厚度愈大,满足相同转角得转动力矩愈小。

2)橡胶转角和正应力的关系:正应力越高转动力矩相应较大。

3)试件硬度和橡胶转动力矩的关系:在相同的转角条件下,橡胶硬度越大转动力矩越大。

4)试件直径与转动力矩的关系:盆式橡胶支座的转动力矩与直径的立方成反比。

钢盆式橡胶支座

以上结论只对检验支座和设计支座有一定的意义。关于橡胶支座转动到极限转角时支座的应力、应变没有提到,转动对支座性能的影响没有展开深入讨论,转动对盆环的破坏也没有做研究。因此,在
验证有限元模拟支座转动正确的基础上展开这方面的讨论很有实际意义。基于此,本文就以下问题展开讨论:

1)通过和试验结果比较,验证有限元计算结果;

2)计算出设计极限(转角±0.045Rad)下支座应力、应变。

2.2 转动力矩对支座性能影响有限元分析

1)转动力矩的施加

为保持计算结果的合理性,有限元分析时所采用模型与上面分析所采用模型参数相同。分析模型为实体模型。在橡胶面上再授盖一层很薄的钢板,以模拟上盖板,由于上盖板不作为主要研究对象,且
上盖板主要是传递力的作用,因此取上盖板的弹性模量是钢板弹性模量的 1000 倍来计算。ANSYS 中关于端面上施加力矩没有给出,但是可以把橡胶表面钢化,钢化的面与定义的钢化点祸合连接,转动力矩可以直接施加到钢化点上。避免了转动力矩向节点力的转化。

2)计算参数:

支座反力:3MN,支座极限转角:0.045Rad。计算模型为上面典型模型,约束为刚性约束。

3)计算结果分析

当支座上盖板施加转动力矩时,上盖板将随着转动力矩而转动,橡胶块也将会在上盖板的带动下而转动。转动停止的时候,橡胶板将会是下面厚一面薄。因此可以做以下推论:厚橡胶面的平均压应力会随着转动而减小,对盆环的压力面积将增大。薄面橡胶的平均压应力会变大,对盆环的压力面积减小。因此对于这两个点的应力与只承受压力状态下会产生什么样的变化还不确定。通过有限元计算能够得到合理的结果。

橡胶块在承受压力与转动力矩共同作用下后橡胶的应力分布沿橡胶块径向呈线性分布。中央部位由于橡胶的流动而变得不是很稳定,是由于有限元软件本身问题。总体趋势很明显。从这个侧面反映了橡胶的流动性。静载作用下钢盆底部受力为对称压应力,靠近盆环位置是受拉应力作用。应力分布比较均匀。在收到静载荷与转动力矩共同作用时,钢盆受到的最大压应力明显比单纯收到静载荷情况下增大,且最大压应力作用的位置也有所改变,向盆环方向移动。在另一侧,钢盆底部收到的压应力明显比静载荷情况下减小。最大拉应力也有所增大,只是对钢盆产生很小影响。

3 盆底研究与应用

3.1 盆底应力

钢盆式橡胶支座主要承受桥梁传递静压力和由于桥梁转动所带来转动力矩得作用,一般情况下,桥梁支座是承受桥梁得静压力作用。在桥梁的作用下,支座底部应力如何,对于桥墩的设计十分重要。

3.2 不同 D/H 情况

为研究不同 D 川情况下支座盆底应力情况,分别取 D/H=10,11,……,20 等 11 个系列进行了计算,计算载荷为 3MN。相同载荷情况下,不同 D/H 值的支座底部拉应力趋势:在盆中央压应力变化程度不大,最大拉应力出现距中心 200mm 处,也就是在橡胶与钢盆相交处。随着 D/H 值的增大,最大拉应力减小,说明橡胶厚度减小以后,盆底所受拉力减小。从盆底应力可以得出结论,橡胶块厚度越小越好。

4 盆环的研究与应用

4.1 盆环应力

为了解钢盆式橡胶支座再载荷作用下盆环的应力情况,铁道科学研究院与交通部规划设计院做了试验研究。盆环上各点应力平均值汇总与表。可见再使用载荷作用下盆环承压,且数值不大。由于钢盆中橡胶车厢力的作用,盆环理应受拉,但由于混凝土的弹性压缩,使支座发生锅底状变形,因而盆环受压。这种变形使盆环产生预压应力,可抵消部分盆环拉应力,对盆环受力是有利的。当将这些支座直接支撑在钢垫板上加压时,盆环应力也列于表.此时支座处于刚性支撑状态,盆环上的应力有拉有压,即使有的支座盆环上产生压应力,但数值上远小于弹性支撑的。在刚性支撑条件下,盆环仍产生压应力得原因有以下可能,一方面由于支座的初始状态盆底可能不平,因而承压时,由支座盆底的变形,会引起盆环受压。另一方面支座承压时,支座钢盆上的载荷由橡胶面扩展到支座底面,盆底应力对盆环产生弯曲应力,使盆环上口承压。

钢盆式橡胶支座的盆环对橡胶起三向约束的作用,没有盆环对橡胶的约束,橡胶很容易被压坏。如果盆环破坏,支座必将会失去其原有的承载能力,因此研究盆环厚度对承载能力的影响很有必要。由于支座转动力矩对盆环的影响要大于静载作用。因此,在计算时采用支座极限偏角状态。

由工程实际情况可知,盆环对于承受竖向载荷的支座来讲起固定橡胶作用。其主要受力为橡胶受到静载荷载荷作用后对盆环的张力,盆环相当于一镶嵌在盆底一周的悬臂梁。由悬臂梁的一般知识可知,最大变形应出现在盆环的顶部,最大应力部分应该在盆环和盆底相交处。用 ANSYS 计算结果和试验结果于理论十分符合。并且最大变形会随着盆环厚度的增加而减小,减小的趋势为一非线性趋势,在盆环厚度增加很小的时候最大变形减小很大,但是当盆环厚度达到一个水平后,盆环变形的减小程度就相当小了。因此,在实际工程实践中,并非是盆环厚度越大越好,或者是越薄越好,其厚度与橡胶支座的直径,橡胶的厚度有一定关系的。盆环变形随着盆环厚度的增加而减小,减小的规律呈非线性趋势。


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