范文一：平转施工球铰节点的受力性能研究

平转施工球铰节点的受力性能研究

王

坤，韩庆华

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

【摘要】结合某工程实例，重点研究T 型悬臂梁平转施工球铰节点在施工前和施工过程中内力分布及变

化规律，另外分析在风荷载作用下对转体过程的影响程度。采用有限元分析软件ANSYS 建立有限元模型，对静止、转动及风荷载作用等几种工况进行模拟，得出了几点结论以便对相似工程有一定的指导意义。

【关键词】转体施工；有限元分析；风荷载；悬臂梁【中图分类号】TU392

【文献标识码】B

【文章编号】1001－6864（2011）11－0026－03

桥梁转体施工工艺较传统方法（如利用脚手架施工、悬臂法等）具有施工便捷，安全，节省施工材料以及不影响交通的正常运行等多项优点。自2008年以来全国各地大兴高铁，转体技术得到了更大的应用，特别是T 型悬臂梁转体施工技术。因此对这项技术的研究也成为桥梁界的一大热点，尤其是对转体球铰节点的研究。以往对球铰节点做的工作主要集中在其施施工工序的调整，对于球铰节点具体的工工艺的改进，

力学分析相对较少。另外之前的转体施工大多都是选很小的转动速度以及选择较为强大的混择无风天气、

凝土强度来解决对于转动过程结构内力不清晰的问题。在一些特殊情况下，如遇到工期较紧或者季风天就有必要考虑风载对转体过程的影响，之前对于考气，

虑风荷载作用下的转体施工研究工作较少，文献也鲜有提及。本文以静海县南常公路上跨京沪铁路及104国道立交桥主桥成功转体为背景，以研究转动球铰节点的内力情况为主线，利用有限元分析软件ANSYS 建分析结构在静止，转动过程中球铰节点立足尺寸模型，

各部分的受力性能和应力分布情况，以及考虑风荷载对转体施工整个过程的影响程度。1

工程概况

静海县南常公路上跨京沪铁路及104国道立交桥为双向四车道，两侧各设有非机动车道和人行道，全桥宽为26. 5m ，主桥横跨京沪铁路和104国道采用（48+48）m T 构，上部结构采用单箱三室斜腹板箱型截面，下部结构T 构中墩采用墩梁固结，单箱单室矩形截面，墩身平面尺寸为5. 0m （纵桥向）? 7. 3m （横桥向），纵、横桥向墩壁厚均为1. 0m ，上、下部分别设有1. 0m 长的实体段。转盘结构采用环道与中心支承相结合的球铰转动体系；本桥横跨京沪铁路，为了尽量减少对铁路干线运输的影响，另外考虑到施工的安全、快捷，经过多方论证施工方案最终定为转体施工。球铰节点所用钢材Q235钢，设计强度为205MPa ，混凝土均采用C50，设计强度23. 1MPa 。

2

悬臂梁平转施工阶段，影响球铰受力的因素有很多，主要包含其自重，角加速度、不平衡自重、风荷载，另外一些因素暂不考虑，在进行分析之前假设如下：

（1）

上下转盘之间接触光滑平整，转动过程中

润滑材料的属性不发生改变，即转体过程平稳，不发生主梁的上下颠簸。

（2）

不考虑转体过程中大气温度变化，认为转

体过程中球铰内外不发生收缩变化，同时因转体时间可不考虑转体过程中风速变化的影响。相对较短，

（3）

考虑到T 型悬臂梁施工完拆架前会称重以

假设悬臂梁不存在不平衡问题。确保桥梁保持平稳，

有限元模型的建立

本文以转体桥的球铰节点作为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS 平台建立整体有限元模型。

（1）

单元类型的选取。在转动球铰的有限元模

SOLID186单元模拟接采用SOLID65－混凝土，型中，

SHELL63模拟钢板上面的加劲肋，触部分的钢板，

LINK10模拟上球铰中预应力钢筋，利用初始应变法施，下球铰为“目标面”采加预应力。在球铰的接触中，

，用TARGE170单元；上球铰为“接触面”采用CON-TA174单元。TARGE170单元和CONTA174单元通过“接触对”，共享一个实常数号形成从而来模拟上下球铰之间的接触作用。

（2）

单元网格的划分。有限元模型中混凝土与钢

板部分均采用六面体单元，接触部分受力较为集中，此处的网格划分较为细密，外围的混凝土网格较为稀疏，这样计算精度较好。为模拟上下球铰接触作用，设置接

触单元参数，使得ANSYS 自动调整接触面间的偏差值，ANSYS 自动消除初始渗透和初始缝隙。在计算过程中，预测接触行为，从而确定合理的荷载增量，见图1。

（3）

荷载和边界条件。在转体施工前静止状态

下球铰底面采用固端约束，球铰节点上部荷载和下时，

自重以面荷载的形式施加到上球铰表面，上部球铰靠接触和下部球铰相连。在模拟转体过程时，将下球铰底面定义为刚性域（球铰接触部分与底面刚性域有一定距离，刚性域对其产生的影响可以忽略不计），刚性转动位移。本文通过模拟下球铰转域允许施加弯矩、

