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北京球形盆式支座建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)

　　隨著我國(guó)建筑水平的不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)球形支座設(shè)計(jì)水平也在不斷提高。由于建筑結(jié)構(gòu)中球形支座與公路橋梁中的球形支座受力形態(tài)存在顯著差異，往往需要承受很大的水平荷載。本文主要介紹了建筑結(jié)構(gòu)球形支座設(shè)計(jì)，并針對(duì)球形支座在水平力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性減弱的缺點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)球形支座形式提出了改進(jìn)方法;對(duì)各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的球形支座進(jìn)行了設(shè)計(jì)。旨在為相關(guān)從業(yè)者提供經(jīng)驗(yàn)和幫助。球形支座;設(shè)計(jì);復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

　　　近幾年來，隨著我國(guó)建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，球形支座技術(shù)在大跨度建筑結(jié)構(gòu)中，支座得到廣泛應(yīng)用。支座形式主要包括板式支座、銷軸支座、橡膠墊支座、軸承支座和球形支座等，近年來又出現(xiàn)了鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等新型耗能支座。球形支座近年來在國(guó)內(nèi)外公路橋梁、大跨度結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。其具有如下特點(diǎn)：支座受力情況與力學(xué)計(jì)算假定一致，支座通過球面?zhèn)髁�，作用反力分布均勻，傳力可�?通過聚四氟乙烯(PT-FE)板的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)，支座可以大轉(zhuǎn)角萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng);可以實(shí)現(xiàn)支座的水平滑動(dòng)，允許位移值大，能夠有效釋放結(jié)構(gòu)地震作用變形與溫度應(yīng)力;支座剛度大，變形小，承載能力高，抗震性能好;無老化問題，耐久性好;適用溫度范圍大。在大跨度建筑結(jié)構(gòu)中，除重力荷載、溫度作用外，風(fēng)荷載與水平地震作用往往起控制作用，支座處于復(fù)雜受力狀態(tài)，在地震與溫度作用下可能承受很大的水平力，在風(fēng)荷載作用下也可能出現(xiàn)較大的風(fēng)吸力。

1 球形支座構(gòu)造設(shè)計(jì)

　　通常情況下，傳統(tǒng)的球形支座在水平力作用下，支座轉(zhuǎn)動(dòng)能力較差而且設(shè)計(jì)上以傳遞豎向荷載為主。以某工程球形鋼支座設(shè)計(jì)為背景，針對(duì)3類球形支座(固定支座、單向滑動(dòng)支座、雙向滑動(dòng)支座)進(jìn)行設(shè)計(jì)。球形支座水平力和上拔力由上支座板、底座(含箱體)共同承受;轉(zhuǎn)動(dòng)通過上支座板與球芯、底座的相對(duì)移動(dòng)實(shí)現(xiàn);水平移動(dòng)通過底座相對(duì)于箱體的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中提出了一種對(duì)傳統(tǒng)球形支座的改進(jìn)措施：將上支座板的圓筒內(nèi)壁加工成球面內(nèi)壁，底座上凸緣外側(cè)也加工成球面，使底座上凸緣外側(cè)球面與上支座板圓筒內(nèi)壁球面光滑接觸，可以在水平力作用下實(shí)現(xiàn)支座轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　固定支座WJKQZ1200-GD、單 向 滑 動(dòng) 支 座WJKQZ1200-DX和雙向滑動(dòng)支座WJKQZ1000-SX分別如圖1-3所示。從圖1-3可以看出，上支座板下凸緣與底座上凸緣相互咬合，支座構(gòu)造緊湊，安裝方便，用鋼量較小。球形支座裝配如圖4所示。在上支座板的內(nèi)圓筒壁上設(shè)有4個(gè)凸緣，在底座上邊緣也設(shè)有4個(gè)凸緣，組裝時(shí)將上蓋板套入底座后旋轉(zhuǎn)45°，使上蓋板與底座的凸緣咬合，可以使上蓋板與底座之間直接傳遞內(nèi)力，防止球形支座各部分互相脫離。

2 球形支座主要參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

 2.1材料性能及設(shè)計(jì)參數(shù)

　　球形支座材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為：鑄鋼G20Mn5N或G20Mn5QT的抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=235MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=135MPa，焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=235MPa，聚四氟乙烯強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=30MPa。支座的設(shè)計(jì)主要參數(shù)如表1所示。

 2.2關(guān)鍵部位強(qiáng)度計(jì)算以固定支座為例，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核。

  2.2.1聚四氟乙烯板支座在承受壓力時(shí)，最薄弱的構(gòu)件是聚四氟乙烯板，所以只需對(duì)聚四氟乙烯板進(jìn)行強(qiáng)度校核。支座中聚四氟乙烯滑板的幾何尺寸主要根據(jù)支座承載力大小來確定。平面聚四氟乙烯滑板和球面聚四氟乙烯滑板的平面尺寸應(yīng)滿足：

