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香港鋼結(jié)構(gòu)用大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼橡膠支座的設(shè)計(jì)方法研究

　　針對鋼結(jié)構(gòu)工程對支座的高承載、高抗拉、高抗剪、大轉(zhuǎn)角的要求，以承載能力為10000kN的支座為例，研究滿足要求的大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座的結(jié)構(gòu)型式、計(jì)算方法，運(yùn)用有限元分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法的適宜性，從而獲得大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座的設(shè)計(jì)方法。　　關(guān)鍵詞：大轉(zhuǎn)角、結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算方法、有限元分析。

　　　支座在鋼結(jié)構(gòu)工程中，一般用在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的結(jié)合處，上部結(jié)構(gòu)的靜、動載荷通過支座傳遞給基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要求支座要有足夠的承受豎向載荷的能力;溫度變化或地震將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平剪力和豎向拉力，這些力的傳遞也要靠支座來完成，因此還要求支座具有足夠的抗水平剪力和抗豎向拉力的能力;結(jié)構(gòu)在長期服役過程中，由于受力件的變形或位移，對于某些節(jié)點(diǎn)中心將產(chǎn)生很大的力矩，對于這些力矩若不采取措施釋放掉，必將對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的危害，釋放有害力矩的措施，一般是在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置鉸接結(jié)構(gòu)和對支座釋放足夠的位移空間，而鉸接性能反應(yīng)到節(jié)點(diǎn)處的支座上，就是要求支座具有足夠的轉(zhuǎn)動能力。從以上分析可以看出，應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)工程的支座需具備足夠的承載能力、抗拉能力、抗剪能力和轉(zhuǎn)動能力。需要指出的是，鋼結(jié)構(gòu)工程要求支座轉(zhuǎn)角要比用于其它(例如橋梁)工程的支座的轉(zhuǎn)角大得多。支座轉(zhuǎn)角的增大，就普通支座而言，破壞了支座的受力狀況，面?zhèn)髁ψ優(yōu)榫�傳力或點(diǎn)傳力，或支座卡死，不能轉(zhuǎn)動，將給工程埋下巨大安全隱患。為了適應(yīng)工程需要，保證工程安全，我們開發(fā)了一種大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座，已廣泛地在一些建筑工程中應(yīng)用。

　　以下以某一工程所用大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座為例，對照普通球型鋼支座，對其性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法進(jìn)行分析。

一、對所研究的支座的性能要求

　　承載能力N=10000kN

　　抗拉能力F=2000kN

　　抗剪能力H=3000kN

　　轉(zhuǎn)角 θ=0.05rad

　　轉(zhuǎn)動中心設(shè)定在O點(diǎn)處(見圖1)。

二、工況分析

　　支座在服役期間可能出現(xiàn)的工況：

　　1.支座在承受壓力的同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動;

　　2.支座在承受拉力的同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動;

　　3.支座在承受壓力的同時(shí)承受剪力和轉(zhuǎn)動;

　　4.支座在承受拉力的同時(shí)承受剪力和轉(zhuǎn)動;

　　以上4種工況中最不利的工況是最后一種，以下即按這種工況進(jìn)行支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。

三、支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳力路徑

　　考慮到對支座有大轉(zhuǎn)角的要求和有設(shè)定的轉(zhuǎn)動中心的要求，采用球面?zhèn)髁Φ拇筠D(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座方案，結(jié)合轉(zhuǎn)動中心和轉(zhuǎn)角確定傳力球面的球心，以適應(yīng)工程要求。

　　支座傳力路徑：

　　上部結(jié)構(gòu)將荷載傳給上支座板，然后依次通過不銹鋼板、平面耐磨板、球冠板、球面耐磨板和下支座板傳遞給下部結(jié)構(gòu)。

四、大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座與普通球型鋼支座結(jié)構(gòu)、性能對照

　　普通球型鋼支座結(jié)構(gòu)

　　普通球型鋼支座以O(shè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動0.05rad且承受拉力、水平剪力時(shí)的狀況

　　可以看出當(dāng)支座轉(zhuǎn)動后，支座承受拉力的兩個(gè)作用面——上支座板的A面和下支座板的B面之間夾角為0.05rad，支座承受水平力的兩個(gè)作用面——上支座板的C面和下支座板的D面之間夾角也為0.05rad，在這種情況下，支座承受拉力和剪力時(shí)皆為線傳力，甚至造成點(diǎn)傳力。特別是在承受拉力時(shí)，受力點(diǎn)偏向一側(cè)，破壞了均衡受力狀況，很可能造成構(gòu)件破壞。且如果先有了拉力、剪力，又需支座轉(zhuǎn)動，支座先在拉力、剪力作用下，作用面(都是平面)貼合，支座就再也轉(zhuǎn)不動了，轉(zhuǎn)角釋放不了，有害力矩也釋放不了。