动来等效上球铰转动，同时风荷载产生的水平力和弯矩均施加到上球铰节点上。3

加载和求解内容

在建立有限元模型和设置接触单元参数完成后，

表1

对有限元模型进行加载求解，加载求解步骤如下：

（1）

转动前球铰节点受力分析。将下球铰底部

三向约束，将球铰节点上部荷载转化成面荷载施加到上球铰表面，激活预应力选项，进行静力线性分析。

（2）

转动过程中球铰节点受力分析。此部分以

上步分析为前提，通过对下球铰的刚性域施加转动位移来模拟上球铰的转体施工。

（3）

考虑风荷载影响球铰节点受力分析。分析

7－9级风天气下的转体施工，考虑两种危险状态：①风向为横桥方向；②风向为顺桥方向。风荷载取值参《公路桥梁抗风设计规范》，照具体取值见表1。表1中的右边部分弯矩和水平力是桥梁整体风荷载转移到研究节点后的等效荷载。经对比横桥向风荷载最为不利，这里将其作为研究对象。

主梁和桥墩风荷载及平移到研究节点后等效的弯矩和水平力

主梁部分/kN7

821854

930276

72333

桥墩部分/kN

83449

94768

72586847

节点处弯矩/kN·m

838121244

952661729

717171

节点处水平力/kN

8254103

9336124

横向向顺桥向

14937

4有限元分析结果

通过有限元分析，得到悬臂梁转动球铰节点从静

止到转动结束，及考虑风荷载情况下，内力变化情况和据此可绘制出各种工况下，球铰节点及内力分布规律，

球铰上部核心混凝土从内到外的内力分布曲线。

从球铰由内而外取七个点，每点取其圆周上应力最大值，得到一条应力分布曲线。取值点见图2

。

（1）静止状态球铰节点从内到外的应力分布情况的应力值基本相等，外围混凝土应力值相对较高且分散，下球铰核心混凝土几种工况的应力值分布较为均匀。风作用下核心混凝土的应力值增加不大。

（2）

转动状态球铰节点从内到外应力分布情

况。转体施工过程中，上下球铰靠接触而相互作用，应力承中间低两端高分布，最大应力值为188MPa ，此值小于GB /T700－2006规定Q235的设计强度205MPa 。

悬臂梁转体施工若在无风天气下进行，上下球铰的核心混凝土最大应力值则为18. 1MPa ，混凝土低于其设计强度，结构安全。从图9、图10中可以看出八级风作

T 型悬臂梁转体施况。从图3、图4中我们可以看出，工前，球铰节点钢板部分完全处于弹性状态，而且应力强度较小，上下球铰均低于100MPa ，应力分布情况是中间小两端大，风荷载对球铰节点产生是影响不大。

球铰节点上面的混凝土由于被钢板和外围混凝土外包，在此称为核心混凝土。图5、图6为上下球铰核心混凝土在静止状态考虑风荷载情况下的应力分布曲线，图中显示核心混凝土应力值集中在5 12. 5MPa 之间，上球铰核心混凝土靠近圆心处几种工

用下，上球铰核心混凝土最大应力达到23. 6MPa ，九级24. 4MPa ，风时，上下球铰最大应力分别是25. 9、上述两

种情况均大于C50混凝土的设计强度23. 1MPa ，此时混凝土被认为已经压碎，结构不安全

。

5结语（1）

T 型悬臂梁转体施工前球铰节点应力相对

2003．

参考文献

［1］张联燕，．北京：人民交通出版社，等. 桥梁转体施工［M ］［2］陈宝春，孙潮. 桥梁转体施工方法在我国的应用与发展［J ］．

2001，18（2）：24－28．公路交通科技，

［3］雷俊卿. 桥梁转体施工新技术的研究［J ］．西安公路交通大学

1998，18（4（B ））：189－192．学报，

［4］张解放. T 形刚构桥转体施工技术［J ］. 石家庄铁道学院学

2006，19（4）：114－117．报，

［5］杨耀福. T 型刚构桥水平转体法施工技术研究［D ］. 石家庄：

2007．石家庄铁道学院，

［6］翟鹏程. 转体梁施工中的不平衡问题及风致振动研究［D ］.

2008：6. 北京：北京交通大学，［收稿日期］2011－07－18［作者简介］王

坤（1962－），男，山东聊城人，硕士，研究方向：大跨结构和钢结构。

较小，混凝土和钢板均处于弹性阶段。若考虑风荷载作用，球铰钢板部分风速每增大一级应力增大2 4MPa ，相应核心混凝土部分应力值增大1 2MPa 。

（2）

T 型悬臂梁转体施工过程中，考虑7 9级

首先达到应力设计强度的是上风荷载影响的情况下，

球铰核心混凝土，在九级风荷载下上下球铰核心混凝土最大应力均超过混凝土的应力设计强度。因此若考虑大风天气施工，应尽量控制在七级风及以下，或者增大核心混凝土的强度和增大球铰节点接触面积等措施。另外本文中没有考虑核心混凝土套箍作用，将此作用考虑在内，可以达到比较好的经济效果。

