球型支座理論和設(shè)計(jì)

1、球型支座和減隔震球型支座摘要：球型支座由于優(yōu)點(diǎn)較多而得以在我國進(jìn)行推廣，并由鐵研院編制了相關(guān)的技術(shù)條件規(guī)程。本文試圖通過對支座受力情況以及支座的核心構(gòu)件進(jìn)行闡述，使得讀者對球型支座及其設(shè)計(jì)方法有一定的了解。為了適應(yīng)橋梁減隔震設(shè)計(jì)理念的推廣，本文還對減隔震球型支座加以闡述。關(guān)鍵詞：球型支座，規(guī)程，PTFE，減震和隔震一、緒論大噸位支座（High Load Bearings）的發(fā)明和使用是隨著橋梁的跨度和承重量的增長而產(chǎn)生的。大噸位支座根據(jù)其組成構(gòu)件的不同而分為板式橡膠支座（Stell-Rainforced Elastomeric Bearings）、盆式橡膠支座(Pot Bearings)和球型

2、支座(Spherical PTFE Bearings)，以及利用各類型支座的優(yōu)點(diǎn)組合而成的各類支座。參見圖1可知，板式橡膠支座依靠鋼板之間的橡膠豎向和水平變形，支座產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和水平位移。盆式橡膠支座依靠鋼盆內(nèi)的橡膠板豎向變形，支座產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，依靠聚四氟乙烯板（簡稱PTFE板）和中間襯板的水平滑移，支座產(chǎn)生水平位移。球型支座則是利用曲面PTFE板和不銹鋼板之間的滑動，支座產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，利用平面PTFE板和不銹鋼板之間的水平滑動，支座產(chǎn)生水平位移。 （a）板式橡膠支座 （b）球型支座 （c）盆式橡膠支座圖1 大噸位支座示意圖與其他大噸位支座比較，球型支座不僅具有承載力大的優(yōu)點(diǎn)，而且由于是通過球面四氟板的滑

3、動來實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動過程，具有轉(zhuǎn)角大、不存在橡膠老化等優(yōu)點(diǎn)，自1970年代發(fā)明，以及1980年代末引入我國后，得到了廣泛的應(yīng)用。鐵道部科學(xué)研究院于2000年編制了球型支座的國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 17955-2000球型支座技術(shù)條件，就該類型支座的技術(shù)要求和生產(chǎn)使用等方面做出規(guī)范，為在我國推廣使用球型支座提供了條件。由于球型支座技術(shù)條件并未對該類支座受力性能作詳細(xì)說明，故希望通過本文介紹各國規(guī)程關(guān)于球型支座的規(guī)定，描述該支座的工作原理、受力狀況、細(xì)部要求，并簡單闡述該支座的設(shè)計(jì)方法而使得讀者對球型支座有所了解。本文中采用的規(guī)程包括美國AASHTO 的LRFD Bridge Design Specif

4、ications，1994（以下簡稱AASHTO規(guī)程），美國SCEF的Standard 106: High Load Multi-Rotational Bearings （以下簡稱SCEF規(guī)程），英國EN 1337-7:2000的Structural bearings-Part 7: Spherical and cylindrical PTFE bearings（以下簡稱EN規(guī)程）。由于減隔震設(shè)計(jì)方法在橋梁領(lǐng)域中逐步得到采用，本文還介紹了幾種減隔震的復(fù)合球型支座。二、球型支座2.1 球型支座的分類球型支座，或者稱為球型PTFE支座，其核心部分是由一個(gè)具有外凸球面的支座板以及一個(gè)具有內(nèi)凹球面的支

5、座板，以及兩者之間的PTFE球面凸板和與之接觸的金屬板球面凹板（通常是不銹鋼板）所形成的滑移曲面組成。球型支座還采用由PTFE平板和不銹鋼板構(gòu)成的水平滑移構(gòu)件組，利用兩塊板之間的水平滑移來實(shí)現(xiàn)支座的水平位移，并且利用不同方向的限制位移裝置來控制水平位移。根據(jù)水平位移能力的不同，球型支座可以分為雙向活動支座、單向活動支座和固定支座。圖2是各種球型支座的示意圖。 (a) 雙向活動支座 (b) 單向活動支座 (c) 固定支座圖2 球型支座示意圖2.2 球型支座的作用力和承載力2.2.1 球型支座所承受的外力支座作為連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，它承受了由上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向力，水平力和彎距，在設(shè)計(jì)

