球形支座水平力和上拔力由上支座板、底座(含箱体)共同承受;转动通过上支座板与球芯、底座的相对移动实现;水平移动通过底座相对于箱体的滑动实现。传统支座以传递竖向载荷为主,当水平荷载较大时,支座转动性能较差。
根据工程经验,球型支座球面聚四氟板的圆心角α不应大于40°,球芯半径一般为球面聚四氟板水平投影直径(与水平聚四氟板直径相等)的1.5~2.8倍。球面聚四氟滑板半径的大小,决定了支座转动力矩的大小和竖向荷载的传递情况,球面半径越小,竖向压力传递越集中,但转动力矩越小:球面半径越大,竖向压力传递越均匀,但转动力矩越大。
按欧洲EN1337-2规定弹性减振球型支座生产厂家为使球面在工作中不脱离,要求曲面滑动的总偏心量e≤L/8(L为聚四氟滑板直径)。由于国外按极限状态的聚四氟设计强度为60MPa,远大于我国按容许应力法设计时的材料强度,所以我国在球型支座设计时可以不考虑曲面滑动偏心距引起滑板承压面积减小的影响,而直接按垂直载荷的平均应力确定聚四氟滑板的直径,材料设计强度为30MPa,方法简单易行,偏于安全。
支座在承受压力时,薄弱的构件是聚四氟板,所以只需对聚四氟板进行强度校核。支座中聚四氟滑板的几何尺寸主要根据支座承载力大小来确定。平面聚四氟滑板和球面聚四氟滑板的平面尺寸应满足:
Pmax/A≤fs
式中:Pmax为支座极限载荷;
A 为聚四氟滑板面积或水平投影面积
Fs为聚四氟的强度设计值
球芯是支座完成转动的关键部件,其外径的大小应该根据支座转角、球芯的球面半径R和球面聚四氟板滑板平面投影直径确定。球芯的球面半径应与球面聚四氟板的内球面半径相同,保证支座传递竖向载荷时,球面聚四氟滑板的受力均匀和支座转动的平稳。
支座球芯上表面外径为D与球芯半径R、支座转角θ和平面聚四氟板圆直径L应满足 D≥2Rθ+L
上盖板直径Dg>D+2Rθ+10
式中:Dg为上盖内径;D为球芯上表面外径,mm;R为球芯球面半径,mm;θ为要求的球芯转角,rad。
此外,根据欧标EN1337-7第6条规定,当球面聚四氟板圆心角α<40°时,分布在曲面上的应力与平面上应力之差是可以忽略的。
在对底座下凸缘的验算中要考虑水平力造成的附加力矩。在拉、剪共同作用下,应考虑水平力对底座下凸缘的附加力矩以及复合受力状态下折算应力的影响。一般情况下,底座凸缘在受拉时比上盖板凸缘要强得多,所以此时省略对底座上凸缘的计算。