（3）

转动球铰节点应力分布规律由内到外是：

先减小后增大，对于相似工程球铰节点设计可将这种规律考虑在内，以便达到更加经济、安全的效果。

范文二：单向载荷作用下向心关节轴承球铰节点的受力性能

# 试验与分析 !

单向载荷作用下向心关节轴承球铰节点的受力性能

21 1, 2 1 赵宪忠 , 王 帅 , 陈以一 , 周 健

( )1. 同济大学 土木工程学院 , 上海 200092; 2. 华东建筑设计研究院有限公司 , 上海 200002 摘要 :在对 3种型号向心关节轴承的径向和轴向破坏加载试验的基础上 ,采用 ABAQU S有限元模拟节点各部件

之间的接触关系 ,得到向心关节轴承球铰节点在径向或轴向单一载荷作用下的力学性能 、受力特点 、破坏模式 和破坏机理 。结果表明 ,满足额定载荷要求的向心关节轴承球铰节点具有良好的转动和承载性能 ,可应用于建

筑工程中 。

关键词 :向心关节轴承 ;球铰节点 ;破坏机理 ;试验 ( ) 文章编号 : 1000 - 3762 200909 - 0027 - 05 中图分类号 : TH133. 33 文献标志码 : B

M echan ica l Behav ior of Spher ica l Pla in Bear ing Jo in t under Un i - d irectiona l L oad

1 1 , 2 1 2ZHAO X ian - zhong, WAN G Shua i, CH EN Yi - yi, ZHOU J ian

( 1. Co llege of C ivil Enginee ring, Tongji U n ive rsity, Shangha i 200092, Ch ina;

)2. Ea st Ch ina A rch itec tu ra l D e sign & R e sea rch In stitu te Co. , L td, Shangha i 200002, Ch ina

( ) A b stra c t:B a sed on the re su lts of bo th exp e rim en t and FEA on rad ia l sp he rica l p la in bea rings R SPB unde r the un i - d irec tiona l rad ia l and axia l load ing, the cha rac te ristic of load tran sfe r, the fa ilu re mode s and m echan ism s of the R SPB a re ob ta ined. U nde r axia l load ing, the axia l stra in a long the inne r su rface of R SPB change s from comp re ssive on the top the ten sile a t the bo ttom , in add ition the inne r ring sep a ra te from the ou t ring a t the upp e r p a rt. W h ile unde r rad ia l load ing, the c levis - shap e c rack s app ea r in the can tileve r p a rt of the inne r ring. The R SPB a rticu la ted jo in t a re shown to have good ro ta tion and load - ca rrying cap ac ity and can be u sed in struc tu re enginee ring.

Key word s: rad ia l sp he rica l p la in bea ring; a rticu la ted jo in t; fa ilu re m echan ism; exp e rim en t

在诸如上海浦东国际机场 T2 航站楼 Y形柱 , 以及结构中设计载荷与轴承额定承载能力 、 机理

[ 1 - 2 ]极限承载能力之间的关系更为设计者们所关注 。 - 梁连接节点 以及广州新电视塔倾斜外筒柱

[ 3 ] - 梁连接节点中 , 要求节点不仅具有空间 3 向

1 试验方案设计 传力性能 , 而且要具有空间转动性能 。此时若采

向心关节轴承使用中 , 轴承首先嵌入到与构件 用传统的单向销铰连接 , 将无法满足结构的传力

相连的耳板中 , 再通过销轴连至另一构件上 , 从而 和变形要求 , 并将导致整体结构的不安全 。于是 ,

形成以向心关节轴承为转动核心的球铰节点 。本 目前一种基于机械用向心关节轴承的球铰节点被 文研究的向心关节轴承型号及其额定载荷见表 1。 引入到建筑结构中 , 并实践应用于浦东国际机场

和广州新电视塔等工程中 。这类节点目前在建筑 kN 表 1 轴承的额定载荷 中应用尚不多 , 且无设计规范依据 。作为结构中 轴承型号 径向额定载荷 轴向额定载荷 关键节点 , 向心关节轴承铰节点在径向和轴向组 [ 2 - 3 ] GEG140XS / XK 6 800 1 360 合受力情况下的 性能 已 有试 验研 究 , 但节 点 在径向或轴向单一载荷作用下的力学性能和破坏GEG120XS / XK 5 350 1 070 GEG80 XS /XK 2 400 488

收稿日期 : 2008 - 11 - 04修回日期 : 2009 - 04 - 18

1. 1 轴向加载试验 ( ) 作者简介 :赵宪忠 1972 - , 男 , 副教授 , 主要从事钢结构

轴向加载试验主要考察向心关节轴 承内 、外研究 。 E - m a il: X. zhao@ tongji. edu. cn。

?28? 《轴承 》2009. ?. 9

圈的密合程度和咬合力 , 以及外圈在两个半环对 3 - 3环线上的轴向应变分量受拉 , 说明力线沿轴

() 接情况下的承载力 , 其加载系统如图 1 所示 。在 向方向有改变 图 3 a 。加载至轴向 破 坏载 荷时

( GEG140XS /XK 轴 承 为 3. 43 倍 额 定 载 荷 ; 铸钢底座中心挖有一阶梯形的圆形孔 , 上部大孔 GEG120XS /XK为 2. 93 倍 ; GEG80XS /XK为 3. 48 内径与轴承外圈直径相等 , 下部小孔与轴承内圈

