楊 康，鄭朋飛，何平根，韓家山，路 暢

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司,河南 洛陽 471000)

1 概述

轉(zhuǎn)體球鉸在橋梁建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用,目前應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟[1-2]。轉(zhuǎn)體球鉸主要由上球鉸、下球鉸及非金屬滑片等部分組成[3-4]。

非金屬滑片主要起到傳力和減小摩擦作用,滑片間距可能會對球鉸受力產(chǎn)生影響,但相關(guān)研究較少。球鉸不同球半徑的大小同樣可能會對球鉸受力產(chǎn)生影響[5]。因此,為探究球半徑對球鉸受力產(chǎn)生的影響,本文對不同球半徑的球鉸受力情況進(jìn)行對比研究分析。

本文以一座連續(xù)橋30 000 kN的轉(zhuǎn)體球鉸為例,結(jié)合轉(zhuǎn)體項(xiàng)目實(shí)際情況對球鉸進(jìn)行三維建模并采用有限元計(jì)算的方法對球鉸進(jìn)行分析,分別建立了不同滑片間距和不同球半徑球鉸的三維模型,并通過有限元計(jì)算對比分析了球鉸滑片間距和球半徑對球鉸受力的影響。

2 轉(zhuǎn)體球鉸靜態(tài)受力特性影響分析

上、下球鉸由球面面板、網(wǎng)格筋等組成,網(wǎng)格筋主要由內(nèi)、外環(huán)筋和直筋相交而成[6-7]。銷軸穿過上、下球鉸,放置在銷軸套筒中,可以抵抗球鉸轉(zhuǎn)動時的傾覆力矩(見圖1)。

2.1 球鉸仿真模型的構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際分析、計(jì)算的需要,球鉸靜態(tài)受力分析時,只考慮球鉸豎向載荷,銷軸不參與球鉸傳力[8-10]。根據(jù)有限元計(jì)算要求對球鉸、混凝土承臺建立三維模型[11](見圖2),并進(jìn)行兩種模型的有限元計(jì)算對比具體方式如下:

1)保持球鉸滑片數(shù)量不變的情況下改變球鉸滑片的間距。

2)保持球鉸滑片間距、球鉸滑片數(shù)量不變的情況下,改變球鉸的球半徑的兩種球鉸建模方式分別建立5種模型。建模情況如表1所示。

表1 球鉸建模參數(shù)

2.2 球鉸的有限元結(jié)果分析

2.2.1 滑片應(yīng)力分析

滑片應(yīng)力分析見表2,表3,圖3。

表2 球鉸滑片不同間距滑片應(yīng)力 MPa

表3 不同SR/D球鉸滑片應(yīng)力 MPa

從表2,表3及圖3可知,雖然球鉸滑片間距不同,但球鉸滑片所受應(yīng)力的分布特性相同。球鉸滑片所受應(yīng)力分布不均勻,外圈所受的應(yīng)力與內(nèi)圈所受應(yīng)力相差較大,滑片所受應(yīng)力從內(nèi)圈到外圈沿半徑方向增大。通過提取同一圈滑片上的應(yīng)力,得到同一圈滑片上應(yīng)力最大值和最小值相差在6%以內(nèi),因此球鉸靜態(tài)受力時相同半徑上的球鉸滑片受力大小基本相同。球鉸滑片隨間距減小,所受應(yīng)力也在減小。由圖3(c),圖3(d)和圖3(e)及表3對比分析可知,在球鉸滑片間距相同時,球鉸面板球半徑的變化對球鉸滑片受力影響相對較小。

2.2.2 滑片變形分析

滑片變形分析見表4,表5,圖4。

表4 不同間距球鉸滑片變形 mm

表5 不同SR/D球鉸滑片變形 mm

從表4,表5及圖4可知,靠近球鉸中心的滑片相對變形量較小,靠近球鉸外側(cè)的滑片相對變形量較大。通過提取同圈球鉸滑片的相對變形量,同圈上球鉸滑片最小變形量與最大變形量相差4%以內(nèi)。

