广州盆式橡胶支座设计思路与计算方法

　　本文以2.5MN盆式支座为算例，介绍了盆式支座的设计思路与计算方法，即采用容许应力法和极限状态法相结合的设计方法，应用经过验证的力学公式，来确定盆式支座各个构件尺寸参数，使得盆式支座各个构件既能满足受力要求、构造要求，又能满足几何要求及接触要求。文中介绍的盆式支座设计方法将为工程人员从事相关设计拓宽思路。

　　由于我国桥涵设计规范对盆式支座的设计没有提出具体要求，一般沿用容许应力设计，而国外规范中盆式支座的设计一般按极限状态考虑，分已运营极限状态(SLS)和破坏极限状态(ULS)进行检算[1]，最终确定盆式支座按容许应力法和极限状态法相结合的设计方法，支座所承受的荷载、转角、位移等设计参数，按照《公路桥梁盆式支座》(JT/T391-2009)[2]的规定取值。

　　1 设计思路与算例

　　以2.5MN盆式支座为算例进行设计说明，具体设计时应用经过验证的力学公式[3,4]，首先进行橡胶承压板和平面四氟板设计，然后进行钢底盆与中间钢板设计，最后是上支座板设计，另外还包括锚固螺栓的设计及选用。

　　1.1 橡胶承压板设计

　　(公式1.1)

　　其中橡胶板的设计容许压应力为25MPa。由此公式确定2.5MN盆式支座橡胶板最小直径d1=357mm，橡胶板最小厚度，且。本设计2.5MN盆式支座橡胶板直径d1取360mm，厚度t取26mm，满足受力和构造要求。承压橡胶板设计时单向支座、双向支座、固定支座三者尺寸统一。

　　1.2 平面四氟板设计

　　(公式1.2)

　　F为竖向承载力，A为四氟板面积，容许应力按30MPa计。由此确定四氟板直径D取325mm，单向、双向、固定支座参数统一。

　　1.3 钢底盆设计

　　图1钢底盆设计示意图

　　说明：，橡胶板受压产生的径向力;

　　，水平力产生的设计内力;

　　，盆底横断面的抵抗力矩;

　　d, d1——盆环外径，内径;t——橡胶板厚度;w——钢板凸缘高度;

　　h、h2——底盆总高、盆底高度;h2=h-h1;

　　——钢材屈服强度; ——材料分项安全系数。

　　1.3.1 钢盆底板

　　受力要求：底板拉力设计值，应满足，γm取1.25。

　　盆底板构造要求：欧标规定，盆底最小厚度不小于12mm或d/50，并取两者中较大者。

　　1.3.2钢盆环

　　本设计按整体式钢盆进行设计，按固定支座最不利受力进行计算。底盆内的设计应力，在作用的基本组合下，任何截面不应超过屈服强度。钢盆设计有如下基本假定[6]：

　　计算模式应包括底盆、连接件及安装设备要求的边界条件。

　　橡胶板假定在压力作用下具有静压特性。

　　在外水平力作用下，上顶板(或中间钢板)与底盆环间产生的压力假定以抛物线形分布在半个圆周上，其值取为平均值1.5倍。

　　采用底盆环与盆底分开的简化计算时，底盆最小厚度t≥12mm。

　　钢盆盆环应力在忽视抗扭刚度的条件下，应计算由于橡胶静压力产生的剪切力和由于实际作用水平力所产生的剪力和弯矩。考虑弯、剪、拉的合成应力，在承载能力极限状态下满足。

　　拉应力：

　　(公式1.3)

　　(公式1.4)

　　(公式1.5)

　　弯曲应力：

　　(公式1.6)

　　剪应力：

　　(公式1.7)

　　合成应力，在承载能力极限状态应满足：

　　，取1.25。 (公式1.8)

　　设计时钢底盆材料取ZG270-500铸钢材料，其剪应力容许值取142MPa，正应力、拉应力、主应力容许值均取270/1.25=216MPa[7]。由钢盆底板受力、构造要求及钢盆受力公式，结合选取铸钢材料，计算得到2.5MN盆式支座钢底盆设计参数，即h1取45mm，h2取17mm，d取440mm，w取11mm，t取26mm，d1取360mm。复核计算钢底盆设计参数均满足承载力要求和构造要求。

　　以上设计按固定支座最不利受力进行设计，为满足通用性和互换性，方便工厂加工和以后的维修保养，本设计中单向、双向、固定支座使用统一的钢底盆。

　　1.4 螺栓设计

　　螺栓虽属小配件，在支座受力中的作用却是举足轻重的，螺栓设计有两方面，一是确定螺栓的位置，满足最小边缘距及后期更换的需要;一是受力计算，由此确定螺栓的选用型号，此处仅列出受力计算设计。

　　螺栓容许剪力， —屈服应力, 一般8.8级锚栓或40Cr制作锚栓，取640MPa;n为安全系数，取2.5。由此，顶、底板螺栓剪应力容许值取256 MPa。

　　螺栓剪应力，，m为同一平面螺栓数量，4根;A为单根螺栓面积;R—水平剪力，通常按支座承载力的10%考虑。

　　基于上述公式，2.5MN盆式支座计算得到单根螺栓面积为24mm。其他型号依次类推，单向、双向、固定支座螺栓设计参数统一。

　　2 小结

　　本文采用容许应力法和极限状态法相结合的设计方法，应用经典力学公式，对盆式支座各部件——承压橡胶板、平面四氟板、钢底盆、中间钢板、螺栓进行设计计算，本计算方法使盆式支座既能满足受力要求、构造要求，又能满足规定的几何要求及接触要求。本文介绍的盆式支座的设计思路与计算方法，对相关专业工程人员从事盆式支座设计有一定的参考价值。