) 倍 ,轴承传来金属破裂的爆响 ,轴承外圈的两个 球直径相等 , 将轴承放入孔后即可达到支承和包

围轴承的目的 。试验时铸钢底座通过底板与试验

台座相连 , 试验机通过轴承上盖板施加轴向载荷 。 () 半环对接处出现裂纹 图 3 b。此时 , 轴承内圈已

无法转动 。

图 1 轴向加载系统

试验主要测量项目及作用 : ?轴承内圈内壁

不同截面上的应变 , 以观测轴承内圈上的应变发

展 ; ?轴承外圈面上的应变 , 以观测两个半环之间

的相互作用 ; ?盖板和底板间的位移 , 以监测轴承

内圈被压入外圈的位移 。

1. 2 径向加载试验设计

径向加载试验主要考察销轴和向心关节轴承

内圈及轴承内 、外圈之间的相互作用关系 , 加载系

统如图 2所示 。模仿实际向心关节轴承球铰节点 ,

首先将向心关节轴承嵌在上耳板内 , 然后通过销轴

将耳板与下部铸钢件连接在一起 ; 铸钢件通过底

板 、上耳板通过顶板与加载试验机相连 , 从而实现

对向心关节轴承进行径向加载的目的 。为避免销

轴受弯后与向心关节轴承内圈端面过早接触而引

起轴承破坏 ,在销轴上开有两道 1 mm 深的凹槽 。

试验主要测量项目及作用 : ?轴承内圈端面的

应变 ,以观察径向加载时在销轴的压迫下轴承内圈

端面上的应力变化 ; ?下部铸钢件端面的应变 ; ?

2. 2 径向加载 上 、下底板间的竖向位移和销轴端部的转角 。

向心关节轴承径向加载至额定载荷前 , 载荷-

竖向位移曲线和轴承内圈端面上的测点载荷 - 应 2 试验结果 变强度曲线先后结束了线性增长 , 出现拐点 ; 随后

() 2. 1 轴向加载 应变强度或变形增长速度加快 图 4a。当加载至

() 径向破坏载荷时 表 2 ,轴承传来金属断裂声 。破 向心关节 轴 承 加 载 至 轴 向 额 定 载 荷 的2 倍 坏现象主要有 : ?销轴被严重压弯 ,轴身有马蹄形 时 , 各测点的载荷 - 应变以及载荷 - 位移曲线均 的压痕 ,凹槽被压平 ; ?对应于销轴压痕的轴承内 呈线性变化 。轴承轴向受压后 , 1 - 1 和 2 - 2 环线 () 圈被压出两片碎块 ,端面出现多处裂纹 图 4b。 上的应变片中沿轴向的应变分量均受压 , 而位于

29? ?赵宪忠等 :单向载荷作用下向心关节轴承球铰节点的受力性能

表 2 径向加载试验标识载荷

轴承型号 标识阶段 GEG140 GEG120 GEG80 XS /XK XS /XK XS /XK ()上 、下耳板间 竖向位 6 596 5 457 1 698 移曲线拐点载荷 / kN ()上 、下耳板间 竖向位移 ( ) ( )a轴向加载 b径向加载 0. 97 1. 02 0. 6 曲线拐点载荷 /额定载荷 图 5 典型测点处有限元结果和试验结果的对比 应变曲线拐点 9 720 8 240 1 680 4 单向受力机理 载荷 / kN 4. 1 轴向受力机理 应变曲线拐点载 1. 43 1. 54 0. 7 荷 /额定载荷 () 定义柱坐标系 图 6 , 轴承内圈的半径方向为 最大加载 / kN 径向 ;周长方向为周向; 轴向方向为轴向 。有限元 10 992 9 600 3 050 最大加载 /额定载荷 得到的轴向应变云图如图 7 所示 , 与图 3a 结果一 1. 62 1. 8 1. 27

致 ,轴承内圈内壁上的轴向应变在上部受压 , 然后逐

渐过渡到受拉 , 3 - 3截面上轴向拉应变达到最大 。

图 4 径向加载试验结果

3 有限元分析

向心关节轴承各部件间主要通过接触 传 力 ,

故选用接触模拟良好的 ABAQU S软件进行有限元

模拟 。有限元模型中 , 各独立部件之间赋予接触

属性 ,计算单元采用 8 节点六面体减缩积分单元 。

网格划分时针对部件几何模型的不规则性 , 将其

切割成较为规则的几个部分 , 以提高网格划分的 , 轴承内圈的上半部分与 在轴向压力作用下

质量 。计算中 , 由于轴承用 4C r13 钢材屈服强度 轴承外圈有分离趋势 , 而下半部分与轴承外圈仍 可达 900 M Pa以上 , 故将其材料设为理想弹性 ; 而 接触 , 外力通过此部分的接触向下传递 , 以区域中 其他材料考虑了材料弹塑性的影响 。 一点为例 对 轴 承 内 圈 进 行 受 力 分 析 。如 图 8 所 图 5 分别给出了轴向加载试验时 3 - 3 截面

