潘集耐磨板的选用可提高抗震球型钢支座的受力性能

潘集抗震球型钢支座是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种新型桥梁支座。由上支座板、球冠衬板、平面及球面耐磨板和不锈钢板、下支座板等组成，其结构示意如图1。抗震潘集球型钢支座通过球冠衬板在耐磨板上的滑动来满足桥梁的大转角要求，可实现0.06rad以上的转动角度。抗震球型钢支座既具备盆式橡胶支座的承载力大、位移大等特点，又具有传力可靠、反力均匀、转动力矩小、转动灵活、各向性能一致等诸多优良性能，因此在国外从20世纪70年代初便得到广泛应用。

我国第一个抗震球型钢支座1988年应用于上海南浦大桥的主桥，其后得到越来越广泛的应用。目前，国内抗震球型钢支座规范采用的耐磨板材料仍以PTFE为主。不过，近几年随着国内经济发展，对于先进支座的重视程度不断提高，在高速铁路桥梁及重要公路桥梁的建设中大量应用采用了UHMWPE耐磨板材料的抗震球型钢支座。但是对已使用各种耐磨材料的抗震球型钢支座的受力性能还缺少相关研究，因此本文采用有限元法对其受力性能进行研究：分别建立了无耐磨板、采用PTFE(聚四氟乙烯)作为耐磨板及采用UHMWPE作为耐磨板的抗震球型钢支座有限元计算模型，并针对各种使用工况进行仿真计算，根据计算结果给出各自的受力特点，并指出在抗震球型钢支座中应用UHMWPE耐磨板的优势。

计算模型及参数

以应用于某湘江桥的固定型抗震球型钢支座为计算模型。该固定型抗震球型钢支座的设计参数为：支座竖向反力60 000 kN；水平反力6 000 kN；纵向位移0；横向位移0；设计转角±0．05 tad。该固定型抗震球型钢支座的设计工况为：工况1，竖向荷载60 000 kN；工况2，竖向荷载60000kN，水平荷载6000kN，偏转±0.05 rad。

为了便于建模且不影响计算结果，做了部分简化，去掉了锚锭钢棒部分和构造用孔洞，将模型主要分为五部分：上支座板、平面耐磨板、球冠衬板、球面耐磨板和下支座板。有限元网格均采用六面体单元，其中上支座板、球冠衬板和下支座板使用C3D8R单元，耐磨板部分使用C3D8单元，模型的有限元网格。

为了进行比较研究，分别建立了无耐磨板、采用PTFE作为耐磨板及采用UHMWPE作为耐磨板的抗震球型钢支座有限元计算模型，并进行仿真分析，三种模型的几何结构完全相同。计算中采用的材料参数见表1。

计算结果与分析

1、有限元结果和理论解的对比

参照欧标第6条的规定，设计圆心角小于<400时，分布在球面耐磨板上的应力和平面耐磨板上的应力之差可以忽略不计。本次研究所用抗震球型钢支座的设计圆心角为34。，满足标准规定，因此抗震球型钢支座耐磨板竖向压应力理论值为29.1MPa。

平面耐磨板竖向压应力有限元计算的结果见图3。由图3可知，平面耐磨板承受的竖向应力均为压应力(为负值，拉应力为正值)，PTFE耐磨板的应力值为24.2～29.2MPa，UHMWPE耐磨板的应力值为24.5—29.3MPa，中部大部分区域的应力值在29.0MPa附近，与理论值吻合非常好。由此可知，有限元分析的结果是准确可靠的。从图3中可以看出耐磨板竖向压应力在平面内的分布状况，中间稍大，边缘略小，比理论值更接近实际情况。

球面耐磨板竖向压应力有限元计算结果见图4。与平面耐磨板受力情况类似，球面耐磨板承受的竖向应力也均为压应力(为负值)，PTFE耐磨板的应力值为24.7～28.6MPa，UHMWPE耐磨板的应力值为25.9—29.3MPa，中部大部分区域的应力值在29.0MPa附近，与理论值吻合也非常好。

两种工况的对比都说明，使用UHMWPE耐磨板在改善抗震球型钢支座的受力方面与使用肌FE耐磨板作用相似，均消除了支座接触部位之间的应力集中，使支座受力更均匀，且这两种耐磨板对于支座应力集中改善的幅度很接近。