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吳忠球形盆式支座建筑結構中的設計

　　隨著我國建筑水平的不斷發展，建筑結構球形支座設計水平也在不斷提高。由于建筑結構中球形支座與公路橋梁中的球形支座受力形態存在顯著差異，往往需要承受很大的水平荷載。本文主要介紹了建筑結構球形支座設計，并針對球形支座在水平力作用下轉動靈活性減弱的缺點，對傳統球形支座形式提出了改進方法;對各種復雜應力狀態下的球形支座進行了設計。旨在為相關從業者提供經驗和幫助。球形支座;設計;復雜應力狀態

　　　近幾年來，隨著我國建筑技術的不斷發展，球形支座技術在大跨度建筑結構中，支座得到廣泛應用。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內外公路橋梁、大跨度結構中得到廣泛應用。其具有如下特點：支座受力情況與力學計算假定一致，支座通過球面傳力，作用反力分布均勻，傳力可靠;通過聚四氟乙烯(PT-FE)板的滑動實現支座的轉動，支座可以大轉角萬向轉動;可以實現支座的水平滑動，允許位移值大，能夠有效釋放結構地震作用變形與溫度應力;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。在大跨度建筑結構中，除重力荷載、溫度作用外，風荷載與水平地震作用往往起控制作用，支座處于復雜受力狀態，在地震與溫度作用下可能承受很大的水平力，在風荷載作用下也可能出現較大的風吸力。

1 球形支座構造設計

　　通常情況下，傳統的球形支座在水平力作用下，支座轉動能力較差而且設計上以傳遞豎向荷載為主。以某工程球形鋼支座設計為背景，針對3類球形支座(固定支座、單向滑動支座、雙向滑動支座)進行設計。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;轉動通過上支座板與球芯、底座的相對移動實現;水平移動通過底座相對于箱體的滑動實現。在設計中提出了一種對傳統球形支座的改進措施：將上支座板的圓筒內壁加工成球面內壁，底座上凸緣外側也加工成球面，使底座上凸緣外側球面與上支座板圓筒內壁球面光滑接觸，可以在水平力作用下實現支座轉動。

　　固定支座WJKQZ1200-GD、單 向 滑 動 支 座WJKQZ1200-DX和雙向滑動支座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。在上支座板的內圓筒壁上設有4個凸緣，在底座上邊緣也設有4個凸緣，組裝時將上蓋板套入底座后旋轉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力，防止球形支座各部分互相脫離。

2 球形支座主要參數的設計與計算

 2.1材料性能及設計參數

　　球形支座材料的設計強度為：鑄鋼G20Mn5N或G20Mn5QT的抗拉、抗壓、抗彎強度設計值f=235MPa，抗剪強度設計值f=135MPa，焊縫強度設計值f=235MPa，聚四氟乙烯強度設計值f=30MPa。支座的設計主要參數如表1所示。

 2.2關鍵部位強度計算以固定支座為例，對關鍵部位進行設計與強度校核。

  2.2.1聚四氟乙烯板支座在承受壓力時，最薄弱的構件是聚四氟乙烯板，所以只需對聚四氟乙烯板進行強度校核。支座中聚四氟乙烯滑板的幾何尺寸主要根據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為聚四氟乙烯的強度設計值

　　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，滿足設計要求。根據工程經驗，球型支座球面聚四氟乙烯板的圓心角α不應大于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，決定了支座轉動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，但轉動力矩越大;球面半徑越小，豎向壓力傳遞越集中，但轉動力矩越小。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。按歐洲標準規定,為使球面在工作中不脫離，要求曲面滑動的總偏心量e≤L/8(L為聚四氟乙烯滑板直徑)。由于國外按破壞極限狀態確定的聚四氟乙烯設計強度為60MPa,遠大于我國按容許應力法設計時的材料強度，所以我國在球形支座設計時可以不考慮曲面滑動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力確定聚四氟乙烯滑板的直徑，材料設計強度為30MPa，方法簡單易行,偏于安全。

3 支座材料物理機械性能要求

　　上支座板、底座、中間球面鋼襯板等采 用20M n5N鑄鋼件，其化學成分、熱處理后的機械性能符合CECS235∶2008《鑄鋼節點應用技術規程》的規定。不銹鋼板符合GB/T3280-2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》有關規定，不銹鋼板表面加工等級符合NO.4拋光精整表面組別的要求。球型支座潤滑用5201-2優 等 品 硅 脂，其 技 術 性 能 應 符 合HG/T2502-1993《5201硅脂》的規定。油漆防銹，防塵構造采用橡膠密封圈。

4 試驗

　　針對單面滑動支座2在同濟大學國家重點實驗室進行測試，由豎向作動器壓力為20000kN、水平作動器拉壓力為2000kN的FCS電液伺服控制試驗系統完成。

 4.1支座豎向承載力試驗

　　試驗荷載為設計豎向荷載的1.5倍，試驗荷載由零至檢驗荷載均分10級加載，并通過安裝在支座底板上的4只百分表測試壓縮變形。豎向荷載作用下，支座各構件與聚四氟乙烯滑板之間無分離現象，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，第2次和第3次的壓縮變形比第1次加載時的變形量小，且第2次和第3次加載時，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，符合設計要求。

 4.2摩擦因數

　　將支座豎向設計荷載以連續均勻的速度加至1.0倍的設計值，用水平力加載裝置連續均勻的施加水平力，支座一旦發生滑動，即停止施加水平力，由此計算出支座的初始靜摩擦因數，試驗連續進行5次，壓力為3000kN時，試驗記錄的數據如表5所示初始摩擦系數的算術平均值為1.28%，其結果均小于0.03，支座外觀正常，符合設計要求。

5 結語

　　在設計中將上支座板的圓筒內壁加工成球面，底座上凸緣外側也加工成球面，使得底座上凸緣外側球面與上支座板圓筒內壁球面光滑接觸，可以在水平力作用下實現支座轉動。對各種復雜應力狀態下的球形支座進行了全面驗算，提出的實用設計方法可供結構設計人員參考。球形支座的試驗測試結果表明，支座的承載力、壓縮變形量與摩擦因數均能滿足設計要求。在進行抗震球形支座設計時，還應考慮動力系數的影響。