钢支座的疲劳及寿命分析研究

钢支座的疲劳及寿命分析研究

摘要：依据全寿命设计理念，以桥梁结构中的支座为题，以钢支座为例，应用疲劳试验对其进行正常使用的寿命估算。在特种用途的支座上加快科学研究，开展桥梁支座动力性能的研究工作，以使桥梁支座更好地适应桥梁建设的需要。

关键词:钢支座；疲劳寿命；有限元分析

Abstract: according to the life the design concept, the bridge structure under the bearings, with steel bearings as an example, the application of the fatigue test of the normal life estimation. In the special purpose on the support to speed up the scientific research, the dynamic performance in bridge bearings of the research work, in order to make bridge bearings better adapt to the needs of the construction of the bridge.

Keywords: steel bearings; Fatigue life; Finite element analysis

1 概述

铸钢支座分为固定和活动支座两种, 它们分别用于直线梁和曲线梁的支承, 能同时承受多种组合荷载, 其中包括垂直纵横向荷载、扭转荷载以及冲击荷载等。为满足行车的安全可靠、平稳及低噪声的要求, 铸钢支座应具有足够的强度、抗疲劳、耐磨、承受梁荷载和环境温度变化以及防腐蚀的耐久性要求。为此, 采用I－DEAS (MS7.0) 软件, 建立了梁活动钢支座的三维实体模型(比例1∶1) , 并按三维四面体结点单元将其划分为34367个单元和35236个结点, 对所建模型进行疲劳及寿命有限元分析, 以得到其在荷载作用下疲劳失效因子及各零件寿命。

2 有限元模型

按活动支座的实际尺寸, 建立和实际零件比例为1∶1 的有限元模型, 其单元形式为四面体结点单元, 模型的主要数据见表1，支座三位实体如图1。

图1活动支座三维实体

2 荷载条件

（1）竖向荷载

按最不利工况考虑, 其最大竖向荷载为901kN

作用在支座上的梁自重565.02/2 = 282.51kN

故其最小荷载为282.51kN

最大荷载为901kN

平均荷载为 = (282.51 + 901)/2 = 591.755kN

应力幅值为 = (901–282.51)/2 = 309.245kN

（2）横向水平荷载

按最不利工况考虑, 计入摇摆力及风力产生的最大横向水平荷载为6011+27103= 87113kN,即横向水平荷载在0～87113kN 间变化。

3 疲劳寿命分析

在对活动支座的疲劳寿命分析中采用稳定疲劳分析方法, 其中,对零件疲劳寿命计算准则主要有应力寿命准则( 准则)、应变寿命准则( 准则)。应变寿命准则主要用于低周循环疲劳计算(即循环次数低于103～104),故应采用应力寿命准则对活动支座进行疲劳寿命分析。对在循环交变应力作用3×106次(即3百万次)后的活动支座得到3种分析结果:

（1） 屈服强度(Yield Strength)失效因子,其计算准则为：

式中： 为时间 时的有效应力， 为材料的屈服极限。

SF的值为0～1之间的数值, SF<1表示未发生疲劳破坏, SF = 1 表示将发生疲劳破坏。

（2） 应用Goodman准则得到失效因子,其计算准则为

式中：r为双向应力比； 为第i循环的应力幅； 为第i循环的平均应力； 为材料允许循环应力； 为材料极限强度。

SF的值为0～1之间的数值, SF<1表示未发生疲劳破坏, SF = 1 表示将发生疲劳破坏。

（3） 应用Gerber准则得到失效因子，其计算准则为：

SF的值为0～1之间的数值, SF<1表示未发生疲劳破坏, SF = 1 表示将

发生疲劳破坏。

4 计算结果

对支座疲劳寿命按应力寿命准则(即 准则)进行计算得到其累积损伤和疲劳寿命。活动支座主要由上下摆、支承块、销轴3种不同材料的零件组成，在分别对其进行疲劳分析后，得到计算结果如表2。

活动支座的疲劳分析计算结果 表2

屈服强度失效因子 Goodman

失效因子 Gerber

失效因子 积累损伤 疲劳寿命

上、下摆 7.03×10-5～0.38

0～0.482 0～0.364 0～1.04×10-6 5.66×1013～ 1×1036 次

支撑压块 8.46×10-4～0.432 0～0.356 0～0.210 0～6.20×10-3 1.82×1010～

1×1036次

销轴 1.44×10-3～0.212 0～0.23 0～0.117 0～6.37×10-3 1.66×1010～

1×1036 次

5 结论

通过对活动钢支座的疲劳寿命有限元分析, 可得到如下结论:

（1）活动支座各零件在屈服强度准则、Goodman 准则及Gerber准则下都远远未达到失效程度(各项因子都远远小于1),表明支座在3×106 次(即3百万次)应力循环作用下将不会发生疲劳破坏。

（2） 活动支座的上、下摆的疲劳寿命为5.66×1013～1×1036次；支承块的疲劳寿命为1.82×1010～1×1036次； 滚柱的疲劳寿命为1.66×1010～1×1036次。

（3）个零件的累积损伤都远远小于1,故可以认为在当前荷载作用下活动支座疲劳寿命已达无限寿命区，不会发生疲劳破坏。

参考文献：

[1] 庄军生编著.桥梁支座［Ｍ］.中国铁道出版社

[2] 姚玲森主编. 桥梁工程［Ｍ］. 人民交通出版社

[3] 李军歌著．对桥梁支座简化模型的一点思考［Ｊ］．工程结构

[4] 刘帮俊著.桥梁钢结构疲劳全寿命设计研究

第一作者简介：

邵永生，男，1987年生，黑龙江省五常市人，现为长安大学桥梁与隧道工程硕士研究生。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。