1、1钢结构用大转角网架球型钢支座的设计方法研究摘要：针对钢结构工程对支座的高承载、高抗拉、高抗剪、大转角的要求，以承载能力为 10000kN 的支座为例，研究满足要求的大转角网架球型钢支座的结构型式、计算方法，运用有限元分析验证结构设计和计算方法的适宜性，从而获得大转角网架球型钢支座的设计方法。 关键词：大转角、结构形式、计算方法、有限元分析。 Abstract:Aiming at the requirements of high resistance of load, tension, shear and angle for spacial structures, a bearing with
2、 the load of 10000KN is taken for example to determine its structural type and the calculating method that can meet the requirements. FEM is also used to verify the structure design and calculating method, and then the design of spherical steel bearing that can resist a large angle is gained. Keywor
3、ds: large angle, structural type, calculating method, FEM. 中图分类号： TU391 文献标识码：A 文章编号： 支座在钢结构工程中，一般用在上部结构与基础结构的结合处，上2部结构的静、动载荷通过支座传递给基础结构，要求支座要有足够的承受竖向载荷的能力；温度变化或地震将使结构产生水平剪力和竖向拉力，这些力的传递也要靠支座来完成，因此还要求支座具有足够的抗水平剪力和抗竖向拉力的能力；结构在长期服役过程中，由于受力件的变形或位移，对于某些节点中心将产生很大的力矩，对于这些力矩若不采取措施释放掉，必将对建筑结构产生很大的危害，释放有害力矩的措
4、施，一般是在节点处设置铰接结构和对支座释放足够的位移空间，而铰接性能反应到节点处的支座上，就是要求支座具有足够的转动能力。从以上分析可以看出，应用于钢结构工程的支座需具备足够的承载能力、抗拉能力、抗剪能力和转动能力。需要指出的是，钢结构工程要求支座转角要比用于其它（例如桥梁）工程的支座的转角大得多。支座转角的增大，就普通支座而言，破坏了支座的受力状况，面传力变为线传力或点传力，或支座卡死，不能转动，将给工程埋下巨大安全隐患。为了适应工程需要，保证工程安全，我们开发了一种大转角网架球型钢支座，已广泛地在一些建筑工程中应用。 以下以某一工程所用大转角网架球型钢支座为例，对照普通球型钢支座，对其性能
5、、结构设计、计算方法进行分析。 一、对所研究的支座的性能要求 承载能力 N10000kN 抗拉能力 F2000kN 抗剪能力 H3000kN 转角 0.05rad 3转动中心设定在 O 点处（见图 1） 。 二、工况分析 支座在服役期间可能出现的工况： 1.支座在承受压力的同时发生转动； 2.支座在承受拉力的同时发生转动； 3.支座在承受压力的同时承受剪力和转动； 4.支座在承受拉力的同时承受剪力和转动； 以上 4 种工况中最不利的工况是最后一种，以下即按这种工况进行支座的结构设计和计算。 三、支座结构设计和传力路径 考虑到对支座有大转角的要求和有设定的转动中心的要求，采用球面传力的大转角网架
6、球型钢支座方案，结合转动中心和转角确定传力球面的球心，以适应工程要求。支座结构见图 1。 图 1 支座传力路径： 上部结构将荷载传给上支座板，然后依次通过不锈钢板、平面耐磨板、球冠板、球面耐磨板和下支座板传递给下部结构。 四、大转角网架球型钢支座与普通球型钢支座结构、性能对照 普通球型钢支座结构见图 2。 图 2 4普通球型钢支座以 O 点为转动中心转动 0.05rad 且承受拉力、水平剪力时的状况如图 3 所示。 图 3 可以看出当支座转动后，支座承受拉力的两个作用面上支座板的 A 面和下支座板的 B 面之间夹角为 0.05rad，支座承受水平力的两个作用面上支座板的 C 面和下支座板的 D
7、 面之间夹角也为 0.05rad，在这种情况下，支座承受拉力和剪力时皆为线传力，甚至造成点传力。特别是在承受拉力时，受力点偏向一侧，破坏了均衡受力状况，很可能造成构件破坏。且如果先有了拉力、剪力，又需支座转动，支座先在拉力、剪力作用下，作用面（都是平面）贴合，支座就再也转不动了，转角释放不了，有害力矩也释放不了。 大转角网架球型钢支座以 O 点为转动中心转动 0.05rad 且承受拉力、水平剪力时的状况如图 4 所示： 图 4 可以看出当支座转动后，支座承受拉力的两个作用面（见 G 处、H 处）仍为球面结合，支座承受水平力的两个作用面（见 G 处、H 处）也仍为球面结合，在这种情况下，支座在承
8、受拉力和剪力时皆为球面传力，不存在偏载或应力集中，不破坏原有的传力状况，保证结构安全，且仍可绕设定的转动中心 O 转动。 通过以上比较可知，大转角网架球型钢支座不仅具有良好的受力、5传力性能和转动性能。 五、支座计算 1.转动计算 当支座转动到最大转角时，因为球冠板为调节新的平衡，要沿水平方向滑动，上支座板的内腔应有足够的空间（即 D3 足够大）以容纳球冠板的活动而不至于干扰。因此应对支座转动进行验算。见图 5。 图 5 a、支座产生 0.05rad 转角时，不锈钢板对平面耐磨板的包覆、球冠板对球面耐磨板的包覆的条件： D2D12ASR 其中：D2625mm D1535mm ASR860mm
