一种新型球形抗震支座的工程应用技术研究

工程设计　一种新型球形抗震支座的工程应用技术研究　刘南雁　（中铁城建集团北京工程有限公司，北京　１０００２４）　摘要：提出一种球形抗震支座，介绍其构造及工作机理，并利用ＭＩＤＡＳ／Ｇｅｎ分析其设计参数。研究结果表明：与　以往支座相比，新型球形抗震支座的抗震性能得到一定程度的提高，具有结构简单、抗震性能稳定、可靠、耐久等特　点。通过设置限位销和弹性限位槽，实现了支座在多遇地震和罕遇地震作用下的刚度切换以抵抗不同水平的地震　作用。　关键词：新型；球形；抗震支座；抗震性能；应用　Ｄ０Ｉ：１０．１３２０６／ｊ．ｇＪｇ２０１６１２０１５　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　ｏＮ　ＴＨＥ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮ　ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ　ＯＦ　Ａ　ＮＥＷ　ＳＰＨＥＲＩＣＡＬ　ＳＥＩＳＭＩＣ　ＢＥＡＲＩＮＧ　ＩＮ　Ａ　ＰＲｏＪＥＣＴ　Ｌｉｕ　Ｎａｎｙａｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｕｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１　０００２４，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＩＤＡＳ／Ｇｅｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｔｈａｔ　ｎｅｗ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｈａｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｄ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｓｐａｃｅｒ　ｐｉｎ　ａｎｄ　ａｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｌｉｍｉｔ　ｇｒｏｏｖｅ，ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｏｕｌｄ　ｒｅｓｉｓｔ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｌｅｖｅｌｓ　ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｉｔｓ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｎｅｗ　ｔｙｐｅ；ｓｐｈｅｒｉｃａｌ；ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ；ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　在大跨度结构中，支座的应用十分广泛。随着　研究的深入，支座的形式日趋丰富，以铅芯橡胶支　座、球形支座为代表的新型耗能支座越来越引起工　程界的关注　。　具体编号、型号及性能指标如表１、表２所示。　表１　支座编号及型号　近年来球形支座在国内外公路、铁路桥梁和大　跨度建筑结构中得到广泛应用　。杜雪锋采用大　表２支座性能指标　型有限元软件ＡＮＳＹＳ对ＫＱＧＺ一３０００ｋＮ—ＧＤ抗震　球形支座进行了分析研究，表明其具有良好的变形　和受力性能　。彭天波等开发了双曲面球形支座　并进行了试验验证　。陈志江，陈金顺等针对双曲　面球形支座设计与应用的研究证明了球形支座具有　良好的抗震性能　。邢艳等结合工程实际研制　为分析支座对整体结构的影响，对固定型抗震　支座进行改进，将原设计方案中的两种固定型抗震　支座优化为新型球形抗震支座。　开发了大质量抗震球形支座并验证了其可靠性　。　１工程概况　２　新型球形抗震支座构造及工作机理　新型球形抗震支座包括：上支座板、不锈钢板、　聚四氟乙烯圆平板、球冠钢衬板、聚四氟乙烯球型　国家自然科学基金项目（５１５７８０４６）。　作者：刘南雁，男，１９６９年出生，高级工程师。　Ｅｍａｉｌ：ｌｎｙｌ１０２２７１１０２２７＠ｓｉｎａ．ｅｏｎｌ　唐山某工程是集高层写字楼、公寓、高端商业、　住宅、大型停车场等的综合业态集群式建筑。工程　中屋面复杂钢结构共分为４部分，分别为Ａ段屋顶　穹顶，Ａ段冰场树权上空主次梁曲线钢结构网格，Ｂ　段水世界屋面网架和Ｃ段天幕网架。　其中，Ａ段冰场屋面采用了固定型抗震支座，其　７４　收稿日期：２０１６—０３—１８　钢结构　２０１６年第１２期第３１卷总第２１６期　刘南雁：一种新型球形抗震支座的工程应用技术研究　板、中间连接板、限位销、弹性限位槽、下支座板、橡　下的刚度切换。整体模型如图２所示，共采用３种　胶密封圈、搭板、螺栓，如图１所示。