　　大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座以O(shè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動0.05rad且承受拉力、水平剪力時(shí)的狀況

　　可以看出當(dāng)支座轉(zhuǎn)動后，支座承受拉力的兩個(gè)作用面(見G處、H處)仍為球面結(jié)合，支座承受水平力的兩個(gè)作用面(見G處、H處)也仍為球面結(jié)合，在這種情況下，支座在承受拉力和剪力時(shí)皆為球面?zhèn)髁�，不存在偏載或應(yīng)力集中，不破壞原有的傳力狀況，保證結(jié)構(gòu)安全，且仍可繞設(shè)定的轉(zhuǎn)動中心O轉(zhuǎn)動。

　　通過以上比較可知，大轉(zhuǎn)角網(wǎng)架球型鋼支座不僅具有良好的受力、傳力性能和轉(zhuǎn)動性能。

五、支座計(jì)算

1.轉(zhuǎn)動計(jì)算

　　當(dāng)支座轉(zhuǎn)動到最大轉(zhuǎn)角時(shí)，因?yàn)榍蚬诎鍨檎{(diào)節(jié)新的平衡，要沿水平方向滑動，上支座板的內(nèi)腔應(yīng)有足夠的空間(即D3足夠大)以容納球冠板的活動而不至于干擾。因此應(yīng)對支座轉(zhuǎn)動進(jìn)行驗(yàn)算。

a、支座產(chǎn)生0.05rad轉(zhuǎn)角時(shí)，不銹鋼板對平面耐磨板的包覆、球冠板對球面耐磨板的包覆的條件：

　　D2>D1+2×ASR×θ

　　其中：D2=625mm

　　D1=535mm

　　ASR=860mm

　　θ=0.05rad

　　計(jì)算結(jié)果：D2=621 mm<625mm 滿足設(shè)計(jì)要求。

b、支座產(chǎn)生0.05rad轉(zhuǎn)角時(shí)，上支座板內(nèi)腔(D3)對球冠板的包覆條件： D3>D2+2×ASR×θ

　　其中：D3=712.36mm，其余參數(shù)與上面相同。

　　計(jì)算結(jié)果：D3=711mm<712.36mm 滿足設(shè)計(jì)要求。

2.主要零部件強(qiáng)度計(jì)算

　　當(dāng)支座承受豎向拉力和水平剪力時(shí)，受力件為上支座板和下支座板，計(jì)算以上兩個(gè)件的強(qiáng)度。

　　支座在承受豎向拉力和水平剪力時(shí)為球面?zhèn)髁Γ�其傳力類似于劈的傳力原理。其承受拉力時(shí)要產(chǎn)生水平力、承受水平剪力時(shí)又產(chǎn)生豎向拉力等次生力，檢算時(shí)必須將這些力計(jì)算進(jìn)去。考慮到支座承受拉力時(shí)，受力的球面為整個(gè)環(huán)形球面，而支座承受水平剪力時(shí)，受力的球面為半個(gè)環(huán)形球面，所以按有剪力、且有拉力的半個(gè)支座(受力最大的部分)檢算。

a.上支座板強(qiáng)度計(jì)算(見圖6)

　　上支座板材料為ZG275-485H，抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215N/mm2。支座豎向拉力F=2000kN，水平剪力H=3000kN

