对球铰支座限定转动力矩的规定是否必要

球铰支座由于具备球铰,其容许转角可达到0.05弧度甚至更大,在坡桥上安装,支座顶板可自行紧贴梁底;盆式橡胶支座的容许转角一般不大于0.02弧度,因此在坡度大于0.02的桥梁上使用时,就必须在支座顶板和梁底之间,加垫不等厚楔形钢板找正,安装过程比较复杂。

球铰支座技术条件 GB/T17955 20004.1.5条规定,球铰支座的转动力矩M按如下公式计算:

M=N×μ×R

式中:-N 支座竖向荷载

-μ组成球面摩擦副2种材料间的摩擦因数

-R 球冠衬板的球面半径

需要指出,这是根据众多试验结果得出的一个经验公式(注1)。曾经尝试通过建立支座转动时球冠衬板的受力图式,从理论上计算支座的转动力矩,但由于将球铰简化为圆柱,使原先的三维力系视作平面力系,再加上静摩阻和动摩阻的差异,试验的结果和根据一系列假定推出的理论公式所得的计算结果不能一致,最后导致放弃使用理论公式,直接按上述经验公式来估算。本文所关心的不在于讨论按哪一种方式求算球铰支座的转动力矩更为准确,而是有没有必要将球铰支座的转动力矩作为一个性能指标,并以上述经验公式来对照试验数据,评定支座的合格与否。

我们知道,对千吨级的球铰支座,其球冠衬板的球面半径大概是1.5~2.0m,球面摩擦副的摩擦因数不会大于0.05,当荷载以吨为单位计时,按上式求算球铰支座转动力矩的经验公式M=0.05×2×N=0.1Nt m。我们现在关心的是:这样一个转动力矩对桥梁下部结构会有怎样的影响,是否会因此而需要加大墩台的计算弯矩?如果桥梁下部结构因不能承受其重,而需加大断面或额外增加配筋,由此而判断支座为不合格就有了充分的理由。否则,我们只能质疑GB/T17955对支座的转动力矩加以限定的这条规定是否有必要。

对有净空要求的桥梁,其墩高一般不会少于5m。GB/T17955中的4.1.3条规定,固定支座和单向支座约束向所承受的水平力为支座竖向荷载的10%。于是可以知道,在此情况下,固定支座下的制动墩所承受的设计弯矩取M=0.1×N×5=0.5N是必要的。对于活动支座,其平面摩擦副的摩擦因数取 =0.05,作用在活动支座下桥墩的弯矩M=0.05×N×5=0.25N。相比之下,在这2种情况下所产生的弯矩都远大于按经验公式估算的支座转动力矩。

盆式橡胶支座的转动性能凭藉钢盆内橡胶块的变形来实现,橡胶块的变形带来了转动力矩,转角越大,橡胶硬度越高,胶块直径和厚度的比值越大,其转动力矩也越大。但在 公路桥梁盆式橡胶支座 JT391 1999中,对盆式橡胶支座的转动力矩却未作为一个指标,没有加以限定。在对盆式橡胶支座进行了一系列转动试验后,经回归,当橡胶块直径和厚度之比为10,橡胶硬度为65,所处温度为20 时,盆式橡胶支座的转动力矩可按如下公式估算M =1.5×X×D× D(注2),取支座转角为0.02弧度,橡胶块所受压强为15MPa,此时X 大致可取1.3,所得估算结果表明,盆式橡胶支座的转动力矩和球铰支座的转动力矩并没有

实质性的量上的差别。既然使用盆式橡胶支座可以对其转动力矩不加限制,对球铰支座加这限定,就没有必要。

球铰支座的转动性能,不在于其转动力矩在有限范围内的大或小,作为一种要长期使用的设备,在使用期内性能保持稳定应当是重要的一项指标,对此,GB/T17955 2000中对支座的使用材料和支座的构造提出了相应的要求,这是完全必要的。