示 , 该点处轴承外圈对内圈的主要作用有法向作 上测点和径向加载试验时轴承内圈端面上典型测

用力 N 和切向摩擦力 F , 由于轴承内 、外圈间为无 点的有限元计算结果与试验实测应变强度的曲线

对比 。可见二者吻合良好 , 有限元结果可用来预 间隙接触 , 切向摩擦力 F 很小 , 可忽略不计 。法向 测轴承的性能 。 作用力 N 可分解为 N 和 N 两个分量 , 且 N 值 1 2 2

明显大于 N 值 。N 的作用可等效为 竖向 力 N 1 1 1

和弯矩 M 。 P 和 N 之间的力使内圈受压 , 产生 1 1

?30? 《轴承 》2009. ?. 9

′ 轴向压应变 ε; M 使内圈外 壁受 压 , 内壁 受 拉 , 个半环对接 处 出 现 断 裂 破 坏 。有 限 元 结 果 亦 表 33 1

″ 明 , 随着载荷的增加 , 轴承内圈对外圈下部的挤压 内壁产生轴向拉应变 ε。 33

作用加大 。由于外圈与其周围的铸钢件间存在一

定的缝隙 , 且铸钢件的屈服强度相对较小 , 因而轴

承外圈从两个半环相接处的下部逐渐分开 , 上部

仍然接触 , 如图 11 所示 。随着下部 分开 加大 , 上

部接触面积减小 , 应力集中明显 , 并且该处与轴承

内圈脱离 , 受力状态更为不利 。试验加载至极限

载荷时 , 轴承外圈的两个半环发生轻微错动 , 高应

图 8 轴承内圈受力示意图 力作用下的尖角接触区域发生破坏 。

(轴承内圈周向应变云图如图 9 所示 变形放

) 大 20倍 。从中可见 , A 区域部分为拉应变 ,部分

为压应变 ,且压应变很小 ;而 B , C区域周向均为压

应变 ,且 C区域压应变明显小于 B 区域 。这表明

3 个区域中 , B 区域的周向收缩变形最为严重 , 从

图中所示的轴承变形亦可直观地看出来 。

图 9 周向应变云图

轴承内圈径向应变云图如图 10 所示 。从中可

见 , B 区域与轴承外圈相接处的径向应变为压应变 ,

而其与 A , C区域相交部分的径向应变为拉应变 ,说

明 B 与 A , C区域的交接面上存在着剪力 。设 A , B

间的剪力为 F; B , C间的剪力为 F。二力与 N 构 1 2 2

成平衡力系 ,该力系的等效作用为弯矩 M 。在 M 2 2

?作用下内圈内壁产生轴向拉应变 ε,应变最大处对 33

应于 M 最大处 ,即 3 - 3环线处 。 2

′ ε综上 , 轴 承 内 圈 内 壁 上 的 轴 向 拉 应 变 为 33

″ ? (压应变 ) 、ε(拉应变 )和 ε(拉应变 ) 共同作用 。 33 33

? ε由于 N 分力明显大于 N 分力 , 因而 的拉应变 2 1 33

分量最大 , 轴承内圈内壁 3 - 3 环线处总体上表现

4. 2 径向受力机理为受拉 , 但是轴承上部仍以压应变为主 , 从而发生

了轴承内圈内壁上的轴向应变发生变化的现象 。 径向加载过程中 , 各型号轴承内圈测点 的载

() 轴向加载试验中 3 种型号的轴承外圈均在两 荷 - 应变强度曲线均出现拐点 图 4 a , 这主要是

31? ?赵宪忠等 :单向载荷作用下向心关节轴承球铰节点的受力性能

由于销轴轴身开设凹槽的缘故 。销轴在外载荷的 , 在 轴承内圈犹如一个受到线载荷作用的悬臂梁 作用下受弯变形 , 但由于销轴上开有凹槽 , 因而加 弯矩作用下 ,内圈内壁受到轴向拉应变 ,内圈外壁 载前期销轴与轴承内圈端面并未接触 , 外力主要 受到轴向压应变 , 轴向受力分析如图 14 所示 。B

通过销轴传递至轴承内圈的中间区域 , 然后再传 区域轴向拉应变最大 , 同时 , 轴承内圈在径向方向

() 递到外圈以及上耳板 图 12 a 。此时 , 轴 承内 圈 还受到一定的挤压应变作用 。综上可知 , 向心关 端面处为间接受力 , 力值较小 , 且应变强度线性变 节轴承内圈端面与销轴接触后 , 在轴承内圈产生 化 。随着外载荷的增加 , 销轴弯曲变形加大 , 销轴 了端面处的周向拉应变 、内圈内壁上的轴向拉应

() 凹槽与轴承内圈端面直接接触 图 12 b , 内圈端 变和径向方向的压应变 , 正是这 3 向应变的作用 ,

轴承发生了如图 4 所示的马蹄形破坏 。 面受力显著增加 , 载荷 - 应变强度曲线出现拐点 ,

之后即使载荷有微小增加 , 其上的应变增加速度

较之以前也明显加快 。由表 2 可知 , 位移曲线拐

点载荷小于轴承内圈上应变曲线拐点载荷 , 表明

销轴首先进入屈服 ; 销轴屈服变形后与轴承内圈

端面接触 , 引起应变曲线出现拐点 。

图 14 轴承内圈轴向受力分析

5 结束语

通过对向心关节轴承在轴向和径向单一方向

进行加载的试验和有限元分析 , 得到如下结论 :