6、過程中則分別體現(xiàn)為各種荷載的設(shè)計(jì)值。對于球型支座而言，水平力和彎距是由于橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)作相對運(yùn)動時(shí)，受到支座的制約而產(chǎn)生。因此，可以認(rèn)為水平力是由于支座各部分相對運(yùn)動時(shí)，由于滑動摩擦或滾動摩擦的存在而產(chǎn)生。AASHTO規(guī)定水平力設(shè)計(jì)值為： （14.6.3.1-1）其中Hu為水平荷載設(shè)計(jì)值，Pu為豎向荷載設(shè)計(jì)值，為摩擦系數(shù)。公式的編號采用規(guī)范中的編號，下同。彎距設(shè)計(jì)值Mu是由于沿著PTFE曲板的摩擦力（其方向與曲面相切）對曲面球心的積分產(chǎn)生。AASHTO規(guī)定Mu取值為：（1）當(dāng)支座沒有水平滑動構(gòu)件組時(shí) （14.6.3.2-1）（2）當(dāng)支座采用水平滑動構(gòu)件組時(shí) （14.6.3.2-2）其中

7、R是球形滑移面的半徑。但是EN規(guī)程中彎距是通過豎向荷載的偏心矩來體現(xiàn)，并詳細(xì)規(guī)定了各種情況下偏心矩的取值方法，其值如表1所示表1 EN規(guī)程中的偏心矩取值產(chǎn)生原因e的取值備注球型面摩擦滑移其中符號定義為Vs=切向力設(shè)計(jì)值Ns=軸向力設(shè)計(jì)值r=曲面半徑b=曲面滑移投影面邊長=轉(zhuǎn)動角度max=摩擦系數(shù)水平位移限制兩組滑移面相對轉(zhuǎn)動其他橫向荷載e取值根據(jù)產(chǎn)生的原因不同，為各ei值之和?？梢钥闯觯珽N規(guī)程規(guī)定的彎距Mu除了包含AASHTO規(guī)程中（14.6.3.2-1）所顯示的彎距外（體現(xiàn)為e1），還考慮到其他因素的影響。2.2.2球型支座的承載力球型支座的承載能力主要取決于PTFE球面凸板和不銹鋼球面凹

8、板的受力狀況。這屬于兩接觸球體之間受力的一種特殊情況，即凸球面和凹球面的曲率幾乎相等。這種情況并不適用于Hertz解。各規(guī)范均采用等效承載力，即采用投影面面積和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的乘積來表示。 圖3 AASHTO 承載力示意圖 圖4 EN規(guī)程 承載力示意圖AASHTO關(guān)于豎向承載力設(shè)計(jì)值的公式為： （14.7.3.2-2）其中Pr為豎向承載力設(shè)計(jì)值，D為球面水平投影半徑，ss為PTFE板的抗壓承載力設(shè)計(jì)值（在2.2.3中會有進(jìn)一步解釋），為抗力因子，取1.0。EN中與AASHTO不同之處在于它并不單純采用滑移曲面的投影面積，而是引入了等效接觸面積，其公式為： （2）其中Nsd為豎向承載力設(shè)計(jì)值，fd為

9、PTFE板的抗壓強(qiáng)度，Ar為滑移曲面的等效接觸面積，其值為：其中，為經(jīng)驗(yàn)的折算系數(shù)，根據(jù)偏心率（e/L）和轉(zhuǎn)角不同而定，在0.51.0之間，A為滑移曲面的水平投影面積。AASHTO規(guī)范中關(guān)于水平承載力設(shè)計(jì)值的規(guī)定如下： （14.7.3-2）其中，Hu為水平承載力設(shè)計(jì)值，為曲面對應(yīng)的圓心角的一半，為豎向荷載和水平荷載的夾角，u為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動角度（位移）值。角度的計(jì)算公式如下：，其余符號可參見以上各式，并在圖3、圖4中有所表示。聚四氟乙烯（即PTFE）板是球型支座中相當(dāng)關(guān)鍵的部件。由于PTFE板和不銹鋼板之間的摩擦系數(shù)相當(dāng)小，球型支座才能夠發(fā)生水平位移和轉(zhuǎn)動。對于PTFE的受力特性，以及其摩擦系數(shù)的研

10、究是球型支座研究的重點(diǎn)，本文只提供了規(guī)范中的一些結(jié)論。2.2.3.1摩擦系數(shù)PTFE板和鏡面不銹鋼板之間的摩擦系數(shù)同PTFE板的成分、是否使用硅脂作為潤滑層、溫度、以及平均壓應(yīng)力值有關(guān)。靜摩擦系數(shù)，動摩擦系數(shù)，以及在地震作用下的摩擦系數(shù)的取值也不同。表2表明了一些常見情況下的動摩擦系數(shù)值。表2 摩擦系數(shù)平均壓應(yīng)力（Mpa）摩擦系數(shù)3.5714>20PTFE類型溫度（）增加填充料板，有硅脂潤滑層200.040.030.0250.02-250.060.0450.040.03-450.100.0750.060.05無填充料板，無硅脂潤滑層200.080.070.050.03-250.200.1