9、0.05rad 计算结果：D2621 mm625mm 满足设计要求。 b、支座产生 0.05rad 转角时，上支座板内腔（D3）对球冠板的包覆条件： D3D22ASR 其中：D3712.36mm，其余参数与上面相同。 计算结果：D3711mm712.36mm 满足设计要求。 2.主要零部件强度计算 当支座承受竖向拉力和水平剪力时，受力件为上支座板和下支座板，6计算以上两个件的强度。 支座在承受竖向拉力和水平剪力时为球面传力，其传力类似于劈的传力原理。其承受拉力时要产生水平力、承受水平剪力时又产生竖向拉力等次生力，检算时必须将这些力计算进去。考虑到支座承受拉力时，受力的球面为整个环形球面，而支座
10、承受水平剪力时，受力的球面为半个环形球面，所以按有剪力、且有拉力的半个支座（受力最大的部分）检算。 a.上支座板强度计算（见图 6） 上支座板材料为 ZG275-485H，抗拉、抗压、抗弯强度设计值f215N/mm2。支座竖向拉力 F2000kN，水平剪力 H3000kN 图 6 如图 6 所示： 计算部分所受拉力 F1F/2 拉力产生的水平力 H1F1/tg 剪力产生的拉力 F2H/tg 拉力合力 F 合F1F2F/2H/ tg4157895N 剪力合力 H 合HH1HF1/tg3946970N a.拉力合力造成的拉应力计算（将结构展开后计算） ，见图 7： 图 7 拉力臂 L1103.75
11、mm 拉力矩 M1F 合L1431381606N.mm 7计算部位的截面（阴影部分）相对于形心轴 X 的惯性矩： Jx188615314mm4 最远点距形心轴的距离：L362.86mm 计算部位的截面（阴影部分）模数：W1Jx/L33000562mm3 计算部位拉伸时的弯曲应力 1M1/ W1144N/mm2 b.剪力合力造成的弯曲应力计算，见图 8： 图 8 弯曲力臂 L289.22mm 弯曲力矩 M2H 合L2352148663N.mm 计算部位的面积相对于形心轴 X1 的惯性矩 Jx11976267918mm4 最远点距形心轴的距离 L4290.67mm 截面（阴影部分）模数 W2Jx1
12、/ L46799009mm3 计算部位受剪时弯曲应力 2M2/ W252N/mm2 1、2 叠加之和 h12196N/mm2 h196N/mm2f215N/mm2。 上支座板满足设计要求。 采用 Autodesk Simulation 软件对上支座板进行有限元分析，建立实体模型， 选择材料参数：质量密度 7.85kg/ mm3 ，弹性模量：206842.7 N/mm2 ，热膨胀系数：0.00001566 1/ ，泊松比：0.3，剪切弹性模量：77221.28 N/mm2，共划分网格 16249 个。约束上座板顶面四周，给内侧面添加 2000kN 拉力和 3000kN 水平剪力。分析结果如下：
13、8由分析结果可知，最大应力为 183.495 N/mm2，与计算的 196 N/mm2的结果基本吻合。 b.下支座板强度计算 下支座板材料为 ZG275-485H，抗拉、抗压、抗弯强度设计值 f215N/mm2。 图 9 下支座板强度计算简化为单位长度的计算（见图 9） 。 单位（每毫米）拉力 F3F/（D4）1148N 拉力产生的水平力 H2F1/tg1083N 支座承受的剪力 H3000kN 单位（每毫米）剪力 H3H/D54478N 剪力产生的拉力 F4H1/tg4713N 拉力合力 F 合F3F4114847135861N 剪力合力 H 合H2H3108344785561N 拉力、剪力
14、之和 Qfh（F 合 2H 合 2）0.5（5861255612）0.58079N 合力臂 L550.78mm 力矩 M3QfhL5807950.78410270N.mm 计算部位的截面模数 W3L62/61052/62017mm3 9计算部位的弯曲应力 3M3/ W3410270/2017203 N/mm2 验算结果：3203 N/mm2f215N/mm2，满足设计要求。 采用 Autodesk Simulation 软件对下支座板进行有限元分析，建立实体模型，参数同上座板，共划分网格 14907 个。约束下座板底面四周，给内侧面添加 2000kN 拉力和 3000kN 水平剪力。分析结果如
15、下： 由分析结果可知，最大应力为 195.639 N/mm2，与计算的 203N/mm2的结果基本吻合。 对整体进行有限元分析结果如下： 采用 Autodesk Simulation 软件对上支座板进行有限元分析，建立实体模型， 参数同上座板，共划分网格 101127 个。约束下座板底面，给上座板侧面焊接范围内添加 3000kN 水平剪力，给上座板内部受力圆环添加 2000kN 拉力。分析结果如下： 由分析结果可知，最大应力为 217.885 N/mm2，符合要求。 六、结论 1.支座结构合理。支座采取球面传力，使得支座在承受水平剪力、竖向拉力时，支座仍能转动，且为球面传力；支座发生转动后，仍能承受水平力、竖向拉力，且为球面传力。 2.采用改变传力球面的曲率半径的方法，可以方便地调整转动中心O 的位置，以满足工程结构对支座转动中心的要求。 3.计算结果与有限元分析结果吻合。 10参考文献： 黄呈伟 钢结构基本原理 重庆大学出版社，2008.8。 庄军生 桥梁支座 （第三版）中国铁道出版社，2008.12。 陈孝珍 弹性力学及有限元 郑州大学出版社， 2007.8。