   Pmax/A≤f(1)式中：

   Pmax為支座極限荷載;A為聚四氟乙烯滑板面積或水平投影面積;

   f為聚四氟乙烯的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

　　支座WJKQZ12000-GD豎向極限承載力P為1200kN，球面聚四氟乙烯板水平投影直徑d為250mm，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，球型支座球面聚四氟乙烯板的圓心角α不應(yīng)大于40°，球芯半徑一般為球面聚四氟乙烯板水平投影直徑(與平面聚四氟乙烯板直徑相等)的1.5～2.8倍。球面聚四氟乙烯滑板球面半徑的大小，決定了支座轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的大小和豎向荷載的傳遞情況，球面半徑越大，豎向壓力傳遞越均勻，但轉(zhuǎn)動(dòng)力矩越大;球面半徑越小，豎向壓力傳遞越集中，但轉(zhuǎn)動(dòng)力矩越小。本支座中的球芯球面半徑為400mm,為平面聚四氟乙烯滑板直徑的1.6倍。按歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,為使球面在工作中不脫離，要求曲面滑動(dòng)的總偏心量e≤L/8(L為聚四氟乙烯滑板直徑)。由于國(guó)外按破壞極限狀態(tài)確定的聚四氟乙烯設(shè)計(jì)強(qiáng)度為60MPa,遠(yuǎn)大于我國(guó)按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)時(shí)的材料強(qiáng)度，所以我國(guó)在球形支座設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮曲面滑動(dòng)面偏心矩引起滑板承壓面積減小的影響，而直接按垂直荷載的平均應(yīng)力確定聚四氟乙烯滑板的直徑，材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa，方法簡(jiǎn)單易行,偏于安全。

3 支座材料物理機(jī)械性能要求

　　上支座板、底座、中間球面鋼襯板等采 用20M n5N鑄鋼件，其化學(xué)成分、熱處理后的機(jī)械性能符合CECS235∶2008《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。不銹鋼板符合GB/T3280-2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》有關(guān)規(guī)定，不銹鋼板表面加工等級(jí)符合NO.4拋光精整表面組別的要求。球型支座潤(rùn)滑用5201-2優(yōu) 等 品 硅 脂，其 技 術(shù) 性 能 應(yīng) 符 合HG/T2502-1993《5201硅脂》的規(guī)定。油漆防銹，防塵構(gòu)造采用橡膠密封圈。

4 試驗(yàn)

　　針對(duì)單面滑動(dòng)支座2在同濟(jì)大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，由豎向作動(dòng)器壓力為20000kN、水平作動(dòng)器拉壓力為2000kN的FCS電液伺服控制試驗(yàn)系統(tǒng)完成。

 4.1支座豎向承載力試驗(yàn)

　　試驗(yàn)荷載為設(shè)計(jì)豎向荷載的1.5倍，試驗(yàn)荷載由零至檢驗(yàn)荷載均分10級(jí)加載，并通過安裝在支座底板上的4只百分表測(cè)試壓縮變形。豎向荷載作用下，支座各構(gòu)件與聚四氟乙烯滑板之間無分離現(xiàn)象，支座在加載過程中外觀正常，豎向荷載與豎向壓縮變形曲線基本呈線性關(guān)系。在承壓過程中，由于聚四氟乙烯板表面的硅脂被逐漸擠出及支座各部分間隙壓實(shí)等因素，使加載初始變形較大。隨著豎向荷載增大到1500kN以后，支座豎向壓縮變形基本呈線性增大。由于第1次加載后支座各部分組裝縫得到壓實(shí)，第2次和第3次的壓縮變形比第1次加載時(shí)的變形量小，且第2次和第3次加載時(shí)，支座的壓縮變形量非常接近，壓縮變形量不大于支座總高度的1%，如表4所示，符合設(shè)計(jì)要求。

 4.2摩擦因數(shù)

　　將支座豎向設(shè)計(jì)荷載以連續(xù)均勻的速度加至1.0倍的設(shè)計(jì)值，用水平力加載裝置連續(xù)均勻的施加水平力，支座一旦發(fā)生滑動(dòng)，即停止施加水平力，由此計(jì)算出支座的初始靜摩擦因數(shù)，試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行5次，壓力為3000kN時(shí)，試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)如表5所示初始摩擦系數(shù)的算術(shù)平均值為1.28%，其結(jié)果均小于0.03，支座外觀正常，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

　　在設(shè)計(jì)中將上支座板的圓筒內(nèi)壁加工成球面，底座上凸緣外側(cè)也加工成球面，使得底座上凸緣外側(cè)球面與上支座板圓筒內(nèi)壁球面光滑接觸，可以在水平力作用下實(shí)現(xiàn)支座轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的球形支座進(jìn)行了全面驗(yàn)算，提出的實(shí)用設(shè)計(jì)方法可供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。球形支座的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，支座的承載力、壓縮變形量與摩擦因數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行抗震球形支座設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)的影響。