雙曲面減隔震支座設(shè)計計算探討

陳 明 華

(鐵拓智能裝備有限公司，河北 衡水 053000)

0 引言

雙曲面球型減隔震支座分為固定雙曲面球型減隔震支座、單向活動雙曲面球型減隔震支座(標(biāo)準(zhǔn)為“縱向活動雙曲面球型減隔震支座和橫向活動雙曲面球型減隔震支座”，文中統(tǒng)稱“單向活動”)、多向活動雙曲面球型減隔震支座[1]。支座設(shè)計除需要滿足性能及安裝要求外，很多時候還需要在其基礎(chǔ)上考慮重量最優(yōu)與降低成本，因此需要從結(jié)構(gòu)形式方面適當(dāng)?shù)木?，以下從這兩方面分別提出一些相應(yīng)的建議，供同行參考。

1 固定雙曲面球型減隔震支座下支座板伸出懸空部分強(qiáng)度校核

常規(guī)的固定型支座，上部圓弧實現(xiàn)地震位移，下部僅實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，因此下部位移量很小，中座板只需要較小的移動，即滑板D2最大滑動至D3處為止，見圖1。然而考慮重量優(yōu)化及成本，往往需要在滿足強(qiáng)度及使用功能的要求的前提下盡量減小尺寸，如固定型的雙曲面球型減隔震支座的下支座板向里縮進(jìn)，即D3處以至下支座板底板尺寸減小，見圖2。如果這樣的話就需要校核，當(dāng)中座板滑動到最遠(yuǎn)端D3邊緣時的最不利情況下，下支座板的伸出部分是否滿足強(qiáng)度要求。中座板由D2向一側(cè)移動至D3邊緣處，位移為X，則俯視圖中打剖面線部分為中座板壓在下支座板處，下支座板直接受壓力的懸空部分。這部分的彎曲強(qiáng)度需要校核。方法如下：上部的荷載為：壓力及上支座板及中座板的重量，通過中座板傳遞到下支座板上，由于其余部分是整個壓在下支座板的D1部分實體上，比較安全，下面僅校核懸空部分的荷載及受力計算。

彎曲應(yīng)力公式為：

(1)

剪切應(yīng)力公式為：

(2)

其中，D1為下支座板實體圓柱直徑，mm；D2為滑板直徑，mm；D3為下支座板允許滑板滑動的最大直徑，mm；X為滑板滑動的最大距離，mm；L為滑板最大滑動邊緣至下支座板實體圓柱的距離，mm；L1為懸空部分面積的中心A至下支座板實體圓柱的距離，mm；F為上部荷載，N；A為懸空部分面積，mm2；A總為懸空部分面積，mm2；t為懸空部分最不利位置(力臂最大處截面)的厚度，mm；α為懸空部分面積的圓心角，rad；σ為彎曲正應(yīng)力，MPa；τ為剪應(yīng)力，MPa。

上部懸空部分荷載占總荷載的比值A(chǔ)/A總，將懸空部分的豎向壓力按荷載比值分配，同樣，由于此部分荷載只作用于實體圓柱D1的一部分并不是整個圓柱，因此按照接觸面積在圓柱的弧長對應(yīng)的圓心角α，占整個圓周2π的比值，在作為受彎曲及受剪切的截面系數(shù)。

需要指出的是，由于核算力臂L1較為繁瑣，為方便取值，可將力臂取為L/2。由圖2可知，懸空部分為圓弧形，重心偏右側(cè)，因此，按L/2取較為保守，是一種便捷取法。

鑒于減重考慮支座下支座板向里縮減，除了需校核相關(guān)部分的強(qiáng)度外，安裝也是必須考慮的因素。因為支座與下部結(jié)構(gòu)螺栓、套筒連接時，需要將螺栓從上部穿過下支座板的底板，再擰入底板下部預(yù)埋的套筒內(nèi)螺紋中，因此需要下支座懸空伸出部分到支座下支座板底板上面之間的空間應(yīng)能夠放置一定長度的螺栓(螺栓長度=下支座板厚度+螺栓伸入套筒深度，同時需保證一定的擰入深度)。

2 較大水平力情況下單向活動型雙曲面球型減隔震支座的設(shè)計

一般支座有標(biāo)準(zhǔn)套圖或者成套的規(guī)格系列的，都是具體參數(shù)的，能滿足一些工程選型的需要。但是由于新型結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，結(jié)構(gòu)形式、受力情況、地震周期、地域情況等的不同，導(dǎo)致設(shè)計院可能對支座會有特殊的要求，不論是支座樣式、支座功能,還是支座參數(shù)，因此成系列的套圖就不能滿足設(shè)計院的要求，需要自行定制設(shè)計。尤其是單向活動支座的非活動方向的水平力，有時會比系列圖大很多，那么設(shè)計這部分的時候需要注意考慮以下幾個問題：

1)SF-1B 實際容許抗壓情況，需要適當(dāng)?shù)募娱L或者加高[2,3]，SF-1B主要承受水平力產(chǎn)生的擠壓，因此擠壓面的壓應(yīng)力應(yīng)滿足相關(guān)套圖[3]的要求；同時，如果SF-1B通過鉚接到下支座板伸出部分，那么需要考慮錨栓孔間距、直徑、順內(nèi)力方向及垂直內(nèi)力方向的孔至邊的距離等應(yīng)滿足規(guī)范[4]中表8.3.4的要求。同時加長會導(dǎo)致支座的上支座板和下支座板外形加大，加高的話會導(dǎo)致支座整體高度增高，這些都會使得支座的重量增加，因此需綜合考慮加長和加高的限度，保證支座重量增加最小。

