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北京穹頂單層網殼鋼結構雙盆式橡膠支座轉動受力技術研究

隨著時代的發展，建筑業的發展也緊隨時代的腳步向前邁進，一些大體量大空間的結構接踵而至，特別是一些大的商場、車站、機場等為了滿足廣大人民的使用方便和美觀要求，給結構空間和跨度更提出了嚴峻的挑戰，隨著最近鋼結構工程的不斷興起，解決了一些要求跨度大和空間廣的工程難題，但是鋼結構工程受溫度變形和外界各種荷載的影響特別大，對鋼結構的基礎支撐體系提出嚴峻的挑戰，本技術主要針對鋼結構雙支座體系的受力性能和轉動性能進行研究和探討。　　　關鍵詞： 鋼結構雙支座轉動受力

　　京津城際延伸線于家堡站站房工程位于濱海新區于家堡中心商務區北段，是京津城際鐵路延伸線終點站，屋面采用雙螺旋單層網殼屋面施工技術施工，整個站房工程施工難度大、結構復雜，特別是雙螺旋單層網殼屋面，穹頂鋼結構為大跨度空間復雜曲線單層網殼結構，穹頂縱向跨度約142m，橫向跨度約80m，矢高約24m，受力桿件為曲線變截面鋼箱梁組成的空間曲線構件，整個單層曲線網殼結構由36根順時針和36根逆時針鋼箱梁相互交叉編織形成，支座體系為雙支座體系。該單層網殼鋼結構體系設計新穎，結構受力復雜，為缺陷性敏感的單層網殼體系，經國際、國內科技查新，國內外沒有同體量同復雜程度的單層網殼結構，因此為了拓展在大跨度、大空間、結構復雜鋼結構領域的技術水平，本次研究將依托本鋼結構對鋼結構雙支座轉動性能和受力性能進行研究。

研究對象

　　于家堡站房工程共設計36個支座承擔整個鋼結構的豎向荷載和水平推力，其中31個雙支座，5個單支座，共計67個支座。設計豎向承載力分6級：4000,5000,7000,8000,12500,15000kN。雙向活動，沿環梁切向位移±50mm，沿環梁法向或豎向位移±20mm，支座設計轉角0.03rad，其中受力最大的為R19節點，水平推力為15000KN，豎向壓力為4000KN。本次研究對象為R19 號節點支座的縮尺模型，型號為QZ-1000-SX 和QZ-250-SX，數量為2 臺，

研究設備選擇

　　根據研究要求，選用YJW-5000 型微機控制電液伺服壓剪試驗機其主要性能指標：豎向最大試驗力：5000 kN，豎向最大行程：80mm轉角最大試驗力：300kN，試驗機精度：1 級

研究目的和方法

1. 研究目的

　　檢測整個節點模型支座分別在豎向設計荷載和超載作用下是否可產生0.02rad 的轉動角度，并且轉動力矩小于標準要求。

　　(1)設計豎向荷載狀態下，(豎向設計荷載1030 kN)雙支座及工裝的設計轉動力矩為：MΘ=F1·μ·R1+ F2·μ·R1+ FG·μ·R2=1000x0.03x170+250x0.03x170+1030x0.03x85=9001.5kN·mm≈9 kN·m

　　(2)超載狀態下(預設超載至1200 kN)，雙支座及工裝的設計轉動力矩為：MΘ=F1·μ·R1+ F2·μ·R1+ FG·μ·R2=1164x0.03x170+291x0.03x170+1200x0.03x85=10480.5kN·mm≈10 kN·m式中：MΘ——轉動力矩(kN·mm);F1—QZ-1000-SX 支座超載下豎向承載力(kN);F2—QZ-250-SX 支座超載下豎向承載力(kN);

　　FG—工裝轉動副超載下承載力(kN);μ—轉動副間的摩擦系數;R1—支座鋼襯板的球面半徑(mm);R2—工裝轉動副的球面半徑(mm);

2. 研究方法

　　2.1 正常加載測試

　　a) 將試樣按圖1 置于試驗機的承載板上，試樣中心與承載板中心位置對準，精度小于試驗技術要求。

　　b) 豎向加載，將試驗機以連續均勻的速度加至豎向設計荷載1030kN，穩壓5min，根據圖2所示的分力關系，兩支座所承受荷載分別達到其設計值1000kN和250kN，并在整個轉動試驗過程中保持不變。

　　c) 轉動加載，用千斤頂以5kN/min的速率施加轉動力，直至支座發生0.02rad轉動后千斤頂卸載，記錄支座發生轉動時千斤頂的最大荷載。

　　d) 支座實測轉動力矩為MΘ=PxL。

　　e) 試驗機卸載。

2.2 超載測試

　　a) 將試樣按圖1置于試驗機的承載板上，試樣中心與承載板中心位置對準，精度小于試驗技術要求。

　　b) 豎向加載，將試驗機以連續均勻的速度加至預設超載值至1200kN，穩壓5min，根據圖示3的分力關系兩支座所受承載力分別達到其荷載1164kN和291kN，并在整個轉動試驗過程中保持不變。

　　c) 轉動加載，用千斤頂以5kN/min的速率施加轉動力，直至支座發生0.02rad轉動后千斤頂卸載，記錄支座發生轉動時千斤頂的最大荷載。

　　d) 支座實測轉動力矩為MΘ=PxL。

　　e) 試驗機卸載。

五、 研究測試結論

　　1. 正常加載測試結果

　　a) 雙支座在設計荷載作用下轉動位移達 11mm，試驗機轉動力臂為550mm，通過換算得出，雙支座可以實現0.02rad 的轉動角度，轉動過程中無卡滯、變形等現象產生，滿足設計要求;

　　b)雙支座的最大轉動荷載為 8.3kN，試驗機轉動力臂為550mm，試驗轉動力矩為4.565k N·m，小于標準值9 kN·m，滿足設計要求;

　　c) 試驗過程曲線

　　2. 超載測試結果

　　a) 雙支座在設計承載力作用下轉動位移達 11mm，試驗機轉動力臂為550mm，通過換算得出，雙支座可以實現0.02rad 的轉動角度，轉動過程中無卡滯、變形等現象產生，滿足設計要求;

　　b)雙支座的最大轉動荷載為 13.3kN，試驗機轉動力臂為550mm，試驗轉動力矩為7.315k N·m，小于標準值10 kN·m，滿足設計要求;

　　c) 試驗過程曲線

六、結束語

　　通過對穹頂鋼結構的雙支座在正常加載測試和超載加載測試條件下的受力性能和轉動性能的試驗研究，雙支座的受力性能和轉動性能完全能夠滿足本穹頂鋼結構后期的整體受力要求，以及后期穹頂鋼結構受外界溫度變化和其他額外荷載情況下的轉動和變形，為后期類似工程積累相應的研究數據和經驗參數，解決了國內首個單層網殼鋼結構雙支座支撐體系技術難題。