试议建筑结构球形支座设计
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摘要：随着我国建筑水平的不断发展，建筑结构球形支座设计水平也在不断提高。由于建筑结构中球形支座与公路桥梁中的球形支座受力形态存在显著差异，往往需要承受很大的水平荷载。本文主要介绍了建筑结构球形支座设计，并针对球形支座在水平力作用下转动灵活性减弱的缺点，对传统球形支座形式提出了改进方法；对各种复杂应力状态下的球形支座进行了设计。旨在为相关从业者提供经验和帮助。
关键词：球形支座；设计；复杂应力状态
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：
0引言
近几年来，随着我国建筑技术的不断发展，球形支座技术在大跨度建筑结构中，支座得到广泛应用。支座形式主要包括板式支座、销轴支座、橡胶垫支座、轴承支座和球形支座等，近年来又出现了铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等新型耗能支座。球形支座近年来在国内外公路桥梁、大跨度结构中得到广泛应用。其具有如下特点：支座受力情况与力学计算假定一致，支座通过球面传力，作用反力分布均匀，传力可靠；通过聚四氟乙烯（PT－FE）板的滑动实现支座的转动，支座可以大转角万向转动；可以实现支座的水平滑动，允许位移值大，能够有效释放结构地震作用变形与温度应力；支座刚度大，变形小，承载能力高，抗震性能好；无老化问题，耐久性好；适用温度范围大。在大跨度建筑结构中，除重力荷载、温度作用外，风荷载与水平地震作用往往起控制作用，支座处于复杂受力状态，在地震与温度作用下可能承受很大的水平力，在风荷载作用下也可能出现较大的风吸力。
1球形支座构造设计
通常情况下，传统的球形支座在水平力作用下，支座转动能力较差而且设计上以传递竖向荷载为主。以某工程球形钢支座设计为背景，针对3类球形支座（固定支座、单向滑动支座、双向滑动支座）进行设计。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。在设计中提出了一种对传统球形支座的改进措施：将上支座板的圆筒内壁加工成球面内壁，底座上凸缘外侧也加工成球面，使底座上凸缘外侧球面与上支座板圆筒内壁球面光滑接触，可以在水平力作用下实现支座转动。
固定支座WJKQZ1200－GD、单 向 滑 动 支 座WJKQZ1200－DX和双向滑动支座WJKQZ1000－SX分别如图1－3所示。从图1－3可以看出，上支座板下凸缘与底座上凸缘相互咬合，支座构造紧凑，安装方便，用钢量较小。球形支座装配如图4所示。在上支座板的内圆筒壁上设有4个凸缘，在底座上边缘也设有4个凸缘，组装时将上盖板套入底座后旋转45°，使上盖板与底座的凸缘咬合，可以使上盖板与底座之间直接传递内力，防止球形支座各部分互相脱离。
2球形支座主要参数的设计与计算
2.1材料性能及设计参数
球形支座材料的设计强度为：铸钢G20Mn5N或G20Mn5QT的抗拉、抗压、抗弯强度设计值f＝235MPa，抗剪强度设计值f＝135MPa，焊缝强度设计值f＝235MPa，聚四氟乙烯强度设计值f＝30MPa。支座的设计主要参数如表1所示。
2.2关键部位强度计算以固定支座为例，对关键部位进行设计与强度校核。
2.2.1聚四氟乙烯板支座在承受压力时，最薄弱的构件是聚四氟乙烯板，所以只需对聚四氟乙烯板进行强度校核。支座中聚四氟乙烯滑板的几何尺寸主要根据支座承载力大小来确定。平面聚四氟乙烯滑板和球面聚四氟乙烯滑板的平面尺寸应满足：
Pmax／A≤f（1）式中：
