對球鉸支座限定轉動力矩的規定是否必要

球鉸支座由于具備球鉸,其容許轉角可達到0.05弧度甚至更大,在坡橋上安裝,支座頂板可自行緊貼梁底;盆式橡膠支座的容許轉角一般不大于0.02弧度,因此在坡度大于0.02的橋梁上使用時,就必須在支座頂板和梁底之間,加墊不等厚楔形鋼板找正,安裝過程比較復雜。

球鉸支座技術條件 GB/T17955 20004.1.5條規定,球鉸支座的轉動力矩M按如下公式計算:

M=N×μ×R

式中:-N 支座豎向荷載

-μ組成球面摩擦副2種材料間的摩擦因數

-R 球冠襯板的球面半徑

需要指出,這是根據眾多試驗結果得出的一個經驗公式(注1)。曾經嘗試通過建立支座轉動時球冠襯板的受力圖式,從理論上計算支座的轉動力矩,但由于將球鉸簡化為圓柱,使原先的三維力系視作平面力系,再加上靜摩阻和動摩阻的差異,試驗的結果和根據一系列假定推出的理論公式所得的計算結果不能一致,最后導致放棄使用理論公式,直接按上述經驗公式來估算。本文所關心的不在于討論按哪一種方式求算球鉸支座的轉動力矩更為準確,而是有沒有必要將球鉸支座的轉動力矩作為一個性能指標,并以上述經驗公式來對照試驗數據,評定支座的合格與否。

我們知道,對千噸級的球鉸支座,其球冠襯板的球面半徑大概是1.5~2.0m,球面摩擦副的摩擦因數不會大于0.05,當荷載以噸為單位計時,按上式求算球鉸支座轉動力矩的經驗公式M=0.05×2×N=0.1Nt m。我們現在關心的是:這樣一個轉動力矩對橋梁下部結構會有怎樣的影響,是否會因此而需要加大墩臺的計算彎矩?如果橋梁下部結構因不能承受其重,而需加大斷面或額外增加配筋,由此而判斷支座為不合格就有了充分的理由。否則,我們只能質疑GB/T17955對支座的轉動力矩加以限定的這條規定是否有必要。

對有凈空要求的橋梁,其墩高一般不會少于5m。GB/T17955中的4.1.3條規定,固定支座和單向支座約束向所承受的水平力為支座豎向荷載的10%。于是可以知道,在此情況下,固定支座下的制動墩所承受的設計彎矩取M=0.1×N×5=0.5N是必要的。對于活動支座,其平面摩擦副的摩擦因數取 =0.05,作用在活動支座下橋墩的彎矩M=0.05×N×5=0.25N。相比之下,在這2種情況下所產生的彎矩都遠大于按經驗公式估算的支座轉動力矩。

盆式橡膠支座的轉動性能憑藉鋼盆內橡膠塊的變形來實現,橡膠塊的變形帶來了轉動力矩,轉角越大,橡膠硬度越高,膠塊直徑和厚度的比值越大,其轉動力矩也越大。但在 公路橋梁盆式橡膠支座 JT391 1999中,對盆式橡膠支座的轉動力矩卻未作為一個指標,沒有加以限定。在對盆式橡膠支座進行了一系列轉動試驗后,經回歸,當橡膠塊直徑和厚度之比為10,橡膠硬度為65,所處溫度為20 時,盆式橡膠支座的轉動力矩可按如下公式估算M =1.5×X×D× D(注2),取支座轉角為0.02弧度,橡膠塊所受壓強為15MPa,此時X 大致可取1.3,所得估算結果表明,盆式橡膠支座的轉動力矩和球鉸支座的轉動力矩并沒有

實質性的量上的差別。既然使用盆式橡膠支座可以對其轉動力矩不加限制,對球鉸支座加這限定,就沒有必要。

球鉸支座的轉動性能,不在于其轉動力矩在有限范圍內的大或小,作為一種要長期使用的設備,在使用期內性能保持穩定應當是重要的一項指標,對此,GB/T17955 2000中對支座的使用材料和支座的構造提出了相應的要求,這是完全必要的。