论文部分内容阅读
【摘 要】一般关节轴承节点只具备面内外转动性能，不具备滑移性能，根据某些建筑工程的大滑移量要求，创新地设计出可滑移向心关节轴承节点，满足通过大滑移量方式减少约束力和抵抗水平/地震荷载的集中力，又能在这些荷载消失后使支座节点回复到原来位置上的要求。
【关键词】向心关节轴承节点；滑移；碟形弹簧；设计
1.概述
传统的建筑钢结构连接节点可分为刚性连接节点、半钢性连接节点和铰接连接节点[1]。而关节轴承节点做为一种新型的连接体系，近年来频繁地在国内大型建筑钢结构中得到应用，它满足了需要同时具备面内转动性能与面外转动性能的建筑钢结构设计要求，克服了传统铰节点只能在一个方向上转动而无法在其它方向上自由转动的缺点。自从浦东国际机场二期航站楼屋盖的Y形斜柱柱顶首次引入由福建龙溪轴承（集团）股份有限公司设计生产的向心关节轴承节点以来，又先后在广州新电视塔、昆明新机场航站楼、广州花都体育馆、西安火车北站、无锡大剧院、凤凰（北京）国际传媒中心、大连国际会议中心、深圳宝安国际机场3号航站楼、哈尔滨大剧院、淮南南奥体中心、上海中心大厦等大型建筑钢结构项目的节点设计中被采用，同时，在向心关节轴承节点结构形式的基础上，又开发出了角接触关节轴承节点、推力关节轴承节点，从不同的受力大小、方向要求全方位满足了建筑钢结构的特殊设计要求。
向心关节轴承节点的结构一般如图1所示，主要组成部分包括向心关节轴承（包含内、外圈）、中耳板、销轴、销轴盖板、定位套、轴承压盖、外耳板等零件。此结构中耳板与外耳板间在水平方向上相对固定，不可滑移。
而在某些建筑工程中，因必須考虑由热膨胀和钢结构与混凝土结构产生的不同变形引起的约束力、抵抗水平/地震荷载与震动，因此，对支座的要求就更高了，要求支座既能通过大滑移量方式减少约束力和抵抗水平/地震荷载的集中力，又能在这些荷载消失后使支座节点回复到原来的位置上，这就提出了一种可滑移向心关节轴承节点的设计要求。
2.设计方法
2.1基本参数
工程实例：钢结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为乙类，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1，工程抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，基本风压按百年一遇取值为0.9KN/m2。支座滑移距离为80～100mm不等。
2.2结构设计与滑移原理
根据支座节点滑移距离较长的要求，设计如图2所示的可滑移向心关节轴承节点。
可滑移向心关节轴承节点由向心关节轴承、中耳板、压盖、滑移轴套、滑移铜套、压环、垫圈、外耳板、碟形弹簧片组、滑移芯轴、锁紧螺母等组成。
2.2.1结构特点
向心关节轴承通过压盖固定在中耳板孔径内，中耳板通过向心关节轴承的球形内外圈相互转动而获得面内、外转动性能；外耳板孔径内配装有镶嵌固体自润滑材料的滑移铜套，与滑移轴套（热处理淬硬）组成滑移摩擦副；滑移芯轴穿过向心关节轴承内圈并由两端的滑移轴套轴向方向固定而使中耳板处于两个外耳板的中间位置；在外耳板外侧分别各装一组碟形弹簧片组，并通过压环与锁紧螺母对称锁固使碟形弹簧片组受压产生弹力。
2.2.2滑移原理
当水平荷载产生时，支座节点的轴向力（剪力）传递路线为：中耳板→压盖→向心关节轴承外圈→向心关节轴承内圈→滑移轴套带动滑移芯轴一起左移（右移）→右（左）碟形弹簧片组受压，左（右）碟形弹簧片组放松→右（左）外耳板→基础，同时，中耳板随向心关节轴承球形内外圈的转动而将轴向力消减或消除。
当水平荷载减弱或消失时，在受压碟形弹簧片组的反力作用下，中耳板向中线回移直到左、右碟形弹簧片组压力平衡，也即中耳板回复到原位。
