球型支座理论和设计

球型支座和减隔震球型支座

摘要：球型支座由于优点较多而得以在我国进行推广，并由铁研院编制了相关的技术条件规程。本文试图通过对支座受力情况以及支座的核心构件进行阐述，使得读者对球型支座及其设计方法有一定的了解。

为了适应桥梁减隔震设计理念的推广，本文还对减隔震球型支座加以阐述。

关键词：球型支座，规程，PTFE，减震和隔震

一、绪论

大吨位支座（High Load Bearings）的发明和使用是随着桥梁的跨度和承重量的增长而产生的。大吨位支座根据其组成构件的不同而分为板式橡胶支座（Stell-Rainforced Elastomeric Bearings）、盆式橡胶支座(Pot Bearings)和球型支座(Spherical PTFE Bearings)，以及利用各类型支座的优点组合而成的各类支座。参见图1可知，板式橡胶支座依靠钢板之间的橡胶竖向和水平变形，支座产生转动和水平位移。盆式橡胶支座依靠钢盆内的橡胶板竖向变形，支座产生转动，依靠聚四氟乙烯板（简称PTFE板）和中间衬板的水平滑移，支座产生水平位移。球型支座则是利用曲面PTFE板和不锈钢板之间的滑动，支座产生转动，利用平面PTFE板

二、球型支座

2.1 球型支座的分类

球型支座，或者称为球型PTFE支座，其核心部分是由一个具有外凸球面的支座板以及一个具有内凹球面的支座板，以及两者之间的PTFE球面凸板和与之接触的金属板球面凹板（通常是不锈钢板）所形成的滑移曲面组成。球型支座还采用由PTFE平板和不锈钢板构成

u u （14.6.3.1-1）

其中H u 为水平荷载设计值，P

u 为竖向荷载设计值，μ为摩擦系数。公式的编号采用规范中的编号，下同。

弯距设计值Mu 是由于沿着PTFE 曲板的摩擦力（其方向与曲面相切）对曲面球心的积分产生。AASHTO 规定Mu 取值为：（1）当支座没有水平滑动构件组时

u u M P R μ= （14.6.3.2-1）

（2）当支座采用水平滑动构件组时

2u u M P R μ= （14.6.3.2-2）

其中R 是球形滑移面的半径。

但是EN 规程中弯距是通过竖向荷载的偏心矩来体现，并详细规定了各种情况下偏心矩的取值方法，其值如表1所示

e 取值根据产生的原因不同，为各e i 值之和。可以看出，EN 规程规定的弯距M u 除了包含AASHTO 规程中（14.6.3.2-1）所显示的弯距外（体现为e 1），还考虑到其他因素的影响。

sd d r N f A ≤⋅ （2）

其中N sd 为竖向承载力设计值，f d 为PTFE 板的抗压强度，A r 为滑移曲面的等效接触面积，其值为：

r A A λ=

其中，λ为经验的折算系数，根据偏心率（e/L ）和转角θ不同而定，在0.5～1.0之间，A 为滑移曲面的水平投影面积。

AASHTO 规范中关于水平承载力设计值的规定如下：

22sin ()sin u u ss H R πσψβθβ=-- （14.7.3-2）

其中，H u 为水平承载力设计值，ψ为曲面对应的圆心角的一半，β为竖向荷载和水平荷载的夹角，θu 为设计转动角度（位移）值。角度的计算公式如下：

arctan(

)u D H P β=，sin()2L rc R

ψα= 其余符号可参见以上各式，并在图3、图4中有所表示。

2.2.3PTFE

聚四氟乙烯（即PTFE ）板是球型支座中相当关键的部件。由于PTFE 板和不锈钢板之

间的摩擦系数相当小，球型支座才能够发生水平位移和转动。对于PTFE的受力特性，以及其摩擦系数的研究是球型支座研究的重点，本文只提供了规范中的一些结论。

2.2.

3.1摩擦系数

PTFE板和镜面不锈钢板之间的摩擦系数同PTFE板的成分、是否使用硅脂作为润滑层、温度、以及平均压应力值有关。静摩擦系数，动摩擦系数，以及在地震作用下的摩擦系数的取值也不同。表2表明了一些常见情况下的动摩擦系数值。

常温下，有润滑层的静摩擦系数常取0.05，动摩擦系数常取0.03。AASHTO指出，在考虑地震荷载作用是，摩擦系数可以为表2数值的0.1。

2.2.

3.2 承载力设计值

PTFE板在过大的压应力情况下，会发生较大的永久性变形，因此必须控制板的应力值。AASHTO中规定了平均应力和集中应力下PTFE抗压承载力设计值，表3中为常用情况下的抗压承载力设计值。

《球型支座技术条件》中规定PTFE板成型时，模压成型压力不得小于30Mpa。

三、减隔震球型支座

3.1基本原理

隔震是将上部结构和下部结构隔离开，使得在地面和下部结构的运动量（位移、速度、加速度）幅值较大的情况下，传递到上部结构的运动幅值比较小。隔震系统应该具有一定的

2

0.052d eff eff W

k S ξπ∆=

+ （b ）

而后求初始弹性刚度k u 和屈服后刚度k d ，具体参见范立础《桥梁减隔震设计》。

四、结论

根据以上的分析过程，在本文的结尾简要地给出球型支座的设计要点，以及主要注意点。在现阶段，球型支座尤其是大吨位球型支座是根据每个特定的工程进行设计并施工的，因此把握好所使用桥梁的特性是支座设计重要方面。支座设计过程主要包括： 4.1支座的选用

支座的选用主要考虑以下因素：

（1） 最大以及最小竖向使用荷载和水平向使用荷载以及其施加的顺序； （2） 结构和建筑所需要的最大和最小转角，水平位移量的控制； （3） 支座允许的布置位置；

（4） 支架、活动支撑、临时装置的限制。 4.2支座的设计

在确定支座的荷载情况和尺寸限制情况后，支座的设计主要考虑以下因素：

（1） 根据支座的荷载情况和PTFE 板的强度确定PTFE 球面凸板的水平投影半径以及