威海穹顶单层网壳钢结构双盆式橡胶支座转动受力技术研究

随着时代的发展，建筑业的发展也紧随时代的脚步向前迈进，一些大体量大空间的结构接踵而至，特别是一些大的商场、车站、机场等为了满足广大人民的使用方便和美观要求，给结构空间和跨度更提出了严峻的挑战，随着最近钢结构工程的不断兴起，解决了一些要求跨度大和空间广的工程难题，但是钢结构工程受温度变形和外界各种荷载的影响特别大，对钢结构的基础支撑体系提出严峻的挑战，本技术主要针对钢结构双支座体系的受力性能和转动性能进行研究和探讨。　　　关键词： 钢结构双支座转动受力

　　京津城际延伸线于家堡站站房工程位于滨海新区于家堡中心商务区北段，是京津城际铁路延伸线终点站，屋面采用双螺旋单层网壳屋面施工技术施工，整个站房工程施工难度大、结构复杂，特别是双螺旋单层网壳屋面，穹顶钢结构为大跨度空间复杂曲线单层网壳结构，穹顶纵向跨度约142m，横向跨度约80m，矢高约24m，受力杆件为曲线变截面钢箱梁组成的空间曲线构件，整个单层曲线网壳结构由36根顺时针和36根逆时针钢箱梁相互交叉编织形成，支座体系为双支座体系。该单层网壳钢结构体系设计新颖，结构受力复杂，为缺陷性敏感的单层网壳体系，经国际、国内科技查新，国内外没有同体量同复杂程度的单层网壳结构，因此为了拓展在大跨度、大空间、结构复杂钢结构领域的技术水平，本次研究将依托本钢结构对钢结构双支座转动性能和受力性能进行研究。

研究对象

　　于家堡站房工程共设计36个支座承担整个钢结构的竖向荷载和水平推力，其中31个双支座，5个单支座，共计67个支座。设计竖向承载力分6级：4000,5000,7000,8000,12500,15000kN。双向活动，沿环梁切向位移±50mm，沿环梁法向或竖向位移±20mm，支座设计转角0.03rad，其中受力最大的为R19节点，水平推力为15000KN，竖向压力为4000KN。本次研究对象为R19 号节点支座的缩尺模型，型号为QZ-1000-SX 和QZ-250-SX，数量为2 台，

研究设备选择

　　根据研究要求，选用YJW-5000 型微机控制电液伺服压剪试验机其主要性能指标：竖向最大试验力：5000 kN，竖向最大行程：80mm转角最大试验力：300kN，试验机精度：1 级

研究目的和方法

1. 研究目的

　　检测整个节点模型支座分别在竖向设计荷载和超载作用下是否可产生0.02rad 的转动角度，并且转动力矩小于标准要求。

　　(1)设计竖向荷载状态下，(竖向设计荷载1030 kN)双支座及工装的设计转动力矩为：MΘ=F1·μ·R1+ F2·μ·R1+ FG·μ·R2=1000x0.03x170+250x0.03x170+1030x0.03x85=9001.5kN·mm≈9 kN·m

　　(2)超载状态下(预设超载至1200 kN)，双支座及工装的设计转动力矩为：MΘ=F1·μ·R1+ F2·μ·R1+ FG·μ·R2=1164x0.03x170+291x0.03x170+1200x0.03x85=10480.5kN·mm≈10 kN·m式中：MΘ——转动力矩(kN·mm);F1—QZ-1000-SX 支座超载下竖向承载力(kN);F2—QZ-250-SX 支座超载下竖向承载力(kN);

　　FG—工装转动副超载下承载力(kN);μ—转动副间的摩擦系数;R1—支座钢衬板的球面半径(mm);R2—工装转动副的球面半径(mm);

2. 研究方法

　　2.1 正常加载测试

　　a) 将试样按图1 置于试验机的承载板上，试样中心与承载板中心位置对准，精度小于试验技术要求。

　　b) 竖向加载，将试验机以连续均匀的速度加至竖向设计荷载1030kN，稳压5min，根据图2所示的分力关系，两支座所承受荷载分别达到其设计值1000kN和250kN，并在整个转动试验过程中保持不变。

　　c) 转动加载，用千斤顶以5kN/min的速率施加转动力，直至支座发生0.02rad转动后千斤顶卸载，记录支座发生转动时千斤顶的最大荷载。

　　d) 支座实测转动力矩为MΘ=PxL。

　　e) 试验机卸载。

2.2 超载测试

　　a) 将试样按图1置于试验机的承载板上，试样中心与承载板中心位置对准，精度小于试验技术要求。

　　b) 竖向加载，将试验机以连续均匀的速度加至预设超载值至1200kN，稳压5min，根据图示3的分力关系两支座所受承载力分别达到其荷载1164kN和291kN，并在整个转动试验过程中保持不变。

　　c) 转动加载，用千斤顶以5kN/min的速率施加转动力，直至支座发生0.02rad转动后千斤顶卸载，记录支座发生转动时千斤顶的最大荷载。

　　d) 支座实测转动力矩为MΘ=PxL。

　　e) 试验机卸载。

五、 研究测试结论

　　1. 正常加载测试结果

　　a) 双支座在设计荷载作用下转动位移达 11mm，试验机转动力臂为550mm，通过换算得出，双支座可以实现0.02rad 的转动角度，转动过程中无卡滞、变形等现象产生，满足设计要求;

　　b)双支座的最大转动荷载为 8.3kN，试验机转动力臂为550mm，试验转动力矩为4.565k N·m，小于标准值9 kN·m，满足设计要求;

　　c) 试验过程曲线

　　2. 超载测试结果

　　a) 双支座在设计承载力作用下转动位移达 11mm，试验机转动力臂为550mm，通过换算得出，双支座可以实现0.02rad 的转动角度，转动过程中无卡滞、变形等现象产生，满足设计要求;

　　b)双支座的最大转动荷载为 13.3kN，试验机转动力臂为550mm，试验转动力矩为7.315k N·m，小于标准值10 kN·m，满足设计要求;

　　c) 试验过程曲线

六、结束语

　　通过对穹顶钢结构的双支座在正常加载测试和超载加载测试条件下的受力性能和转动性能的试验研究，双支座的受力性能和转动性能完全能够满足本穹顶钢结构后期的整体受力要求，以及后期穹顶钢结构受外界温度变化和其他额外荷载情况下的转动和变形，为后期类似工程积累相应的研究数据和经验参数，解决了国内首个单层网壳钢结构双支座支撑体系技术难题。