( )1 对多部件组成的向心关节轴承球铰节点 ,

可采用基于接触单元的有限元分析进行节点的力

学性能模拟 。

图 12 轴承内圈 M ise s应力云图 ( )2 向心关节轴承在轴向载荷作用下 , 内圈轴

向心关节轴承内圈端面与销轴接触后 , 在 周 向应变由 上 至 下 发 生 变 化 , 内 、外 圈 在 上 部 将 分 向方向 , 轴承内圈犹如一个受跨中分布力作用的 离 ; 在径向载荷作用下 , 内圈端面在径向 、周向和 张紧索段 , 产生较大的周向拉应变 , 内圈周向受力 轴向应变组合作用下 , 将发生马蹄形破坏 。 分析如图 13 所 示 , 内 圈 端 面 最 上 部 A 区 域 处 的 ( ) 3 试验和分析结果表明 , 关节轴承式球铰节内 、外表面均产生最大周向拉应变 。在轴向方向 , 点转动性能良好 , 其破坏承载力较额定载荷有较

大安全余度 , 可应用于建筑结构中 。

参考文献 :

[ 1 ] 汪大绥 ,周 健 ,刘晴云 ,等. 浦东国际机场 T2航站楼

() 钢屋盖设计研究 [ J ]. 建筑结构 , 2007, 37 5: 45 - 49.

马 越 . 上海浦东机场二期工程航站楼钢屋盖铸钢 [ 2 ] 节点性能研究 [ D ]. 同济大学 , 2006.

王 帅 . 基于向心关节轴承的球铰节点的力学性能

[ 3 ] 与设计 [ D ]. 同济大学 , 2008.

(编辑 :李超强 )

图 13 轴承内圈周向受力分析

范文三：三铰拱和悬索结构的受力分析

三铰拱和悬索结构的受力分析

1、 拱结构与曲梁的区别

拱结构在竖向荷载作用下能够产生水平方向的力；而曲梁在竖向荷载作用下并不产生水平方向的支反力。

2、 带拉杆的拱结构

由于水平推力的存在，它对于地基和支撑结构要求较高。用于屋架的三铰拱，常在支座之间设置拉杆，以代替支座承受水平力。这样在竖向荷载作用下，支座就只产生竖向支反力，从而消除了推力对支撑结构的影响，而拱身仍然具有拱结构的受力特性。

3、 拱结构的力学特性

拱结构截面内一般有弯矩、剪力和轴力，但是在竖向荷载作用下，由于有水平推力的存在，是的其弯矩和剪力都要比同跨度、同荷载的梁要小得多，而起轴力则将增大。因此，拱结构主要承受力压。这样，拱结构就可以用强度较高而抗拉强度较低的砖石、混凝土等材料来建造。

4、三铰拱要求掌握支反力的计算，尤其是水平推力的计算。其原理让然可以从第三章的节点法。支反力的大小与l和f（即三个铰的位置）以及荷载的情况有关，而与拱轴线形式无关。水平推力F与拱结构高度成反比，拱结构越低其推力越大，如果拱结构高度趋于零，那么水平推力将会趋于无穷大，这时三个铰在同一直线上，成为几何可变体系。

范文四：平铰拱桥受力分析的迭代法

帄铰拱桥受力分析的迭代法

卞 莉 华 , 欧

()株洲工学院土木工程系 湖南 株洲 412008

摘 要 : 帄铰拱桥结构的受力分析属于边界非线性力学问题 ,目前的一些方法受力分析不太明确 ,对变

截面 、复杂形状截面等帄铰拱桥无法进行计算 . 针对这种情况 ,提出了确定帄铰截面抗力系数 K 的新方

法 ,建立了计算帄铰拱桥内力的迭代算法 ,并进行了实例计算 ,研究结果表明 ,这一方法对具有任意个帄

铰 、任意形状截面的拱桥结构是适用的.

关键词 : 帄铰 ; 非线性 ; 抗力系数 ; 迭代算法

中图分类号 : TU 311 文献标识码 : A

由转动 , 在转动中要受到一定程度的约束 ; 与固定 0 引言 支承比较 , 帄铰不能承受拉应力 , 所以帄铰承受的

在一般的拱桥设计中 , 大都采用了帄铰的概 ( ) 弯矩有限. 帄铰结构如图 1 a所示 , 帄铰截面上 念 , 对帄铰拱桥提出合理实用的受力分析方法 , 是 的应力沿高度的分布如图 1 ( b) 所示 , 其合力记为拱桥设计和施工以及评估开裂圬工拱桥的承载能 N , 向截面中心简化后 , 拱端承受压力 N 和附加P P 力时迫切需要解决的问题 , 但目前的解法受力分 3 ( ) 约束弯矩 M , 如图 1 c所示 , K 是偏心距. P 析不够明确 , 且采用手工算法 , 对变截面 、截面形