11、80.130.10-450.200.180.130.10常溫下，有潤滑層的靜摩擦系數(shù)常取0.05，動摩擦系數(shù)常取0.03。AASHTO指出，在考慮地震荷載作用是，摩擦系數(shù)可以為表2數(shù)值的0.1。2.2.3.2 承載力設(shè)計(jì)值PTFE板在過大的壓應(yīng)力情況下，會發(fā)生較大的永久性變形，因此必須控制板的應(yīng)力值。AASHTO中規(guī)定了平均應(yīng)力和集中應(yīng)力下PTFE抗壓承載力設(shè)計(jì)值，表3中為常用情況下的抗壓承載力設(shè)計(jì)值。表3 承載力設(shè)計(jì)值材料平均應(yīng)力（Mpa）邊緣集中應(yīng)力（Mpa）永久荷載全部荷載永久荷載全部荷載未加填料的PTFE板14201825加填料的PTFE板28403555受側(cè)限的PTFE板304035

12、55球型支座技術(shù)條件中規(guī)定PTFE板成型時(shí)，模壓成型壓力不得小于30Mpa。三、減隔震球型支座3.1基本原理隔震是將上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)隔離開，使得在地面和下部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動量（位移、速度、加速度）幅值較大的情況下，傳遞到上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動幅值比較小。隔震系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的柔性以延長結(jié)構(gòu)周期；具有阻尼或耗能裝置以降低結(jié)構(gòu)的位移；具有一定的剛度滿足在正常使用荷載下的要求。3.2減隔震球型支座普通的球型支座，由于采用了PTFE板和鏡面不銹鋼板作為水平滑移面，而兩塊板之間的摩擦系數(shù)相當(dāng)小，因此在一定的位移范圍內(nèi)，水平向剛度很小，可以認(rèn)為是一種隔震裝置。減隔震球型支座是由普通的球型支座和阻尼器復(fù)合組成的一種支座

13、類型。阻尼器一方面可以增加水平向的剛度，另一方面則具有一定的耗能特性。阻尼器根據(jù)其耗能機(jī)制的不同，可以分為干摩擦阻尼器、流體阻尼器、材料阻尼器和滑移阻尼器。由于油阻尼器的尺寸限制，通常是與球型支座分離放置。而使用材料阻尼器則通常和球型支座成為一體式。市場上可以看到、用于減隔震球型支座的阻尼器包括高阻尼橡膠阻尼器、多鋼板彈簧阻尼器、鉛擠壓或純剪切阻尼器，其示意圖可以參見圖5。（a）高阻尼橡膠型 （b）鉛芯阻尼器型 （c）多鋼板彈簧型1、核心區(qū) 2、高阻尼橡膠阻尼器，3、鉛芯阻尼器，3、多鋼板彈簧阻尼器（圖5 減隔震球型支座）3.3骨架曲線參數(shù)一般使用修正雙線性分析模型來近似模擬減隔震球型支座的滯

14、回曲線。在使用諸如偽靜力試驗(yàn)等方法得到支座支座剪力支座位移的滯回曲線后，按以下公式獲得等效剛度和等效阻尼比： （a） （b）而后求初始彈性剛度ku和屈服后剛度kd，具體參見范立礎(chǔ)橋梁減隔震設(shè)計(jì)。四、結(jié)論根據(jù)以上的分析過程，在本文的結(jié)尾簡要地給出球型支座的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及主要注意點(diǎn)。在現(xiàn)階段，球型支座尤其是大噸位球型支座是根據(jù)每個(gè)特定的工程進(jìn)行設(shè)計(jì)并施工的，因此把握好所使用橋梁的特性是支座設(shè)計(jì)重要方面。支座設(shè)計(jì)過程主要包括：4.1支座的選用支座的選用主要考慮以下因素：（1） 最大以及最小豎向使用荷載和水平向使用荷載以及其施加的順序；（2） 結(jié)構(gòu)和建筑所需要的最大和最小轉(zhuǎn)角，水平位移量的控制；（3）

15、 支座允許的布置位置；（4） 支架、活動支撐、臨時(shí)裝置的限制。4.2支座的設(shè)計(jì)在確定支座的荷載情況和尺寸限制情況后，支座的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：（1） 根據(jù)支座的荷載情況和PTFE板的強(qiáng)度確定PTFE球面凸板的水平投影半徑以及曲面的曲率半徑；（2） 根據(jù)規(guī)范的要求確定不銹鋼板的厚度和粗糙度；（3） 根據(jù)規(guī)范的限制確定球冠襯板和下支座板的尺寸；（4） 如果有必要，進(jìn)行阻尼器的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)： 1中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：球型支座技術(shù)條件，GB/T 17955-2000 2 AASHTO :LRFD Bridge Design Specifications，1994 3 SCEF Standard

16、106: High Load Multi-Rotational Bearings, Standard 106, 2000 4CEN: Structural bearings-Part 7: Spherical and cylindrical PTFE bearings, EN 1337-7, 2000 5莊軍生：橋梁支座，中國鐵道出版社，1994 6范立礎(chǔ)：橋梁減隔震設(shè)計(jì)，人民交通出版社，2001 On Spherical Bearings He bin, Wang liang-wei (Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University)Abstract: A Specification about spherical bearings, new kinds of high load bearings for bridge, has been carried out by China Academy of Railway Science (CARS). In this paper, an expatiation on PTFE curved sliding surfaces, which