可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點的研究

林燕森

摘 要：關(guān)節(jié)軸承在鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點連接中有著比較廣泛的應(yīng)用，不過常規(guī)的關(guān)節(jié)軸承僅僅具備了面內(nèi)向外轉(zhuǎn)動的性能，無法滿足一些特殊建筑對于大滑移量的需求。對此，福建龍溪軸承（集團）股份有限公司立足常規(guī)的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點，研制出了一種可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點，能夠在滿足上述建筑大滑移量需求的前提下，對集中應(yīng)力進行有效抵消，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

關(guān)鍵詞：可雙向滑移；向心關(guān)節(jié)軸承；節(jié)點設(shè)計

中圖分類號：TU393 文獻標(biāo)識碼：A

0.引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用范圍不斷擴大，其連接節(jié)點在整個建筑體系中扮演著越來越重要的角色，人們對連接節(jié)點也不斷地提出新的要求。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，鋼結(jié)構(gòu)建筑連接節(jié)點的常見方式有3種，分別是剛性連接、鉸連接和內(nèi)嵌關(guān)節(jié)軸承的萬向鉸節(jié)點。這3種連接方式能夠在某種程度上滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計施工要求，但是也存在著許多的問題和缺陷，例如，剛性連接節(jié)點的連接構(gòu)件無法實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動；鉸連接只能夠在一個方向上轉(zhuǎn)動，對于其他方向則無能為力；內(nèi)嵌關(guān)節(jié)軸承的萬向鉸節(jié)點的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）可以在保證連接可靠性和力的有效傳遞的同時，兼具面內(nèi)和面外的轉(zhuǎn)動性能，但由于節(jié)點固定，同樣面臨著兩個方面的問題：一是對于附加力引發(fā)的耳板破壞問題，僅僅能夠通過加固補焊的方式進行初期治理，無法從根本上解決問題；二是由于受到鋼構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力釋放、焊接變形等因素的影響，連接節(jié)點的裝配相對困難。這些問題的存在，極大地影響了鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

為解決以上問題，需要在原來內(nèi)嵌關(guān)節(jié)軸承的萬向鉸節(jié)點的基礎(chǔ)，設(shè)計出一種新型的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點。該節(jié)點應(yīng)同時具備面內(nèi)和面外的轉(zhuǎn)動性能，并能雙向滑移，滿足建筑的大滑移量需求，通過滑移來釋放鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力，避免耳板受附加力破壞，同時在裝配上也比較簡單。當(dāng)建筑受到地震、臺風(fēng)等較大的外力作用時，通過節(jié)點滑移，對載荷進行有效抵消，從而保證了結(jié)構(gòu)的安全和可靠。

1.可雙向滑移的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點設(shè)計

以福建龍溪軸承（集團）股份有限公司的研究的工程案例為例，對可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承的節(jié)點設(shè)計進行分析和討論。

1.1 工程實例

某體育館鋼屋蓋部分設(shè)計使用年限為50年，需要開發(fā)一種可雙向滑移的支座節(jié)點，滿足建筑的使用要求，具體的設(shè)計參數(shù)如下：

（a）載荷（垂直外耳板）：400kN，擺角：2°。

（b）雙向滑移，滑移距離不小于100mm。

另外，本節(jié)點需要到高校專業(yè)試驗室進行足尺試驗，驗證在400kN的載荷下的滑移能力。加載到2倍荷載，驗證各零件的應(yīng)力情況，證明結(jié)構(gòu)受力是安全，可靠。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮支座節(jié)點對于滑移距離的需求較大，在常規(guī)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點的基礎(chǔ)上，進行了較大的改進和創(chuàng)新，設(shè)計出可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點（如圖2所示）。本節(jié)點包括向心關(guān)節(jié)軸承、銷軸、蓋板、滑板、中耳板、外耳板、限位塊，高強螺栓。在該設(shè)計中，通過蓋板，將向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈穿過銷軸的一端，并通過蓋板、高強螺栓將內(nèi)圈和銷軸的一端固定，銷軸的另一端跟中耳板焊接在一起，結(jié)合向心關(guān)節(jié)軸承中的球形內(nèi)外圈相互轉(zhuǎn)動，中耳板可以獲得面內(nèi)和面外的自由轉(zhuǎn)動能力。同時，將滑板（雙金屬材料板）固定在外耳板的內(nèi)側(cè)面，并把軸承的外圈的對稱位置銑出兩個平面，該平面跟滑板共同構(gòu)成滑移摩擦副，中耳板、銷軸和軸承作為整體可以在外耳板中間，進行上下、前后滑移。該滑移摩擦副既保證了較低的摩擦系數(shù)，又能滿足承載力的要求。

1.3 滑移原理

可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點的滑移原理，是當(dāng)遇到較大的豎直荷載時，支座節(jié)點承受力傳輸路線為：中耳板→銷軸→向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈→向心關(guān)節(jié)軸承外圈→滑板、外耳板→基礎(chǔ)，在這個過程中，中耳板連同向心關(guān)節(jié)軸承會上下滑移，伴隨著向心關(guān)節(jié)軸承的上下滑移，中耳板可以消除或者極大地消減豎向軸向力，從而減少其對結(jié)構(gòu)的影響。同理，當(dāng)中耳板收到較大的前后方向的載荷時，中耳板連同向心關(guān)節(jié)軸承會前后滑移，并通過滑移消除或極大地消除前后方向的荷載，從而減少其對結(jié)構(gòu)的影響。

1.4 試驗驗證

在高校專業(yè)研究室，進行足尺加載試驗，分析節(jié)點運行情況。結(jié)果表明，在承受400kN的水平作用力，節(jié)點仍然可上下、前后滑移，又可以實現(xiàn)面內(nèi)、面外轉(zhuǎn)動，滑移距離也滿足客戶要求，表明該節(jié)點設(shè)計具有良好的可行性和可操作性。

2.潛在效益分析

通過本節(jié)點的研究，將形成公司的自主知識產(chǎn)權(quán)，為建筑節(jié)點的發(fā)展注入新元素。本項目的成功研發(fā)，可帶動國內(nèi)建筑領(lǐng)域?qū)Ρ井a(chǎn)品的需求，預(yù)計每年可為公司增加銷售額2000萬元以上，具有良好的經(jīng)濟效益，同時又可以提高公司核心競爭力和品牌影響力，產(chǎn)生良好的社會效益。

結(jié)語

綜上所述，在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，節(jié)點的連接非常關(guān)鍵，直接影響著結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性和安全性。滿足一些大型建筑鋼結(jié)構(gòu)或者特殊鋼結(jié)構(gòu)對于大滑移量的要求，在向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點的基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)了一種可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)面對和面外轉(zhuǎn)動，而且具備較大的雙向滑移行程，能夠簡化建筑施工的效率和安全問題，值得進行大力推廣。

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