( 状复杂等帄铰拱无法进行计算. 例如无铰拱 视拱

) ( ) 趾为固定支承或双铰拱 视拱趾为铰支模型算 [1 ] 法, 当拱趾上缘出现裂缝时 , 按设计规范 , 在截

面偏心距不超过规定值时 , 可保持拱趾受力状态

不变 , 而考虑材料的塑性进行“应力重分布”计算. 图 1 帄铰的受力特点 但是拱趾截面上缘既已开裂 , 拱趾的固结条件就 Fig. 1 Mechanical feature of blat hinge joint 不能保证 , 支承条件的改变就会引起“内力重分 在外载荷作用下 , 帄铰拱允许拱趾产生开裂 , 布”, 即拱趾的固端弯矩值会随着裂缝的产生而相 φ即允许产生微小转动 , 转角记为 , 其大小应在 p 应减少 , 此时采用无铰拱或双铰拱计算都会产生 ( ) 铰支转角和固支转角 为零之间 , 且与 M 的大 P 较大的误差. 本文研究了帄铰的力学特性 , 提出的 小有关. 分析拱中受力 , 必须先确定帄铰的约束反 新方法适用于具有任意个帄铰的拱桥结构的力学 力 N 和 M , 它们使拱满足静力帄衡条件 , 但帄 P P 分析. 铰拱的受力分析属于边界非线性力学问题 , 因为

φ支座的位移转角 未知 , 且与 M 相关. p P

2 帄铰拱桥结构的受力计算 1 帄铰的力学特性

在圬工拱桥的设计和施工中 , 经常出现拱趾 2 . 1 截面弹性抗力系数及其与 N , M 的关系 P P 上缘应力大于圬工材料许用拉应力而产生裂缝的

( ) 情况 , 并且施工时在拱圈拱趾和桥墩 台的拱座 因为横截面上的转角 φ 总与该截面的弯矩 间常常就设有帄缝 、开裂或设置帄缝 , 这种固结情 M 成正比 , 我们可以设定

况统称为帄铰 . 与一般铰接比较 , 帄铰不能完全自 ( )φ 1 M = KI,

收稿日期 :2000 - 11 - 01 ;修订日期 :2000 - 01 - 10 () 作者简介 :卞 华 1962 - ,男 ,湖南省临澧市人 ,株洲工学院副教授 ,主要从事应用力学方面的研究 .

44 郑 州 工 业 大 学 学 报 2001 年

其中 : I 为截面对形心轴的惯性矩 ; K 为截面弹性 3 h H 3 且偏心距 K , 弯矩 M = N K? , 对于= -P P 2 3 抗力系数 , 它与弹性模量 E 有关. 以往有人取 K 其他形状的截面 , 只是 N = σd F 有所不同.P = 0. 4,0. 6 E , 但根据不足 , 我们认为可以由计算 3 ?A [2 ]( ) 得到具体问题的常数 K. 将图 2 a所示的固定拱 2 . 2 迭代法求解帄铰拱桥内力

( 或称无铰拱) 的弯矩记为 M, 图 2 ( b) 所示的铰 G φ显然 ,, h 与 N , M 是互相关联的 , 我们可 p P P

( ) 以采用下列迭代步骤求解 , 最终使帄铰拱桥在载 φ支拱 又 称 双 铰 拱的 转 角 记 为 , 根 据 叠 加 原 j

荷和反力 N , M 的作用下达到静力帄衡 , 又能 P P 理 , 在 A 和 B 端有 φ保持帄铰上产生转角 . 以矩形横截面为例进行 p M G= 0 计算. φ- , j KI

M G( )2 K = . ()1 为了分别计算对应的固定拱 、铰支拱 , 得 φI j

( ) φ到 M, N 和, 并由式 2求得 K 值 , 我们取初 G G j

φφ 值 N = N , M = M,= 得P0 G P0 G p0 j

2 N P0 H h 3 1, K = - , h= 1 1 φ2 3 b K P0图 2 固定拱的受力叠加 3Fig. 2 Mechanical a ddition of arch without joint = N ?K M P0 1 P1

σ 固定拱横截面上的弯曲正应力 可表示成( ) 2把 M 作为施加外力 , 计算帄铰拱 , 求出 P1

M yN ,φ, 得到 GP1 p1 φ = Ky , σ = j I 2 N P1 h H 23 同理 , 运用叠加原理分析帄铰拱的受力和两 h= - ,, K2 = 2 φb K 2 3 P1 端转角位移 , 如图 3 所示 , 有3 M P2= N K. P1 2 M pφ( ) φ3 p= - , M -M j P2 P1 KI (3) 判别 M 的收敛性质应使用 ΦP M P1( ) φφ其中 , K 已由式 2确定 , 而有人设 = , 显然 p j ε判别式 , 其中ε 为收敛精度控制值 , 一般可取为 根据不足.- 3- 5 10 ,10 .

如果达到相应的精度 , 就可以取 M = M , P P2

N = N ; 若不满足 , 则未收敛 , 重复上述第 2 步 P P1

图 3 帄铰的受力叠加 和第 3 步 , 直到收敛为止 .

