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黃山盆式橡膠支座設(shè)計思路與計算方法
本文以2.5MN盆式支座為算例，介紹了盆式支座的設(shè)計思路與計算方法，即采用容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法相結(jié)合的設(shè)計方法，應(yīng)用經(jīng)過驗證的力學(xué)公式，來確定盆式支座各個構(gòu)件尺寸參數(shù)，使得盆式支座各個構(gòu)件既能滿足受力要求、構(gòu)造要求，又能滿足幾何要求及接觸要求。文中介紹的盆式支座設(shè)計方法將為工程人員從事相關(guān)設(shè)計拓寬思路。
由于我國橋涵設(shè)計規(guī)范對盆式支座的設(shè)計沒有提出具體要求，一般沿用容許應(yīng)力設(shè)計，而國外規(guī)范中盆式支座的設(shè)計一般按極限狀態(tài)考慮，分已運營極限狀態(tài)(SLS)和破壞極限狀態(tài)(ULS)進行檢算[1]，最終確定盆式支座按容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法相結(jié)合的設(shè)計方法，支座所承受的荷載、轉(zhuǎn)角、位移等設(shè)計參數(shù)，按照《公路橋梁盆式支座》(JT/T391-2009)[2]的規(guī)定取值。
1 設(shè)計思路與算例
以2.5MN盆式支座為算例進行設(shè)計說明，具體設(shè)計時應(yīng)用經(jīng)過驗證的力學(xué)公式[3,4]，首先進行橡膠承壓板和平面四氟板設(shè)計，然后進行鋼底盆與中間鋼板設(shè)計，最后是上支座板設(shè)計，另外還包括錨固螺栓的設(shè)計及選用。
1.1 橡膠承壓板設(shè)計
(公式1.1)
其中橡膠板的設(shè)計容許壓應(yīng)力為25MPa。由此公式確定2.5MN盆式支座橡膠板最小直徑d1=357mm，橡膠板最小厚度，且。本設(shè)計2.5MN盆式支座橡膠板直徑d1取360mm，厚度t取26mm，滿足受力和構(gòu)造要求。承壓橡膠板設(shè)計時單向支座、雙向支座、固定支座三者尺寸統(tǒng)一。
1.2 平面四氟板設(shè)計
(公式1.2)
F為豎向承載力，A為四氟板面積，容許應(yīng)力按30MPa計。由此確定四氟板直徑D取325mm，單向、雙向、固定支座參數(shù)統(tǒng)一。
1.3 鋼底盆設(shè)計
圖1鋼底盆設(shè)計示意圖
說明：，橡膠板受壓產(chǎn)生的徑向力;
，水平力產(chǎn)生的設(shè)計內(nèi)力;
，盆底橫斷面的抵抗力矩;
d, d1——盆環(huán)外徑，內(nèi)徑;t——橡膠板厚度;w——鋼板凸緣高度;
h、h2——底盆總高、盆底高度;h2=h-h1;
——鋼材屈服強度; ——材料分項安全系數(shù)。
1.3.1 鋼盆底板
受力要求：底板拉力設(shè)計值，應(yīng)滿足，γm取1.25。
盆底板構(gòu)造要求：歐標(biāo)規(guī)定，盆底最小厚度不小于12mm或d/50，并取兩者中較大者。
1.3.2鋼盆環(huán)
本設(shè)計按整體式鋼盆進行設(shè)計，按固定支座最不利受力進行計算。底盆內(nèi)的設(shè)計應(yīng)力，在作用的基本組合下，任何截面不應(yīng)超過屈服強度。鋼盆設(shè)計有如下基本假定[6]：
計算模式應(yīng)包括底盆、連接件及安裝設(shè)備要求的邊界條件。
橡膠板假定在壓力作用下具有靜壓特性。
在外水平力作用下，上頂板(或中間鋼板)與底盆環(huán)間產(chǎn)生的壓力假定以拋物線形分布在半個圓周上，其值取為平均值1.5倍。
采用底盆環(huán)與盆底分開的簡化計算時，底盆最小厚度t≥12mm。
鋼盆盆環(huán)應(yīng)力在忽視抗扭剛度的條件下，應(yīng)計算由于橡膠靜壓力產(chǎn)生的剪切力和由于實際作用水平力所產(chǎn)生的剪力和彎矩。考慮彎、剪、拉的合成應(yīng)力，在承載能力極限狀態(tài)下滿足。
拉應(yīng)力：
(公式1.3)
(公式1.4)
(公式1.5)
彎曲應(yīng)力：
(公式1.6)
剪應(yīng)力：
(公式1.7)
合成應(yīng)力，在承載能力極限狀態(tài)應(yīng)滿足：
，取1.25。 (公式1.8)
設(shè)計時鋼底盆材料取ZG270-500鑄鋼材料，其剪應(yīng)力容許值取142MPa，正應(yīng)力、拉應(yīng)力、主應(yīng)力容許值均取270/1.25=216MPa[7]。由鋼盆底板受力、構(gòu)造要求及鋼盆受力公式，結(jié)合選取鑄鋼材料，計算得到2.5MN盆式支座鋼底盆設(shè)計參數(shù)，即h1取45mm，h2取17mm，d取440mm，w取11mm，t取26mm，d1取360mm。復(fù)核計算鋼底盆設(shè)計參數(shù)均滿足承載力要求和構(gòu)造要求。
以上設(shè)計按固定支座最不利受力進行設(shè)計，為滿足通用性和互換性，方便工廠加工和以后的維修保養(yǎng)，本設(shè)計中單向、雙向、固定支座使用統(tǒng)一的鋼底盆。
1.4 螺栓設(shè)計
螺栓雖屬小配件，在支座受力中的作用卻是舉足輕重的，螺栓設(shè)計有兩方面，一是確定螺栓的位置，滿足最小邊緣距及后期更換的需要;一是受力計算，由此確定螺栓的選用型號，此處僅列出受力計算設(shè)計。
螺栓容許剪力， —屈服應(yīng)力, 一般8.8級錨栓或40Cr制作錨栓，取640MPa;n為安全系數(shù)，取2.5。由此，頂、底板螺栓剪應(yīng)力容許值取256 MPa。
螺栓剪應(yīng)力，，m為同一平面螺栓數(shù)量，4根;A為單根螺栓面積;R—水平剪力，通常按支座承載力的10%考慮。
基于上述公式，2.5MN盆式支座計算得到單根螺栓面積為24mm。其他型號依次類推，單向、雙向、固定支座螺栓設(shè)計參數(shù)統(tǒng)一。
2 小結(jié)
本文采用容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法相結(jié)合的設(shè)計方法，應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)公式，對盆式支座各部件——承壓橡膠板、平面四氟板、鋼底盆、中間鋼板、螺栓進行設(shè)計計算，本計算方法使盆式支座既能滿足受力要求、構(gòu)造要求，又能滿足規(guī)定的幾何要求及接觸要求。本文介紹的盆式支座的設(shè)計思路與計算方法，對相關(guān)專業(yè)工程人員從事盆式支座設(shè)計有一定的參考價值。
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