球型鉸支座在仿生造型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

周祿 項玲芳 李寶泉

摘 要：許多美觀、耐力的空間結(jié)構(gòu)都是通過形態(tài)模仿、力學模仿、材料模仿、功能模仿或者施工模仿構(gòu)想設(shè)計出來的。仿生造型建筑通過對模仿生物體的特征進行原理分析、設(shè)計，常采用鋼結(jié)構(gòu)工程予以實現(xiàn)，球型鉸支座在減小鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形方面發(fā)揮著重大作用。本文結(jié)合工程實例，就球型鉸支座的選擇、安裝、養(yǎng)護等進行總結(jié)與探討，希望對類似仿生造型建筑工程的設(shè)計及施工起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：球型鉸支座；仿生造型建筑；鋼結(jié)構(gòu)；應(yīng)力變形

前言

仿生造型建筑采用仿生原理，借用生物形式的邏輯構(gòu)成來研究其規(guī)律并用于建筑領(lǐng)域。大千世界蘊藏著無數(shù)優(yōu)美的模仿素材，貝殼、花卉、昆蟲、鳥類、雕塑、飛船、拋物線、雙曲線、細胞結(jié)構(gòu)等都是建筑造型可以模仿的對象。仿生造型建筑常采用鋼結(jié)構(gòu)，一般為大跨空間可呼吸結(jié)構(gòu)體系，常將支座設(shè)計成彈性支座來避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形，球型鉸支座是較為普遍采用的一種彈性支座。

一、工程概況

鳳凰島·鳳凰之舟項目位于山東省青島市黃島區(qū)金沙灘路南，西海岸新區(qū)啤酒文化廣場內(nèi)，規(guī)劃用地面積63425m2，總建筑面積為39025.67m2。項目主要建筑功能為劇院、演藝大廳、餐廳及底層部分商業(yè)，演藝大廳位于鳳身及鳳頭，小劇場位于鳳尾。

該工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為大跨異形空間結(jié)構(gòu)，主要豎向承重構(gòu)件為四榀正交放置的拱桁架，并通過頂部平面背部桁架進行彼此相連。頭部結(jié)構(gòu)由其下方樓層鋼框架結(jié)構(gòu)、斜柱支撐立面桁架、頸部平面桁架、雨棚與嘴部平臺組成；兩翼為立面斜柱環(huán)梁及懸挑鋼梁組成；尾部為單層網(wǎng)殼及懸挑鋼梁均通過中部形成的拱架和背部桁架實現(xiàn)大懸挑，裝飾柵格為處于兩翼及頭部外的懸挑鋼梁，屋面最高點位于頭部懸挑鋼梁頂部標高為+62m。

二、技術(shù)難點及解決措施

本工程結(jié)構(gòu)變形控制是一大技術(shù)難點，結(jié)構(gòu)變形主要因素：（1）鳳頭和鳳尾因結(jié)構(gòu)形式不同引起的結(jié)構(gòu)不均勻壓縮變形；（2）鋼結(jié)構(gòu)工程因自身結(jié)構(gòu)（大跨度、高自重）、施工工藝（焊接）、氣溫等各種因素產(chǎn)生的變形；（3）施工過程中，隨著各專業(yè)施工的陸續(xù)插入，各類荷載不斷增加，豎向構(gòu)件發(fā)生彈性壓縮。由于上述因素的疊加影響，易誘發(fā)結(jié)構(gòu)尺寸變化、位置偏差等變形問題。

為完成結(jié)構(gòu)體因上述諸多因素產(chǎn)生的伸縮位移變形，本工程將尾部V型柱支座、兩翼鋼柱鉸接支座、兩翼拱架柱支座、主拱架鋼柱支座、斜柱頂部環(huán)梁支座設(shè)計為QZ系列球型鉸支座。

三、球型鉸支座簡介

QZ系列球型鉸支座是由上座板、下座板、凸形中間鋼板及兩塊不同形狀的聚四氟乙烯板組成。下座板中間為一凹形球面，同凸形中間板相對應(yīng)，兩者之間襯有一弧形四氟板，通過球面與之滑動來滿足梁端的轉(zhuǎn)動，上座板上的不銹鋼板與中間鋼板上的另一四氟板組成第二滑動面，完成上下結(jié)構(gòu)體因溫差等諸多因素產(chǎn)生的伸縮位移變形。

球型鉸支座傳力可靠，各向轉(zhuǎn)動性能一致，不僅具備盆式橡膠支座承載能力大、水平位移大的特點，而且能適應(yīng)大轉(zhuǎn)角的需要，適用于桁架，連廊，網(wǎng)架，鋼結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)及寬橋、曲線橋等建筑。由于承壓部件不使用橡膠件，不存在橡膠低溫脆性等影響，因此特別適用于低溫地區(qū)。