2.2.3碟形弹簧片组的设计选型
可滑移向心关节轴承节点的滑移性能取决于碟形弹簧片组的设计，在选定向心关节轴承的结构尺寸后，需重点进行碟形弹簧片组的选型。
首先选用有支撑面的碟形弹簧，并根据滑移轴套的外径尺寸来确定碟形弹簧的内径尺寸；其次，根据荷载大小及弹簧变形量大小要求，依据GB/T1972所列的标准碟形弹簧进行选型，初步确定组合方式与组合片数，计算出安装总高度，根据预紧行程计算出预紧力，再根据支座滑移距离要求计算出滑移极限值的弹簧力与刚度；最后，将弹簧力值与支座节点的最大荷载与滑移距离相比较，若不符合则需要重新选型[2]。（使用带预应力的碟形弹簧结构，这能够提高在所有荷载组合情况下力的传递。如果碟形弹簧不施加预应力，在水平荷载引起的移动下，下面的情况就可能发生：滑移芯轴一侧的碟形弹簧受压而另一侧的碟形弹簧则与外耳板间形成一个空隙。若碟形弹簧被施加预应力，则对面的碟形弹簧在形成空隙前首先被卸载。因此，这个情况必须在进行碟形弹簧选型计算考虑。）
3.试验验证情况
该可滑移向心关节轴承节点经由哈尔滨工业大学深圳研究生院进行碟形弹簧片组性能试验与支座整体模型试验[3]。其中的支座整体模型试验情况如下：
（1）试验要求：在不同预压力下，不同频率的节点静刚度、动刚度。经过不同幅值的预加载观察后，幅值采用8mm。预压力根据要求和实际条件结合采用5种预压力情况，能够比较全面的模拟实际情况，采用0.01Hz的低频正弦波模拟静刚度加载，采用相对高频的正弦波试验结构的动刚度和滞回曲线。
（2）试验工况（如表）
从实验结果中可以看到在不同压力水平作用下，支座仍具有良好的转动能力。在3000kN作用力下，支座仍旧可以正常工作。
4.结语
可滑移向心关节轴承节点是在一般向心关节轴承节点的基础上，结合建筑工程的特殊大滑移量要求进行的创新设计，成功地设计出一种既可做面内、面外转动，又可进行较大行程滑移的新型节点，从而解决了建筑工程难题与安全问题，为钢结构节点的选择与使用开创了新的思路。
【关键词】向心关节轴承节点；滑移；碟形弹簧；设计
1.概述
传统的建筑钢结构连接节点可分为刚性连接节点、半钢性连接节点和铰接连接节点[1]。而关节轴承节点做为一种新型的连接体系，近年来频繁地在国内大型建筑钢结构中得到应用，它满足了需要同时具备面内转动性能与面外转动性能的建筑钢结构设计要求，克服了传统铰节点只能在一个方向上转动而无法在其它方向上自由转动的缺点。自从浦东国际机场二期航站楼屋盖的Y形斜柱柱顶首次引入由福建龙溪轴承（集团）股份有限公司设计生产的向心关节轴承节点以来，又先后在广州新电视塔、昆明新机场航站楼、广州花都体育馆、西安火车北站、无锡大剧院、凤凰（北京）国际传媒中心、大连国际会议中心、深圳宝安国际机场3号航站楼、哈尔滨大剧院、淮南南奥体中心、上海中心大厦等大型建筑钢结构项目的节点设计中被采用，同时，在向心关节轴承节点结构形式的基础上，又开发出了角接触关节轴承节点、推力关节轴承节点，从不同的受力大小、方向要求全方位满足了建筑钢结构的特殊设计要求。
向心关节轴承节点的结构一般如图1所示，主要组成部分包括向心关节轴承（包含内、外圈）、中耳板、销轴、销轴盖板、定位套、轴承压盖、外耳板等零件。此结构中耳板与外耳板间在水平方向上相对固定，不可滑移。
而在某些建筑工程中，因必須考虑由热膨胀和钢结构与混凝土结构产生的不同变形引起的约束力、抵抗水平/地震荷载与震动，因此，对支座的要求就更高了，要求支座既能通过大滑移量方式减少约束力和抵抗水平/地震荷载的集中力，又能在这些荷载消失后使支座节点回复到原来的位置上，这就提出了一种可滑移向心关节轴承节点的设计要求。
2.设计方法
2.1基本参数