Pmax为支座极限荷载；A为聚四氟乙烯滑板面积或水平投影面积；
f为聚四氟乙烯的强度设计值
支座WJKQZ12000－GD竖向极限承载力P为1200kN，球面聚四氟乙烯板水平投影直径d为250mm，满足设计要求。根据工程经验，球型支座球面聚四氟乙烯板的圆心角α不应大于40°，球芯半径一般为球面聚四氟乙烯板水平投影直径（与平面聚四氟乙烯板直径相等）的1.5～2.8倍。球面聚四氟乙烯滑板球面半径的大小，决定了支座转动力矩的大小和竖向荷载的传递情况，球面半径越大，竖向压力传递越均匀，但转动力矩越大；球面半径越小，竖向压力传递越集中，但转动力矩越小。本支座中的球芯球面半径为400mm,为平面聚四氟乙烯滑板直径的1.6倍。按欧洲标准规定,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为聚四氟乙烯滑板直径）。由于国外按破坏极限状态确定的聚四氟乙烯设计强度为60MPa,远大于我国按容许应力法设计时的材料强度，所以我国在球形支座设计时可以不考虑曲面滑动面偏心矩引起滑板承压面积减小的影响，而直接按垂直荷载的平均应力确定聚四氟乙烯滑板的直径，材料设计强度为30MPa，方法简单易行,偏于安全。
3支座材料物理机械性能要求
上支座板、底座、中间球面钢衬板等采 用20M n5N铸钢件，其化学成分、热处理后的机械性能符合CECS235∶2008《铸钢节点应用技术规程》的规定。不锈钢板符合GB／T3280－2007《不锈钢冷轧钢板和钢带》有关规定，不锈钢板表面加工等级符合NO．4抛光精整表面组别的要求。球型支座用5201－2优 等 品 硅 脂，其 技 术 性 能 应 符 合HG／T2502－1993《5201硅脂》的规定。油漆防锈，防尘构造采用橡胶密封圈。
4试验
针对单面滑动支座2在同济大学国家重点实验室进行测试，由竖向作动器压力为20000kN、水平作动器拉压力为2000kN的FCS电液伺服控制试验系统完成。
4．1支座竖向承载力试验
试验荷载为设计竖向荷载的1.5倍，试验荷载由零至检验荷载均分10级加载，并通过安装在支座底板上的4只百分表测试压缩变形。竖向荷载作用下，支座各构件与聚四氟乙烯滑板之间无分离现象，支座在加载过程中外观正常，竖向荷载与竖向压缩变形曲线基本呈线性关系。在承压过程中，由于聚四氟乙烯板表面的硅脂被逐渐挤出及支座各部分间隙压实等因素，使加载初始变形较大。随着竖向荷载增大到1500kN以后，支座竖向压缩变形基本呈线性增大。由于第1次加载后支座各部分组装缝得到压实，第2次和第3次的压缩变形比第1次加载时的变形量小，且第2次和第3次加载时，支座的压缩变形量非常接近，压缩变形量不大于支座总高度的1％，如表4所示，符合设计要求。
4.2摩擦因数
将支座竖向设计荷载以连续均匀的速度加至1．0倍的设计值，用水平力加载装置连续均匀的施加水平力，支座一旦发生滑动，即停止施加水平力，由此计算出支座的初始静摩擦因数，试验连续进行5次，压力为3000kN时，试验记录的数据如表5所示初始摩擦系数的算术平均值为1．28％，其结果均小于0．03，支座外观正常，符合设计要求。
5结语
在设计中将上支座板的圆筒内壁加工成球面，底座上凸缘外侧也加工成球面，使得底座上凸缘外侧球面与上支座板圆筒内壁球面光滑接触，可以在水平力作用下实现支座转动。对各种复杂应力状态下的球形支座进行了全面验算，提出的实用设计方法可供结构设计人员参考。球形支座的试验测试结果表明，支座的承载力、压缩变形量与摩擦因数均能满足设计要求。在进行抗震球形支座设计时，还应考虑动力系数的影响。
参考文献
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