在新型球形抗　不同类型的单元，即梁单元、板单元和桁架单元，所　震支座内部，上支座板置于顶端，不锈钢板焊接在上　有柱均采用梁单元进行模拟。其中，钢材选用Ｑ３４５　支座板上，聚四氟乙烯圆平板嵌固在球冠钢衬板的　钢；一类柱和树权部分柱采用ｃ５ｏ混凝土。固定型　凹槽中并连接不锈钢板，球冠衬板下凸面通过聚四　抗震支座１布置于柱脚节点１、１８、４３、４５、４７、７７９，　氟乙烯球型板与下支座板凹板贴合，上支座板与下　固定型抗震支座２布置于柱脚节点１９、２３、２４、２５、　支座板四周由橡胶密封圈封装连接。在新型球形抗　２６、２７、２８、２９、３０、３１、４８４、４９９、７７８、８０８，树权部分柱　震支座外部，上、下支座板通过装运螺栓和搭板连　脚全部固接，如图３所示。　接，便于装配、运输，中间连接板接口处设置限位销　和弹性限位槽。在聚四氟乙烯板表面用专用模具压　制成硅脂储油坑，并涂硅脂以减少聚四氟乙烯板的　滑动摩擦和磨损。　图２　Ａ段冰场屋面ＭＩＤＡＳ模型　１一搭板；２一中间连接板；３一装运螺栓；４一上支座板；　５一限位销；６一弹性限位槽；７一橡胶密封圈；８一下支座板。　图１　新型球形抗震支座示意　新型球形抗震支座在多遇地震作用下，限位　销（相当于保险装置）处于闭合状态，起固定铰作　用。在罕遇地震作用下，当地震荷载超过给定值　时，限位销被剪断，保险装置被打开，摩擦副（聚四　氟乙烯圆平板和球形板）即可自由滑动，球形支座　３　Ａ段冰场屋面柱脚节点编号　可实现　、ｙ两个方向的平动与各方向的转动，成　唐山市抗震设防烈度为８度，设计基本地震　为弹性支承，减小结构受到的地震作用，消耗地震　加速度值为０．２ｇ，工程现场为ＩＩ类场地，由ＧＢ　能量，使得结构的受力更加合理，保护整体结构的　５００１１—２０１０《建筑抗震设计规范》中的表５．１．　安全。　２—２确定时程分析所用地震加速度时程中加速　度的最大值为４　ｍ／ｓ　，选取１９７６年唐山地震东西　３有限元建模　向和南北向地震动时程分别作为　向和ｙ向激　利用建筑结构通用有限元分析和设计软件ＭＩ—　励并调幅（图４）。时程反应分析采用一致激励　ＤＡＳ／Ｇｅｎ对Ａ段冰场屋面进行建模分析，并将固定　输入。　型抗震支座（普通钢支座）与采用新型球形抗震支　座的结果进行对比（表３）。通过变化球形支座的刚　４有限元计算结果及分析　度，考察其在不同受力阶段的优越性。　在节点弹性支承中，通过不断变化　、ｙ两个方　表３　Ａ段冰场屋面支座模拟　向的刚度值并计算在多遇地震和罕遇地震两种工况　下屋面柱底的剪力，分析球形支座的最优设计参数，　最终确定的球形支座参数示于表４中。定义减震结　构（安装球形支座）与非减震结构（采用普通钢支　座）地震响应的比值为减震系数，结果汇总于表５一　在边界条件中，设置节点弹性支承时，球形支座　表８中。　选用多折线形（对称类型），分段输入力一位移曲线　为便于比较、分析，将表格中的数据绘制在同一　上的控制点数值，以实现多遇地震和罕遇地震作用　坐标系中，如图５　图６所示。一　工程设计　，【　曼＼毯髓曩　ａ一东西向Ｉｂ一南北向。　图４　１９７６年唐山地震东西和南北向加速度时程（调幅后）　表４球形支座设计参数　表５一类柱柱底最大剪力减震效果比较（　向）　表８二类柱柱底最大剪力减震效果比较（Ｙ向）　表６一类柱柱底最大剪力减震效果比较（１，向）　●　・・・　’●、、、’、、～，・、，，、，　‘、，、～、～　襁ｌ　。－．－‘Ｉ～－．－＿…．，　一－－Ｉ．．．’。　１　１８　４３　４５　４７　７７９　表７二类柱柱底最大剪力减震效果比较《　向）　柱脚节点编号　柱脚节点编号　ｂ　ａ一　向罕遇地震作用：　ｙ向罕遇地震作用。　一普通钢支座；一・球形支座。　经校核，在罕遇地震作用下，球形支座上下底板　图５一类柱柱底最大剪力减震效果比较　间的最大相对位移为：　向１１０　ｍｍ，Ｙ向６３　ｍｍ，均　未超过设计滑动量，位移控制在设计允许范围内；球　３４６．８　ｋＮ，均小于水平剪力设计值１　０００　ｋＮ，并有较　形支座受到的最大水平剪力为：　向４８４．１　ｋＮ，Ｙ向　高的安全储备。对比图５中数据可知，将原设计中　７６　钢结构　２０１６年第１２期第３１卷总第２１６期　刘南雁：一种新型球形抗震支座的工程应用技术研究　体抗震性能得到提高。　表９二级树权节点剪力减震效果比较　柱脚节点编号　堇　・Ｒ　翱：　柱脚节点编号　ｂ　ａ—　向罕遇地震作用．ｂ—ｙ向罕遇地震作用。　－一普通钢支座：－　球形支座。　图６二类柱柱底最大剪力减震效果比较　的固定型抗震支座替换为新型球形抗震支座后，罕　遇地震作用下屋面柱底的剪力明显减小，而多遇地　表１０　二级树权节点弯矩减震效果比较　震作用时，限位销和弹性限位槽限制了支座的平动，　仅提供各方向的转动，起到了固定铰的作用。需要　说明的是，二类柱柱底采用球形支座后，在ｙ向罕　遇地震作用下部分柱底的剪力出现增大的现象，但　最大值不超过２０５　ｋＮ，内力值依然处于较低水平，　从整体来看，球形支座使得结构的受力更加合理，抗　震能力得到提高。　为进一步说明新型球形抗震支座对屋面整体受　力的影响，现比较在　、ｙ向罕遇地震作用下３４、３３　号柱二级树权节点的内力值。　