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臺灣盆式橡膠支座設計思路與計算方法

　　本文以2.5MN盆式支座為算例，介紹了盆式支座的設計思路與計算方法，即采用容許應力法和極限狀態法相結合的設計方法，應用經過驗證的力學公式，來確定盆式支座各個構件尺寸參數，使得盆式支座各個構件既能滿足受力要求、構造要求，又能滿足幾何要求及接觸要求。文中介紹的盆式支座設計方法將為工程人員從事相關設計拓寬思路。

　　由于我國橋涵設計規范對盆式支座的設計沒有提出具體要求，一般沿用容許應力設計，而國外規范中盆式支座的設計一般按極限狀態考慮，分已運營極限狀態(SLS)和破壞極限狀態(ULS)進行檢算[1]，最終確定盆式支座按容許應力法和極限狀態法相結合的設計方法，支座所承受的荷載、轉角、位移等設計參數，按照《公路橋梁盆式支座》(JT/T391-2009)[2]的規定取值。

　　1 設計思路與算例

　　以2.5MN盆式支座為算例進行設計說明，具體設計時應用經過驗證的力學公式[3,4]，首先進行橡膠承壓板和平面四氟板設計，然后進行鋼底盆與中間鋼板設計，最后是上支座板設計，另外還包括錨固螺栓的設計及選用。

　　1.1 橡膠承壓板設計

　　(公式1.1)

　　其中橡膠板的設計容許壓應力為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，滿足受力和構造要求。承壓橡膠板設計時單向支座、雙向支座、固定支座三者尺寸統一。

　　1.2 平面四氟板設計

　　(公式1.2)

　　F為豎向承載力，A為四氟板面積，容許應力按30MPa計。由此確定四氟板直徑D取325mm，單向、雙向、固定支座參數統一。

　　1.3 鋼底盆設計

　　圖1鋼底盆設計示意圖

　　說明：，橡膠板受壓產生的徑向力;

　　，水平力產生的設計內力;

　　，盆底橫斷面的抵抗力矩;

　　d, d1——盆環外徑，內徑;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。

　　1.3.1 鋼盆底板

　　受力要求：底板拉力設計值，應滿足，γm取1.25。

　　盆底板構造要求：歐標規定，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

　　本設計按整體式鋼盆進行設計，按固定支座最不利受力進行計算。底盆內的設計應力，在作用的基本組合下，任何截面不應超過屈服強度。鋼盆設計有如下基本假定[6]：

　　計算模式應包括底盆、連接件及安裝設備要求的邊界條件。

　　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)與底盆環間產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。

　　采用底盆環與盆底分開的簡化計算時，底盆最小厚度t≥12mm。

　　鋼盆盆環應力在忽視抗扭剛度的條件下，應計算由于橡膠靜壓力產生的剪切力和由于實際作用水平力所產生的剪力和彎矩。考慮彎、剪、拉的合成應力，在承載能力極限狀態下滿足。

　　拉應力：

　　(公式1.3)

　　(公式1.4)

　　(公式1.5)

　　彎曲應力：

　　(公式1.6)

　　剪應力：

　　(公式1.7)

　　合成應力，在承載能力極限狀態應滿足：

　　，取1.25。 (公式1.8)

　　設計時鋼底盆材料取ZG270-500鑄鋼材料，其剪應力容許值取142MPa，正應力、拉應力、主應力容許值均取270/1.25=216MPa[7]。由鋼盆底板受力、構造要求及鋼盆受力公式，結合選取鑄鋼材料，計算得到2.5MN盆式支座鋼底盆設計參數，即h1取45mm，h2取17mm，d取440mm，w取11mm，t取26mm，d1取360mm。復核計算鋼底盆設計參數均滿足承載力要求和構造要求。

　　以上設計按固定支座最不利受力進行設計，為滿足通用性和互換性，方便工廠加工和以后的維修保養，本設計中單向、雙向、固定支座使用統一的鋼底盆。

　　1.4 螺栓設計

　　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計。

　　螺栓容許剪力， —屈服應力, 一般8.8級錨栓或40Cr制作錨栓，取640MPa;n為安全系數，取2.5。由此，頂、底板螺栓剪應力容許值取256 MPa。

　　螺栓剪應力，，m為同一平面螺栓數量，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、固定支座螺栓設計參數統一。

　　2 小結

　　本文采用容許應力法和極限狀態法相結合的設計方法，應用經典力學公式，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、螺栓進行設計計算，本計算方法使盆式支座既能滿足受力要求、構造要求，又能滿足規定的幾何要求及接觸要求。本文介紹的盆式支座的設計思路與計算方法，對相關專業工程人員從事盆式支座設計有一定的參考價值。