向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

尹秋冬 葉澤航 張克濤 石文井

中國建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125

建筑業(yè)發(fā)展至今，鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、形式靈活等特點(diǎn)越來越受到設(shè)計者們的青睞。大型鋼結(jié)構(gòu)多以大跨度桁架或網(wǎng)架等形式出現(xiàn)，通過鋼結(jié)構(gòu)造型的不斷變換以滿足建筑師們對外觀的需求，同時由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，受建筑凈空等條件限制，結(jié)構(gòu)跨度大，支撐點(diǎn)反力較大[1-6]。

通常情況下，反力支點(diǎn)需要設(shè)置鉸接約束，以避免較大的彎矩對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。鉸接支座目前可以選用的結(jié)構(gòu)形式主要包括銷軸節(jié)點(diǎn)、盆式支座節(jié)點(diǎn)、關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)等。

重型關(guān)節(jié)軸承可根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載定型設(shè)計，與其他鉸接形式相比，具有各向受力好、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合在鋼結(jié)構(gòu)工程中推廣應(yīng)用。

1 關(guān)節(jié)軸承介紹

關(guān)節(jié)軸承是指滑動接觸表面為球面，主要適用于擺動運(yùn)動、傾斜運(yùn)動和低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的滑動軸承。根據(jù)軸承形式又可細(xì)分為向心關(guān)節(jié)軸承、徑向接觸關(guān)節(jié)軸承、外圍帶球頭螺栓的關(guān)節(jié)軸承、帶螺栓關(guān)節(jié)軸承、角接觸向心關(guān)節(jié)軸承、推力關(guān)節(jié)軸承、軸向接觸關(guān)節(jié)軸承、角接觸推力關(guān)節(jié)軸承等（表1）。

表1 軸承類型對比

其中，向心關(guān)節(jié)軸承更接近于鋼結(jié)構(gòu)桿件傳力（軸承徑向）的特點(diǎn)，軸承由內(nèi)圈、外圈及滑動膜組成。節(jié)點(diǎn)受力體系一般包括外耳板底座、銷軸、軸承和中耳板，軸承安裝在中耳板的軸承孔內(nèi)。

2 關(guān)節(jié)軸承設(shè)計

選定軸承類型后，依據(jù)結(jié)構(gòu)體系確定內(nèi)外耳板類型，建立三維實(shí)體模型，使用有限元分析軟件Ansys對試件進(jìn)行彈塑性有限元分析。

向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)屬于多體接觸問題，各接觸點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變情況比較復(fù)雜。為了簡化計算難度和提高計算效率，在不影響計算精度的情況下，對分析過程簡化后建立計算模型。

1）計算基于公稱尺寸，不考慮加工誤差。

2）PTFE（聚四氟乙烯）自潤滑材料較薄，成形前已與外圈黏結(jié)，將其與外圈作為一體分析。

3）采用靜力學(xué)有限元分析，主要驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)受力情況，采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則。

4）軸承內(nèi)圈、外圈間建立接觸約束關(guān)系。

荷載按照設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值施加徑向荷載，另外增加10%橫向荷載。各部位材料強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。

表2 各部位材料強(qiáng)度參數(shù)

通過有限元軟件分析，應(yīng)力最大處為軸承內(nèi)圈與銷軸接觸受壓位置，最大應(yīng)力為832.17 MPa，應(yīng)力比達(dá)到0.61（圖1）。

外圈最大應(yīng)力發(fā)生在與內(nèi)圈接觸位置，最大應(yīng)力為644.50 MPa，應(yīng)力比0.47（圖2）。

圖1 內(nèi)圈應(yīng)力云圖

圖2 外圈應(yīng)力云圖

銷軸最大應(yīng)力發(fā)生在與內(nèi)圈接觸位置，最大應(yīng)力為335.23 MPa，應(yīng)力比0.73（圖3）。

蓋板最大應(yīng)力發(fā)生在與銷軸接觸位置，最大應(yīng)力為170.64 MPa，應(yīng)力比0.51（圖4）。

圖3 銷軸應(yīng)力云圖

圖4 蓋板應(yīng)力云圖

中耳板最大應(yīng)力發(fā)生在與銷軸接觸位置，最大應(yīng)力為164.60 MPa，應(yīng)力比0.41（圖5）。

外耳板最大應(yīng)力發(fā)生在與銷軸接觸位置，最大應(yīng)力為505.50 MPa，應(yīng)力比1.69。根據(jù)分析結(jié)果，外耳板已經(jīng)局部發(fā)生屈服，需重新設(shè)計（圖6）。

圖5 中耳板應(yīng)力云圖

圖6 內(nèi)圈應(yīng)力云圖

分析結(jié)果表明外耳板內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，需對外耳板內(nèi)側(cè)增加凸臺。