Fig. 3 Mechanical a ddition of blat hinge jiont 当拱上有多个帄铰时 , 可按同样的步骤进行

φσ假设 = Ky , 即帄铰横截面上的正应力沿 P计算. 为了便于推广应用 , 我们借助杆件有限元法 σ高度 线 性 分 布 如 图 4 所 示 , 最 大 正 应 力 = max 计算结构的内力和变形 , 编制了相应的计算机程

φKh , 合力 N 为 p P 序 , 使得上述迭代算法能够较好地适用于复杂拱

1 1 2 桥结构和复杂载荷作用下的拱桥. σ φ N = σ d F =hb = K hb ()max, 4 P P 3 ?2 2 A

3 具体算例 2 N P h = , ()5 φb K P 一拱轴曲线为圆弧的等截面两帄铰拱 , 跨径

32 m , 矢高 4. 287 m , 圆弧半径为 32 m , 横截面为矩

形 , b = 6 m , H = 0 . 967 m. 材 料 弹 性 模 量 E =

3 ( ) γ 9 . 8 GPa , 体积质量 = 2. 5 kN/ m考虑自重, 集

中力 F = 400 kN 作用在拱上距左端水帄距离 4 m

处 . 采用 24 个等长直杆单元 . 用本文方法进行计

算 , 分别绘出了帄铰拱的弯矩和挠度曲线 , 并与固

图 4 帄铰横截面的应力分布 定拱和铰支拱的计算结果进行了比较. 如图 5 、图 Fig. 4 Stresses of cross section of blat hinge joint 6 所示.

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卞 华等 帄铰拱桥受力分析的迭代法 45 第 1 期

4 结束语

通过本方法的分析及实例计算可以看出 , 采 用固定拱和铰支拱法计算 , 都会产生较大的误差 ,

固定拱法得出的数据明显偏小 , 而铰支拱法得出

的数据又稍稍偏大. 而有人取截面弹性抗力系数

K = 0. 4,0. 6 E , 把帄铰拱支座的角位移与铰支拱

支座的角位移等同 , 是产生误差的重要原因. 而本 1. 帄铰拱 ;2. 固定拱 ;3. 铰支拱 文提出的方法较好地解决了这些问题 , 结合配套 图 5 帄铰拱桥的弯矩图 的电脑软件 , 能较好地应用到工程实际计算 , 并达 Fig. 5 Bending moment of arch bridge 到相应的精度 .

参考文献 :

1 王 世 槐 . 圬 工 拱 桥 M . 北 京 : 人 民 交 通 出 版 社 ,

1983. 1. 帄铰拱 ;2. 固定拱 ;3. 铰支拱 重庆建筑工程学院. 结构力学 M . 北京 : 人民教育 2 图 6 帄铰拱桥的挠度图 出版社 ,1981.

Fig. 6 Deflection of arch bridge

Iterative Approach to Mechanical Analysis of Arch Bridge

B IAN Hua , OU Li

()Department of Civil & Building Engineering ,Zhuzhou Institute of Technology ,Zhuzhou 412008 ,China Abstract :The mechanical analysis for arch bridge with flat hinge joints is a mechanical problem with non - linear boundary. Mechanical analysis of methods at present is not clear , which can not calculate the arch bridge with changeable section and section with complicate shape . In this paper , the new method used to get the section resis2 tance coefficient K is presented , the iterative procedure is established to calculate the internal forces of arch bridge with flat hinge joints , and the computational example is given. The method can apply to the arch bridge with any numbers of flat hinge joints and any shape section.

Key words :flat hinge joint ; non - linearity ; resistance coefficient ; iterative procedure

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范文五：车辆骨架节点受力分析

典型任务一:车辆典型构件的受力分析

活动背景

人们在推、拉、提、掷物体时,从肌肉的紧张收缩中,感觉到人对物体施加 的作用, 从而产生了对力的感性认识, 然而汽车在行驶过程中各部件均受到不同 类型的力的作用, 受力情况非常复杂, 因此正确认识汽车构件的受力情况, 是保 证安全行车的关键因素,也是汽车维修、整形的重要依据。

知识与技能要求

1. 理解静力学基本概念和基本公理

2. 掌握典型约束的约束性质

3. 能对机件进行初步的受力分析

活动分析

1. 能认识静力学的基本概念

2. 能对汽车主要机件进行受力分析

操作活动

操纵机械式转向系统

1.认识机械式转向系统的组成

如图所示桑塔纳轿车的机械式转向系统,由转向盘、转向传动轴、齿轮齿条 式转向器、转向横拉杆和转向节等组成。

2.操纵并观察判断

1)双手握着方向盘并朝逆时针方向(左)转动,观察横拉杆的移动方向; 朝左方向移动,判断转向车轮的偏转方向为左转。

2)双手握着方向盘并朝顺时针方向(右)转动,观察横拉杆的移动方向; 朝右方向移动,判断转向车轮的偏转方向为右转。

3.思考和分析

为什么转动方向盘,转向车轮也会相应转动呢?是否由于力的因素在起作 用?

力是物体间的相互作用, 这种作用是使物体的运动状态或形状发生改变的原 因。

十堰 职 业技 术 学院 学 习 任 务 单

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