同样，将表９、表１０中的数据绘制在同一坐标　系中，如图７所示。　由图中结果可知，采用新型球形抗震支座后，屋　面下的二级树权节点的内力值（剪力、弯矩）得到了　一定程度的减小，树权部分受力更加合理，屋面的整　莒　互　静　二级树杈节点编号　ａ　二级树权节点编号　ｂ　二缎树权节点编号　ｃ　ａ一　向罕遇地震作用下剪力；ｂ—ｙ向罕遇地震作用下剪力；ｃ—　向罕遇地ｊ甓作用下弯矩　ｄ—ｙ向罕遇地震作用下弯矩。　－．－普通钢支座；一球形支座。　图７二级树权剪力和弯矩减震效果比较　７７　工程设计　］］；＂　］加　　（上接第ｌｌ　１页）　［１１］邱斌．中性盐雾环境下锈蚀Ｈ型钢表面特征及偏压承载性能　郑山锁，王晓飞，韩言召，等．酸性大气环境下多龄期钢框架柱　抗震性能试验研究［Ｊ］．土木工程学报，２０１５，４８（８）：４７—４９．　郑山锁，王晓飞，孙龙飞，等．酸性大气环境下多龄期钢框架　节点抗震性能试验研究［Ｊ］．建筑结构学报，２０１　５，３６　（１０）：２０—２８．　研究［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２０１４．　［１２］吴海英，雷宏刚，刘贵全，等．锈蚀对超期服役非对称截面钢格　构柱受力性能影响研究［Ｊ］．建筑结构，２０１６，４６（９）：７９—８５．　［１　３］Ｔａｔｓｕｒｏ　Ｎａｋａｉ，Ｈｉｓａｏ　Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，Ｎｏｒｉｏ　Ｙａｍａｍｏｔｏ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｐｉｔ—　ｔｉｎｇ　Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ＯＩ３　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　Ｗｅｂ　Ｐｌａｔｅｓ　Ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　Ｐａｔｃｈ　Ｌｏａｄ—　郑山锁，代旷宇，韩超伟，等．基于材料性能退化模型的钢排架　结构易损性分析［Ｊ］．振动与冲击，２０１５，３４（１７）：１８—２４．　ＪＧＪ　１０１—９６建筑抗震试验方法规程［Ｓ］．　ＧＢ　５００１１—２叭Ｏ建筑抗震设计规范［Ｓ］．　ｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｈｉｎ－Ｗａｉｌｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００６，４４：１０—１９．　［１４］Ａｈｎ　Ｊｉｎ—Ｈｅｅ，Ｃｈｅｕｎｇ　Ｊｉｎ—Ｈｗａｎ，Ｌｅｅ　Ｗｏｎ—Ｈｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｓｈｅａｒ　Ｂｕｃｋｌｉｎｇ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｗｅｂ　Ｐａｎｅｌ　ｗｉｔｈ　Ｐｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｈｒｏｕｇｈ—　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　Ｄａｍａｇｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｅｔｉｏｎａｌ　Ｓｔｅｅｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１５，１１５：２９０—３０２．　吴海英，雷宏刚，陈幼佳．低周反复荷载下锈蚀非对称截面单　阶钢柱的性能研究［Ｊ］．钢结构，２０１６，３１（６）：１０３—１１１．　．住　１口　自．　装配式建筑快速推广，钢结构行业进入发展井喷期。　随着环境压力的不断加大，传统混凝土建筑正有被装配式建筑逐渐替代的趋势，而钢结构行业借此东风也进人了发展快　车道。近日，工信部发布钢铁业“十三五”规划——《钢铁工业调整升级规划》，重点突出了“去产能、创新、绿色建筑、转型、结　构调整”等热词。规划提出了钢结构用钢比例的导向型目标，由目前占建筑用钢１０％提高到２５％以上，要求加快推动钢结构　建筑的推广应用，力争钢结构用钢量由目前的５　０００万ｔ增加到１亿ｔ以上。　中国目前钢结构主要应用在工业厂房和基础设施领域，中国城镇化到２０２０年到达顶峰之前和工业化进程中，上述两个主　要领域的需求仍将保持增长趋势。目前中国钢结构的住宅虽受制于钢铁和水泥价格比提升、消费习惯和建筑设计体系制约，　但亦有趋势性向好、渐进式向好。由于我国钢产业的迅速发展以及我国对建筑节能的重视程度提高，我国建筑技术的政策导　向逐渐由多年前的限制钢结构使用转变为发展、推广钢结构的应用，国家产业政策积极支持钢结构行业的发展。　７８　钢结构２０１６年第ｌ２期第３１卷总第２１６期