铁2017年第6期 道建筑 49 Railway Engineering 文章编号:1003—1995(2017)06・0049—04 偏载状态下的桥梁转体球铰性能分析 宋建平,王 勇,姜文英 (洛阳双瑞特种装备有限公司,河南洛阳471000) 摘 要 针对一座连续梁桥120 MN转体球铰,按照常规方法和改进的方法分别计算了球铰理论转动 偏心距,结果表明项目给出的实际偏心距均小于球铰理论转动偏心距,不会引起球铰竖向转动。同时, 通过有限元仿真计算了偏心受载状态下球铰部件的受力和变形情况,以及对球铰转动摩擦性能的影响, 计算结果表明偏载对球铰强度、刚度和摩擦性能的影响较小。理论计算和仿真模拟结果表明了球铰在 偏载状态下设计的安全性,为工程项目的实施提供参考。 关键词桥梁;转体施工;数值计算;球铰;性能分析;偏载 U455.465 文献标识码A DOI:10.3969/j.issn.1003—1995.2017.06.12 中图分类号转体球铰在桥梁建设中的应用已日益成熟 。 dM =RcosOdF,dF= oo'dA 由于转体施工过程中,梁体浇筑产生的局部超方,曲线 梁自重引起的不平衡荷载,风载等因素均有可能导致 转体上部结构重心与桥墩中心线偏心。在正载下,球 铰的受力目前研究较多 “ ,偏载作用对球铰受力、摩 dA=2wrds, =O'oCOSO ∈(0, )(2) :arcsin(rl/尺),r=Rsin0 ds=RdO, 0=F/("rrR sin ) 式中:F为球铰上部结构自重;e为偏心距;R为球铰球 擦性能等方面可能有影响,但相关研究较少。 本文以一连续梁桥120 MN转体球铰为例,按照 常规方法 和改进方法 并结合实际球铰非金属滑 面半径;r 为球面弦长一半; 为初始静摩擦系数。 同时设曲面法线方向上的正应力呈余弦分布,得 到球铰转动时的偏心距为 e=2Ix。尺(1一COS )/(3sin ) (3) 板静摩擦系数,分别计算了转体球铰转动时的偏心距, 然后取二者之间的较小值与设计单位提供的实际偏载 数据进行判断比较。通过有限元计算了偏载状态下球 铰各部件的受力和变形情况,最后分析了偏载对转体 球铰摩擦性能的影响。通过上述理论分析和有限元计 算结果探讨偏载下的转体球铰性能,为工程提供参考 意见。 / /L竺f .- 1 球铰转动偏心距理论计算 1.1 常规方法 \\ / FI / —\ 一\ \ 常规方法是将球铰摩擦面分为有限个微面(见图 1),每个微面上的摩擦力向球铰转动中轴线求矩,且 力臂Rcos0为一个定值,各微面摩擦力矩之和即为摩 阻力矩,平衡力矩公式如下 图1 转体球铰偏心受力结构示意 F.。一广dJ ::0 0 (1) 1.2 改进方法 改进方法认为在微圆环中各点到旋转轴的距离是 其中 收稿日期:2017-叭一I1;修回日期:2017-04—18 不等的,文献[6]中球铰转动时偏心距计算公式为 e=4Ix。R[1/8+ /4一(cos2o ̄)/8]/ (vrsin OL) (4) 作者简介:宋建平(1972一),男,高级工程师。 E・mail:1y725—12@126.COB 当球铰竖向均布载荷为50 MPa时,非金属滑板实 删 始静 擦系数 0.027 4左, 将球铰 汁参数尺 =2)球铰㈠ 卡眨 方殳射筋 j 附连接部化}lI现一 定程度的心力集-}I f I j 放射筋类似悬臀梁结卡勾,仵 均 倚载作川下, 简 放射筋 集 没汁 ‘虑 、 l4.7 Mt a,最大主拉 为固定端,ffj现麻 ・般会简 j放射筋 接成 体,焊角大小需 8 000 IllI11,rl=l 790 Illll'l代入公式(3)_fu(4),分别 僻刮 为2 1.64 t-Ill_f1】I4.07('Ill,取上述结果的较小 f【fc,即 {C-f 球铰的} 部结构匝心 -j桥墩巾心线偏心 14.07 c・II 以 则球铰偏心力矩就能克服最大静摩 擦 力鲥 ,球铰 始发,卜竖向转动、 根 项f j所提供的资料,球铰的偏心主要足『{I于 3)墩台IlJ心的 人 成力为1.63 MPa( 赋jj i .随j3、 4).均小1:【:50混凝土的容许 线梁自酉1- 生的 衡简栽以及箱梁浇筑过秤『fl产: 的局部皑力‘造成的,预计偏心刊i会达到7 CIII左_右。 小于的球铰转动时 论汁算偏心距l 4_07('Ill 因此 此偏裁状念下球铰小会引起 向转动,与平铰棚比, 球饺 有转俸 怵釜念州骼的功能.口『J使发,L偏心 受裁也 r jJlIII_ 2 偏载有限元计算及结果分析 2.1 偏载对球铰结构部件的强度分析 柑{ I 述分析,偏哉虽不会发,{ 球铰转动,仉球铰 各酃件与I 绒状态的受/J分 i‘0大小存 荠 、通过 ANsYS软什 、 ‘ 厄十I! ( 【幺l 2),红偏心7(1『l 处 施』Jf】 城甜, 察球饺各部什受力情况 、 U 仃限 f‘算结 表叫: 1)球铰祭体 力水平较低( 3),最大值为 103.3 Mh,小丁一般碳钢板的容许应力。最大心力位 位于偏心一侧下 板放射筋的端部 . ’ 一… ’ 1∽,1 {{一IJ¨J’ … 3 偏载卜的球铰整体心,J分布(单位:MPa) ” ”” I” .... 