2)下支座板凸臺(為焊接或鉚接SF-1B部位)，厚度不宜太薄，如焊接的話需要比SF-1B厚度上、下各多出2 mm～3 mm空間，即焊接空間及角焊高度尺寸。

3)限位板上需要焊接不銹鋼板和SF-1B形成一對摩擦副，同時厚度不宜小于螺栓或者銷軸直徑，螺栓或者銷軸部位限位板是受擠壓、剪切和拉伸的，因此厚度必須保證限位板強(qiáng)度不被破壞。

4)支座地震情況下剪斷力由限位板上的剪斷銷軸承擔(dān)，當(dāng)銷軸被剪斷后，下支座板可以通過上部的大曲面和滑板(為了摩擦耗能，滑板不設(shè)儲硅脂槽)自由移動耗能。地震力必須由所有剪斷銷軸承擔(dān)，因此剪斷銷軸或螺栓和上支座板、限位板為緊配合。

另外對于多向活動雙曲面球型減隔震支座而言，標(biāo)準(zhǔn)中圖紙并無任何限位構(gòu)造，即地震來后支座上支座板和下支座板之間可以自由移動(當(dāng)然由結(jié)構(gòu)及其他固定或者單向活動支座的限制，也不允許多向活動支座任意移動)，建議多向活動支座本身也要設(shè)置限位構(gòu)造，和結(jié)構(gòu)及其他支座共同限位，起到雙重保險的作用。

3 剪斷銷軸或螺栓的剪斷力計算

銷軸一般采用40Cr或者45號，如有特殊要求也可采用其他材質(zhì)。

一般抗剪銷軸或者抗剪螺栓通用設(shè)計是以抗剪強(qiáng)度設(shè)計值為計算依據(jù)，按照抗剪切強(qiáng)度來計算，即用剪切力/剪切面面積/剪切面?zhèn)€數(shù)不大于材料的抗剪強(qiáng)度設(shè)計值[5]，如式(3)所示。

τ=F剪斷力/(n·πD2/4)

(3)

其中，τ為剪應(yīng)力，MPa；F剪斷力為水平剪斷力，N；n為剪切面?zhèn)€數(shù)，單剪的情況為剪斷銷軸的個數(shù)，無量綱；D為剪切面直徑，mm。

這種是用來承受水平剪切力的，就是在此水平力作用下，這些抗剪銷軸或者抗剪螺栓能夠保證不被剪斷。

然而雙曲面球型減隔震支座中的剪斷銷軸不是這樣，它要求支座在結(jié)構(gòu)的水平力達(dá)到剪斷力的時候，銷軸要被剪斷，因此需要以剪斷力來判定銷軸的直徑及數(shù)量。由于生產(chǎn)銷軸材質(zhì)的廠家出的產(chǎn)品多少有差異，比較精準(zhǔn)的方法是通過試驗測定，該批銷軸材質(zhì)的剪斷力值及偏差，從而以此來設(shè)計實際支座的銷軸布置。測定方法是可以通過專用電子試驗機(jī)測定，如試驗設(shè)備達(dá)不到，也可以通過現(xiàn)有設(shè)備改裝測定，如通過設(shè)計一定的工裝，與現(xiàn)有的試驗設(shè)備相連接牢固并不能損壞設(shè)備，同時工裝上把剪斷銷軸上好，通過設(shè)備自身施加豎向荷載，自行記錄剪斷力的數(shù)值。按照式(3)計算的結(jié)果和實際測定出來的剪斷力比較，并不小于其值。

由于剪斷銷軸是分別在上支座板和限位板上通過緊配合固定，即一部分在上支座板內(nèi)部，一部分在限位板內(nèi)部，希望銷軸從上支座板和限位板的接觸面處剪斷，因此將銷軸長度在接觸面處切一個V型切口(一周)，以確保材質(zhì)均勻的銷軸的剪斷部位。因此設(shè)計銷軸選取直徑時，要考慮到切口尺寸比銷軸直徑要小，計算時需要按照切口處最小截面作為剪斷截面計算，即式(3)中的D取為切口處的最小直徑。

如果銷軸長度較長，彎曲效應(yīng)明顯，還需進(jìn)行彎曲計算，并核算折算應(yīng)力。

確定的銷軸直徑和個數(shù)需要滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中表8.3.4的要求。如水平力過大導(dǎo)致個數(shù)較多，或者直徑過大，現(xiàn)有材質(zhì)無法滿足，則需考慮用更高強(qiáng)度的銷軸材質(zhì)，以滿足剪斷及鋼板等零件的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

針對于雙曲面橋梁球型減隔震支座的設(shè)計提出了一些實際經(jīng)驗的做法，如固定型的在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上的優(yōu)化減重及之后產(chǎn)生的校核強(qiáng)度計算問題，結(jié)合圖示給出了完整的計算過程；對單向活動雙曲面球型減隔震支座的非系列圖的較大水平力的情況下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及套圖要求，支座哪些部件需要做哪方面的相應(yīng)尺寸或者結(jié)構(gòu)上的改動，需要考慮哪些方面的問題；對多向活動雙曲面球型減隔震支座，由于雙向都可以自由活動，因此提出了建議設(shè)置限位構(gòu)造，和結(jié)構(gòu)及其他非活動型支座共同限位，起到雙重保險的作用；對固定及單向活動雙曲面球型減隔震支座的剪斷力設(shè)計及計算提出了計算方法及加工要求：測定剪斷力、緊配合、切口等。