工程实例：钢结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为乙类，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1，工程抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，基本风压按百年一遇取值为0.9KN/m2。支座滑移距离为80～100mm不等。
2.2结构设计与滑移原理
根据支座节点滑移距离较长的要求，设计如图2所示的可滑移向心关节轴承节点。
可滑移向心关节轴承节点由向心关节轴承、中耳板、压盖、滑移轴套、滑移铜套、压环、垫圈、外耳板、碟形弹簧片组、滑移芯轴、锁紧螺母等组成。
2.2.1结构特点
向心关节轴承通过压盖固定在中耳板孔径内，中耳板通过向心关节轴承的球形内外圈相互转动而获得面内、外转动性能；外耳板孔径内配装有镶嵌固体自润滑材料的滑移铜套，与滑移轴套（热处理淬硬）组成滑移摩擦副；滑移芯轴穿过向心关节轴承内圈并由两端的滑移轴套轴向方向固定而使中耳板处于两个外耳板的中间位置；在外耳板外侧分别各装一组碟形弹簧片组，并通过压环与锁紧螺母对称锁固使碟形弹簧片组受压产生弹力。
2.2.2滑移原理
当水平荷载产生时，支座节点的轴向力（剪力）传递路线为：中耳板→压盖→向心关节轴承外圈→向心关节轴承内圈→滑移轴套带动滑移芯轴一起左移（右移）→右（左）碟形弹簧片组受压，左（右）碟形弹簧片组放松→右（左）外耳板→基础，同时，中耳板随向心关节轴承球形内外圈的转动而将轴向力消减或消除。
当水平荷载减弱或消失时，在受压碟形弹簧片组的反力作用下，中耳板向中线回移直到左、右碟形弹簧片组压力平衡，也即中耳板回复到原位。
2.2.3碟形弹簧片组的设计选型
可滑移向心关节轴承节点的滑移性能取决于碟形弹簧片组的设计，在选定向心关节轴承的结构尺寸后，需重点进行碟形弹簧片组的选型。
首先选用有支撑面的碟形弹簧，并根据滑移轴套的外径尺寸来确定碟形弹簧的内径尺寸；其次，根据荷载大小及弹簧变形量大小要求，依据GB/T1972所列的标准碟形弹簧进行选型，初步确定组合方式与组合片数，计算出安装总高度，根据预紧行程计算出预紧力，再根据支座滑移距离要求计算出滑移极限值的弹簧力与刚度；最后，将弹簧力值与支座节点的最大荷载与滑移距离相比较，若不符合则需要重新选型[2]。（使用带预应力的碟形弹簧结构，这能够提高在所有荷载组合情况下力的传递。如果碟形弹簧不施加预应力，在水平荷载引起的移动下，下面的情况就可能发生：滑移芯轴一侧的碟形弹簧受压而另一侧的碟形弹簧则与外耳板间形成一个空隙。若碟形弹簧被施加预应力，则对面的碟形弹簧在形成空隙前首先被卸载。因此，这个情况必须在进行碟形弹簧选型计算考虑。）
3.试验验证情况
该可滑移向心关节轴承节点经由哈尔滨工业大学深圳研究生院进行碟形弹簧片组性能试验与支座整体模型试验[3]。其中的支座整体模型试验情况如下：
（1）试验要求：在不同预压力下，不同频率的节点静刚度、动刚度。经过不同幅值的预加载观察后，幅值采用8mm。预压力根据要求和实际条件结合采用5种预压力情况，能够比较全面的模拟实际情况，采用0.01Hz的低频正弦波模拟静刚度加载，采用相对高频的正弦波试验结构的动刚度和滞回曲线。
（2）试验工况（如表）
从实验结果中可以看到在不同压力水平作用下，支座仍具有良好的转动能力。在3000kN作用力下，支座仍旧可以正常工作。
4.结语
可滑移向心关节轴承节点是在一般向心关节轴承节点的基础上，结合建筑工程的特殊大滑移量要求进行的创新设计，成功地设计出一种既可做面内、面外转动，又可进行较大行程滑移的新型节点，从而解决了建筑工程难题与安全问题，为钢结构节点的选择与使用开创了新的思路。