四、球型鉸支座概況

本工程球型鉸支座結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖2所示，平面布置如圖3所示。滑動材料采用MHP滑板，滑板設(shè)計抗壓強度60MPa，極限抗壓強度200MPa，安裝板表面儲油槽內(nèi)涂以5201-2硅脂潤滑油。

本工程球型鉸支座材質(zhì)要求詳見表1，使用部位、性能指標等要求詳見表2。

五、球型鉸支座安裝

1.鉸支座KLQZ-6000KN-GD1（ZZ1-1）、KLQZ-6000KN-GD4（ZZ1a-1）、KLQZ-4000KN-GD（ZZ2-1）、KLQZ-6000KN-GD（ZZ3-1）、KLQZ-6000KN-GD3（ZZ3a-1）與上下部結(jié)構(gòu)采用焊接，手工焊采用E50型焊條，CO2氣體保護焊采用ER50-3焊絲；支座KLQZ-200KN-GD（ZZ4-1）、KLQZ-9200KN-GD（ZZ5-1）、KLQZ-9600KN-GD（ZZ6-1）與上下部結(jié)構(gòu)采用焊接，手工焊采用E50型焊條，CO2氣體保護焊采用H08Mn2SiA焊絲。支座的安裝方案、連接形式應(yīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計人員具體商定，嚴格按照設(shè)計要求進行安裝，以保證上、下部結(jié)構(gòu)與支座的可靠連接和功能發(fā)揮。

2.下部鋼筋混凝土柱的混凝土標號不得低于C40級。

3.柱內(nèi)配筋應(yīng)參考本支座設(shè)計時的研究分析結(jié)果，即在自柱頂沿柱軸線方向柱腳方向的0.25b至0.6b的高度范圍內(nèi)（b為柱截面寬度），增大水平箍筋截面的配置，其增加量依承載力分析結(jié)果確定。

4.支座根據(jù)設(shè)計需要在上支座板與滑板之間設(shè)置偏值。

5.鉸支座組裝完成后需安裝臨時固定措施，加工技術(shù)要求及檢驗方法參見《橋梁球型支座》（GB/T 17955-2009）。

6.鉸支座和預(yù)埋鋼板的連接采用焊接時，要采取降溫措施，或?qū)厰嗬m(xù)焊的方法，防止鉸支座鋼件過熱而損壞聚四氟乙烯板，橡膠密封圈和5201硅脂。

7.安裝前應(yīng)使下部結(jié)構(gòu)的標高和水平度滿足設(shè)計要求。鉸支座四角高差不大于1mm。

8.鉸支座中心線應(yīng)與主梁中心線及下部結(jié)構(gòu)安裝線重合。

9.鉸支座安裝就位后，底板與預(yù)埋鋼板焊接應(yīng)符合設(shè)計要求。待梁體施工完畢后，應(yīng)立即拆除臨時連接件。

10.鉸支座安裝時必須將上支座板與下支座板的連接件安裝好，待支座安裝就位完成后拆除，并立即安裝上防塵罩。

六、球型鉸支座養(yǎng)護

1.鉸支座使用期間應(yīng)定期檢查，每查一次，保養(yǎng)一次。

2.檢查鉸支座與上、下連接件是否有破壞，檢查螺栓是否剪斷或松動，焊縫是否開裂等。

3.檢查防塵罩內(nèi)積塵情況，并清除灰塵。

4.檢查橡膠密封圈有無龜裂和老化現(xiàn)象。

5.旋動固定螺母，清洗干凈后重新上油，以免銹死。

6.檢查鉸支座本身高度變化，此變化反應(yīng)聚四氟乙烯板的磨耗狀況，當高度變化超過4mm時應(yīng)大修。

7.檢查防銹漆完好程度，如有脫落應(yīng)用砂布磨出鋼體并呈現(xiàn)出金屬光澤后重新上漆。

8.特殊情況發(fā)生后（如地震、破壞性大風等），應(yīng)及時檢查上述內(nèi)容。

七、結(jié)語

本工程采用鋼結(jié)構(gòu)大跨空間可呼吸結(jié)構(gòu)體系，充分利用球型鉸支座的優(yōu)越性能，從最初的創(chuàng)意到理性的邏輯分析再到結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造，仿生造型建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合，優(yōu)雅呈現(xiàn)，實現(xiàn)了設(shè)計師模仿鳳凰的概念與創(chuàng)意。

參考文獻

[1]王小盾，孔翠妍，陳志華，田川.天津大學體育館仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計.《工業(yè)建筑》（增刊），2012.

[2]王小盾，余建星，陳志華.天津博物館設(shè)計與技術(shù).建筑學報，2004年11期.