州 … 川 .4偏哉卜的墩 f 心力分 (f'l ̄1位:MPa) 2.2 偏载对球铰结构部件的变形分析 限 r lfJj: 1)球铰憋体嫩火卡f『刈, 彤f 为I.33 IllII1(见图 5)。其 1球铰㈠ 板 人卡II对, 肜为0.86 mm; 饭 {卜金 渐十反乐 分 域山li人_十f1对变彤越为 0.48 IlllI1;球铰下 饭 人十¨刈 肜为0.26 i311'1"1;下面 板 ^lIi金 滑板 分 域 人相对变形量为 0.1 3 I11nl ” 1  ̄ 12 2’“: ’ 1㈣ ……… ll】_ 一、 5 偏裁 的球饺 怵变形分n (・ 位:mrn) 2)球铰 下 板变肜化fj;均址偏心一侧大于非 偏心一侧,I_I.【 …蕊【}I心Ihl外 彤依次增力" 3)混凝一f 最人Jii缩变肜 为0.80 Illnl(见图6), 同样偏心一侧大于 偏心一侧,lI_发 在: 金属滑板 承 圆分 I× 域 上述分析 永, 偏心7 c Ill状忿卜球铰的整体应 力小尚,最大等效心力 1()3.3 MPa,f 于下球 板放 2017年第6期 宋建平等:偏载状态下的桥梁转体球铰性能分析 51 为2.486~45.630 MPa;偏载为2.38~49.80 MPa,球 铰摩擦副结构非金属滑板的应力仅增加了4.18 MPa, 不到10%,可以认为2种状态下的非金属滑板受力水 平基本一致。 由表2可知,在45 MPa和50 MPa作用下,初始静 摩擦系数和动摩擦系数偏差均小于10%。综合以上 分析,可以得出在上部结构转体中心线与桥墩中心线 偏心7 cm下,球铰摩擦副转动摩擦性能与正载状态下 。 o 0 9 J2I ” ̄2674g40” 44 ” 嘧624【0j7‘ 2 45 基本一致,影响较小。 图6偏载下的墩台变形分布云图(单位:mm) 通过上述理论分析并结合有限元计算表明了该项 目在偏载状态下转体球铰性能的安全性和稳定性,为 射筋板的端部。球铰整体和内部结构件的变形维持在 较小的水平,说明球铰拥有足够的竖向刚度。另外,在 偏载状态下,球铰部件的应力和变形偏心一侧均大于 非偏心一侧,但总体差异较小。可知,偏载状态下球铰 设计是安全的。 工程实施提供参考意见。转体施工中,在球铰周围布 置了撑角和滑道,并在桥梁实际转体前完成了称重试 验和配重,最大程度消除了偏载的不利影响,从而提高 了桥梁转体的可靠性 。 2.3偏载对转体球铰转动摩擦性能的影响分析 正载和偏载下的非金属滑板的变形和应力计算结 果见表1,可知正、偏载2种状态非金属滑板的最大应 力和变形偏差分别为4.18 MPa和0.15 mm。对于非 金属滑板的容许应力和竖向变形来说,二者的偏差较 小。在竖向压应力10~100 MPa范围内,基板与非金 属滑板间的摩擦系数随载荷的变化情况见表2。 表1 非金属滑板受力及变形 3 结论 1)针对一项目120 MN转体球铰按照2种理论方 法分别计算了球铰转动时的偏心距,计算的偏心距均 大于设计单位提供的实际偏心距,说明球铰不会发生 竖向偏转。 2)通过有限元计算了偏载下的转体球铰各部件 的受力和变形,分析结果表明各部件强度和刚度满足 使用要求。 3)分析了偏载对球铰摩擦性能的影响,结果表明 偏载下非金属滑板的应力变化较小,在此变化下对球 铰摩擦性能影响较小。 表2基板与非金属滑板间的摩擦系数 参 考 文 献 [1]郭恒.北盘江大桥12 000 t转体球铰的研制与应用[J].材 料开发与应用,2001,16(5):36—39. 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[8]苏巨峰,李磊,黄健,等.连续梁桥平转施工称重试验方法优 化研究[J].铁道建筑,2016(8):14—18. 52 铁道建筑 June,2017 Analysis of Spherical Hinge Performance in Rotation of Bridge Under Eccentric Load SONG Jianping,WANG Yong,JIANG Wenying (Luoyang Sunrui Special Equipment Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471000,China) Abstract According to the conventional and improved two methods.the theoretical rotation eccentricities of the 1 20 MN spherical hinge were calculated respectively.The results showed that the actual eccentricity百Ven by the project was less than the calculated value.The actual eccentricity would not cause山e vertical rotation of spherical hinge.At he same titme,the finite element simulation was used to