陳高容
(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司,福建 漳州 363000)
在大型空間鋼結(jié)構(gòu)中,地震、風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)體系金屬熱脹冷縮效應(yīng)及其他結(jié)構(gòu)應(yīng)力(比如焊接應(yīng)力)等,均會引起空間結(jié)構(gòu)體系發(fā)生多方位轉(zhuǎn)動,而傳統(tǒng)的銷軸式鉸節(jié)點只能單方向轉(zhuǎn)動,如圖1所示,節(jié)點只能圍繞X軸轉(zhuǎn)動,其他方向,則受耳板與銷軸的約束難以轉(zhuǎn)動,將會產(chǎn)生較大附加彎矩,如圖2所示,嚴(yán)重時將危及結(jié)構(gòu)安全。
圖1 銷軸式鉸接節(jié)點
圖2 耳板附加彎矩形成
關(guān)節(jié)軸承是一種球面滑動軸承,承載能力強、耐磨性好、可以在任意方向轉(zhuǎn)動且受載應(yīng)力分布均勻,具有良好力傳遞效果;關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用示例,如圖3所示,銷軸裝在一組中心高度一致的座孔中,其中一端座孔裝有關(guān)節(jié)軸承,在銷軸中心位置加載徑向載荷,銷軸承載受彎變形,力傳遞到座孔兩端,裝有關(guān)節(jié)軸承的座孔應(yīng)力分布較為均勻,而沒有裝關(guān)節(jié)軸承的座孔應(yīng)力主要集中在座孔兩端靠端面處,應(yīng)力集中明顯存在壓潰的風(fēng)險。
圖3 關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用示例
關(guān)節(jié)軸承節(jié)點由關(guān)節(jié)軸承、耳板、銷軸及必要的加強肋等基本零件組成的新型建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點單元,如圖4所示,以關(guān)節(jié)軸承為轉(zhuǎn)動核心,使得節(jié)點能夠圍繞X,Y軸轉(zhuǎn)動,從而能夠有效降低附加彎矩對耳板使用強度的影響,提高了整體結(jié)構(gòu)的安全性,減少加工制造成本,也彌補常規(guī)銷軸式節(jié)點只能單向轉(zhuǎn)動的不足。
圖4 關(guān)節(jié)軸承節(jié)點
某體育中心屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,使用年限為50年,建筑鋼結(jié)構(gòu)安全等級為一級,建筑抗震設(shè)防為重點設(shè)防類;幕墻柱腳鉸接節(jié)點,擬采用關(guān)節(jié)軸承節(jié)點作為鋼結(jié)構(gòu)的鉸接節(jié)點,節(jié)點設(shè)計載荷參數(shù):①豎向壓力Fver中,載荷主要來源于鋼結(jié)構(gòu)的自重,也是節(jié)點主要承受的載荷,經(jīng)計算豎向壓力為14 000 kN;②面內(nèi)剪力Frad中,力的方向在中耳板的平面內(nèi)垂直于銷軸,載荷的主要來源是鋼結(jié)構(gòu)之間相互作用力,經(jīng)計算面內(nèi)剪力為3 500 kN;③面外剪力Ftan中,力的方向垂直于中耳板平行于銷軸,載荷的主要來源包括大風(fēng)、地震、溫度等外力因素,經(jīng)計算面外剪力為800 kN;④節(jié)點轉(zhuǎn)角2°。關(guān)節(jié)軸承節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。
圖5 關(guān)節(jié)軸承節(jié)點結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)軸承節(jié)點由關(guān)節(jié)軸承、軸承壓蓋、銷軸、定位套、中耳板、外耳板、銷軸蓋板、高強螺栓組等部件組成,通過高強螺栓將銷軸蓋板鎖于銷軸兩端面,軸承內(nèi)、外圈分別采用定位套,軸承壓蓋和高強螺栓組加以限位鎖緊;節(jié)點載荷傳遞路徑,豎向壓力Fver,中耳板→軸承外圈→軸承內(nèi)圈→銷軸→外耳板;面外剪力Ftan,中耳板→軸承外圈→軸承內(nèi)圈→定位套→外耳板→銷軸蓋板;面內(nèi)剪力Frad,中耳板→ 軸承外圈→軸承內(nèi)圈→銷軸→外耳板;節(jié)點通過繞Y軸小角度轉(zhuǎn)動,降低附加彎矩對中耳板使用強度的影響,從而提高節(jié)點的使用強度。
運用ABAOUS仿真分析軟件對關(guān)節(jié)軸承節(jié)點進行承載分析,通過對幾何模型的邊界條件設(shè)置、接觸對設(shè)置、材料模型和網(wǎng)格劃分等要素的設(shè)置,建立關(guān)節(jié)軸承節(jié)點仿真模型,盡量使模型受力承載情況與節(jié)點實際受力一致,節(jié)點和主要承載部件,在設(shè)計載荷作用下的應(yīng)力分布,如圖6、圖7、圖8所示。在設(shè)計載荷作用下,節(jié)點的所有零部件均未發(fā)生屈服,處于彈性狀態(tài)滿足承載要求;銷軸最大應(yīng)力位于銷軸中段,其位置為軸承內(nèi)圈加載位置,即銷軸主要承受彎應(yīng)力與剪切應(yīng)力的合力。由于在面外剪力的作用下使得節(jié)點的中耳板產(chǎn)生彎曲變形,耳板變形位移3 mm,為節(jié)點的最大位移,同樣的在面外剪力影響下,中耳板、外耳板、軸承內(nèi)、外圈等零部件出現(xiàn)局部區(qū)域應(yīng)力集中,而非均勻受載;因此,后續(xù)足尺實驗將應(yīng)變片和位移計布置在這些應(yīng)力集中區(qū)域,觀察其應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展情況。
圖6 節(jié)點和銷軸應(yīng)力分布
圖7 軸承內(nèi)、外圈應(yīng)力分布
圖8 外耳板和中耳板應(yīng)力分布
節(jié)點加載示意圖如圖9所示。節(jié)點采用臥放加載方式,節(jié)點所承受的豎向荷載和切向荷載,通過切向裝置和豎向裝置直接施加,在垂直赤道平面方向通過將荷載施加在中耳板上對節(jié)點間接施加徑向荷載,根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果和節(jié)點的構(gòu)造,合理布置應(yīng)變片和位移計。
實驗結(jié)果:在設(shè)計載荷加載作用下,所有應(yīng)變測點的測試結(jié)果表明,所有零部件均未發(fā)生屈服,處于彈性狀態(tài),節(jié)點的最大位移2.9 mm,位于中耳板中端,該結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果一致。由此可以看出,該關(guān)節(jié)軸承節(jié)點在單倍設(shè)計載荷作用下,結(jié)構(gòu)的承載性能良好,能夠抵抗外載荷的作用。
圖9 節(jié)點加載示意圖
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)廣泛運用于體育場、機場航站樓和圖書館等大型建筑,關(guān)節(jié)軸承節(jié)點作為一種新型的鋼結(jié)構(gòu)鉸接節(jié)點,承載能力強且能夠在任意方位上轉(zhuǎn)動,優(yōu)化了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計,降低了工程造價,關(guān)節(jié)軸承節(jié)點的開發(fā)具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。