2.2.3 上球鉸應(yīng)力分析

上球鉸應(yīng)力分析見表6,表7,圖5。

表6 滑片不同間距的上球鉸受力 MPa

表7 不同SR/D上球鉸受力

從表6,表7及圖5可知,靠近球鉸中心位置的球鉸面板所受的應(yīng)力較小,離球鉸中心位置較遠(yuǎn)球鉸面板所受應(yīng)力較大,上球鉸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在球鉸面板的外側(cè)。球鉸面板所受最大應(yīng)力的位置對應(yīng)球鉸滑片最外圈,該圈上的球鉸滑片受力最大。隨著球鉸滑片間距的減小,球鉸面板所受最大的應(yīng)力減小。從表7可知,球鉸滑片的間距相同時,SR/D取值的不同對上球鉸的受力影響稍小。

2.2.4 上球鉸受力變形分析

上球鉸受力變形分析見表8,表9,圖6。

表8 滑片不同間距上球鉸變形 mm

表9 不同SR/D上球鉸變形 mm

從表8,表9及圖6可知,靠近球鉸中心位置的上球鉸面板相對變形量較小,靠近球鉸邊緣位置上球鉸相對變形量較大。最大相對變形量出現(xiàn)在球鉸面板的最外側(cè),由于球鉸滑片最外圈受到的應(yīng)力最大,因此對應(yīng)上球鉸面板最外側(cè)相對變形最大。

2.2.5 下球鉸受力分析

下球鉸受力分析見表10,表11,圖7。

表10 滑片不同間距下球鉸受力 MPa

表11 不同SR/D下球鉸受力

從表10,表11和圖7可知,下球鉸面板處所受應(yīng)力較大位置主要位于球鉸滑片約束坑內(nèi),距離球鉸中心較遠(yuǎn)的位置下球鉸面板所受的應(yīng)力較大,離球鉸中心距離較近球鉸面板所受的應(yīng)力較小,該分布情況與球鉸滑片受力情況趨勢相似。當(dāng)球鉸滑片間距相同時,球半徑SR對下球鉸的受力影響相對較小。

2.2.6 下球鉸受力變形分析

下球鉸受力變形分析見表12,表13,圖8。

表12 不同滑片間距的下球鉸變形 mm

表13 不同SR/D下球鉸變形 mm

從表12,表13和圖8可知,下球鉸相對最大變形部分分布于球鉸滑片約束坑處。

3 結(jié)論

通過對不同滑片間距及不同球半徑的球鉸建模仿真對比分析得到以下結(jié)論:

1)球鉸靜態(tài)受力時,球鉸滑片的受力、變形在球面上分布不均勻。內(nèi)圈與外圈受力相差較大,靠近外圈的球鉸滑片受力、變形較大,靠近球鉸中心的滑片受力較小。同圈上的球鉸滑片受力、變形情況相差較小。工程應(yīng)用時,應(yīng)適當(dāng)提高球鉸滑片的安全系數(shù),防止球鉸滑片平均壓力較大時,內(nèi)圈滑片所受應(yīng)力較小,外圈滑片應(yīng)力過大從而發(fā)生損壞。

2)球鉸滑片數(shù)量不變時,滑片間距較小時,球鉸滑片、上、下球鉸受力情況相對較好。因此,對于受豎向力較大的球鉸,在滑片數(shù)量不變情況下,可在合理尺寸范圍內(nèi)降低滑片間距,改善球鉸受力情況。

3)當(dāng)球鉸滑片間距一定時,球鉸球半徑SR與球鉸半徑D比值SR/D對球鉸滑片及上、下球鉸的受力情況影響相對較小。因此,球鉸設(shè)計(jì)、制造時可適當(dāng)增大球鉸球半徑,在不改變球鉸受力情況下可減小球鉸的整體結(jié)構(gòu)重量。