　　計(jì)算部分所受拉力F1=F/2

　　拉力產(chǎn)生的水平力H1=F1/tgα

　　剪力產(chǎn)生的拉力F2=H/tgβ

　　拉力合力F合=F1+F2=F/2+H/ tgβ=4157895N

　　剪力合力H合=H+H1=H+F1/tgα=3946970N

　　a.拉力合力造成的拉應(yīng)力計(jì)算(將結(jié)構(gòu)展開后計(jì)算)，

　　拉力臂L1=103.75mm

　　拉力矩M1=F合×L1=431381606N.mm

　　計(jì)算部位的截面(陰影部分)相對于形心軸X的慣性矩：

　　Jx=188615314mm4

　　最遠(yuǎn)點(diǎn)距形心軸的距離：L3=62.86mm

　　計(jì)算部位的截面(陰影部分)模數(shù)：W1=Jx/L3=3000562mm3

　　計(jì)算部位拉伸時(shí)的彎曲應(yīng)力σ1=M1/ W1=144N/mm2

b.剪力合力造成的彎曲應(yīng)力計(jì)算，

　　彎曲力臂L2=89.22mm

　　彎曲力矩M2=H合×L2=352148663N.mm

　　計(jì)算部位的面積相對于形心軸X1的慣性矩Jx1=1976267918mm4

　　最遠(yuǎn)點(diǎn)距形心軸的距離L4=290.67mm

　　截面(陰影部分)模數(shù)W2=Jx1/ L4=6799009mm3

　　計(jì)算部位受剪時(shí)彎曲應(yīng)力σ2=M2/ W2=52N/mm2

　　σ1、σ2疊加之和σh=σ1+σ2=196N/mm2

　　σh=196N/mm2

上支座板滿足設(shè)計(jì)要求。

　　采用Autodesk Simulation軟件對上支座板進(jìn)行有限元分析，建立實(shí)體模型， 選擇材料參數(shù)：質(zhì)量密度7.85kg/ mm3 ，彈性模量：206842.7 N/mm2 ，熱膨脹系數(shù)：0.00001566 1/℃ ，泊松比：0.3，剪切彈性模量：77221.28 N/mm2，共劃分網(wǎng)格16249個(gè)。約束上座板頂面四周，給內(nèi)側(cè)面添加2000kN拉力和3000kN水平剪力。分析結(jié)果如下：

由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為183.495 N/mm2，與計(jì)算的196 N/mm2的結(jié)果基本吻合。

　　b.下支座板強(qiáng)度計(jì)算

　　下支座板材料為ZG275-485H，抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

　　f=215N/mm2。

　下支座板強(qiáng)度計(jì)算簡化為單位長度的計(jì)算

　單位(每毫米)拉力F3=F/(π×D4)=1148N

　　拉力產(chǎn)生的水平力H2=F1/tgα=1083N

　　支座承受的剪力H=3000kN

　　單位(每毫米)剪力H3=H/D5=4478N

　　剪力產(chǎn)生的拉力F4=H1/tgβ=4713N

　　拉力合力F合=F3+F4=1148+4713=5861N

　　剪力合力H合=H2+H3=1083+4478=5561N

　　拉力、剪力之和Qfh=(F合2+H合2)0.5=(58612+55612)0.5=8079N

　　合力臂L5=50.78mm

　　力矩M3=Qfh×L5=8079×50.78=410270N.mm

　　計(jì)算部位的截面模數(shù)W3=L62/6=1052/6=2017mm3

　　計(jì)算部位的彎曲應(yīng)力σ3=M3/ W3=410270/2017=203 N/mm2

　　驗(yàn)算結(jié)果：σ3=203 N/mm2

　　采用Autodesk Simulation軟件對下支座板進(jìn)行有限元分析，建立實(shí)體模型，參數(shù)同上座板，共劃分網(wǎng)格14907個(gè)。約束下座板底面四周，給內(nèi)側(cè)面添加2000kN拉力和3000kN水平剪力。分析結(jié)果如下：

　　由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為195.639 N/mm2，與計(jì)算的203N/mm2的結(jié)果基本吻合。

　　對整體進(jìn)行有限元分析結(jié)果如下：

　　采用Autodesk Simulation軟件對上支座板進(jìn)行有限元分析，建立實(shí)體模型， 參數(shù)同上座板，共劃分網(wǎng)格101127個(gè)。約束下座板底面，給上座板側(cè)面焊接范圍內(nèi)添加3000kN水平剪力，給上座板內(nèi)部受力圓環(huán)添加2000kN拉力。分析結(jié)果如下：

　　由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為217.885 N/mm2，符合要求。

六、結(jié)論

　　1.支座結(jié)構(gòu)合理。支座采取球面?zhèn)髁�，使得支座在承受水平剪力、豎向拉力時(shí)，支座仍能轉(zhuǎn)動，且為球面?zhèn)髁?支座發(fā)生轉(zhuǎn)動后，仍能承受水平力、豎向拉力，且為球面?zhèn)髁Α?

　　2.采用改變傳力球面的曲率半徑的方法，可以方便地調(diào)整轉(zhuǎn)動中心O的位置，以滿足工程結(jié)構(gòu)對支座轉(zhuǎn)動中心的要求。

　　3.計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合。