calculate the stress and deformation of spherical hinge parts, and the influence on the friction performance of spherical hinge was also analyzed.The calculated results show that the eccentric load has less influence on the strength,stiffness and friction performance of spherical hinge.The theoretical calculated and simulated results verified the safety of spherical hinge under eccentric load condition design.The results can provide a reference for the implementation of the project. Key words Bridge;Rotation construction;Numerical calculation;Spherical hinge;Performance analysis;Eccentric 1oad (责任审编 赵其文) (上接第43页) Study on Seismic Isolation Schemes of Multi-span Continuous Girder Bridge QIU Xinlin 一,LIAO Ping ,ZHAO Renda ,JIA Yi ,ZHAN Yulin ,FU Guangqi (1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China;2.Chaozhang Expressway Management Center of Nanyue Communication in Guangdong Province,Guangzhou Guangdong 5 10101,China; 3.National Engineering Laboratory for Technology of Geological Disaster Prevention in Land Transportation, Chengdu Sichuan 610031,China) Abstract In order to improve the seismic performance of multi‘span continuous rder bridge,the Han River Bridge wih spanst of(55+4 x 90+55)m was selected as the research background.The software ANSYS was used to establish the finite element model of full bridge,and the seismic responses of the bridge structure with different seismic isolation bearings were analyzed and compared on the basis of the nonlinear time history analyrsis method. The results show that the longitudinal floating vibration mode,transverse bending vibration mode and the corresponding frequencies of the Han River Bridge under different isolation schemes are different.Friction pendulum isolation bearing should be preferred as isolation bearing scheme of the Han River Bridge.The bending moment at pier bottom,the pier。irder relgative displacement and the bearing displacement should be taken into consideration during the selection of seismic isolation bearing scheme. Key words Multi—span continuous girder bridge;Seismic isolation bearing;Nonlinear time history analysis method; Han River Bridge;Natura1 vibration characteristic;Seismic response (责任审编 赵其文)