原設(shè)計節(jié)點(diǎn)如圖7所示，節(jié)點(diǎn)中銷軸與外耳板接觸位置為直角，外耳板在銷軸的剪切作用力下，內(nèi)側(cè)受力集中，形成邊緣效應(yīng)。

對設(shè)計節(jié)點(diǎn)增加凸臺，優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)如圖8所示。經(jīng)重新分析，外耳板最大應(yīng)力為291.5 MPa，應(yīng)力比為0.97。在未增加整體板厚的情況下，應(yīng)力水平降低約40%，達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計目的。

圖8 增加凸臺優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)

圖7 原設(shè)計節(jié)點(diǎn)

3 向心關(guān)節(jié)軸承制作流程

根據(jù)軸承節(jié)點(diǎn)設(shè)計模型，確定加工圖紙。向心關(guān)節(jié)軸承外圈和內(nèi)圈分別加工完成后，再進(jìn)行裝配。

外圈內(nèi)層所粘貼的PTFE（聚四氟乙烯）自潤滑層具有耐高溫、摩擦因數(shù)小等特點(diǎn)。將經(jīng)過特殊加工的PTFE織物通過熱粘工藝貼于外圈內(nèi)壁，在內(nèi)圈與外圈之間形成潤滑層，長期適用溫度可達(dá)200～260 ℃，摩擦因數(shù)最小達(dá)到0.04。PTFE材料不會出現(xiàn)永久疲勞破壞，即使因疲勞而破壞，仍然能保持其物理的完整性，滿足全生命周期使用的要求。

軸承內(nèi)外圈加工完成后進(jìn)行組裝，組裝工藝流程為：裝配→配套→烘干→去膠→清洗→包裝。

4 向心關(guān)節(jié)軸承安裝流程

軸承座邊緣設(shè)置10°～20°倒角，便于軸承穿入（圖9），外圈開縫必須垂直于主要荷載方向。

軸承節(jié)點(diǎn)配合間隙小，需在工廠內(nèi)組裝完成，節(jié)點(diǎn)與連接結(jié)構(gòu)采用焊接。

4.1 軸承與中耳板的安裝

1）軸承與軸承墊塊需在防腐干冰桶中冷卻1 h（圖10），軸承需垂直放入，便于吊入和吊出軸承。

圖9 引導(dǎo)角

圖10 軸承冷卻

2）先安裝一側(cè)軸承壓蓋，穿入中耳板螺栓，然后水平放置（圖11）。

3）待軸承墊塊、軸承冷卻完畢后，依次裝入中耳板孔內(nèi)（特別注意開縫垂直于受載方向），安裝另一塊軸承壓蓋，鎖緊軸承壓蓋（圖12）。

圖11 耳板平放

圖12 安裝軸承

4）軸承裝配完畢，等待軸承恢復(fù)常溫。

4.2 中耳板、外耳板的安裝

1）平放雙耳板。

2）依次水平穿入定位套、中耳板軸承整體、定位套，確保軸承內(nèi)孔、定位套內(nèi)孔與雙耳板內(nèi)孔垂直（圖13）。

4.3 銷軸的安裝

1）使用掛環(huán)安裝在銷軸螺栓孔內(nèi)，吊入干冰內(nèi)冷卻1 h（圖14）。

圖13 安裝外耳板

圖14 冷卻銷軸

2）待銷軸冷卻完畢后，垂直吊入已經(jīng)安裝好的雙耳板內(nèi)（圖15）。

3）銷軸成功裝入后，使水平放置的雙耳板垂直放置，鎖緊銷軸蓋板，安裝完畢（圖16）。

圖15 裝入銷軸

圖16 安裝蓋板

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中節(jié)點(diǎn)連接方式的設(shè)計至關(guān)重要，按傳力方式主要分為剛接、鉸接及其組合形式，軸承節(jié)點(diǎn)作為萬向鉸接節(jié)點(diǎn)可以接近理想鉸接節(jié)點(diǎn)，滿足復(fù)雜空間傳力的需求。重型關(guān)節(jié)軸承既可承受重型荷載，又可在承受不同方向荷載時實(shí)現(xiàn)鉸接，通過設(shè)計軸承接觸表面為免維護(hù)，耐磨年限長達(dá)100年，是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中理想的連接形式。

在拉薩貢嘎機(jī)場T3航站樓項(xiàng)目中，鋼結(jié)構(gòu)屋面桁架最大跨度達(dá)到63 m，最大承載能力14 750 kN，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用兩端鉸接的梭形桿件支撐屋面桁架。節(jié)點(diǎn)處最多連接14根桿件，受力關(guān)系復(fù)雜，桁架主次桿件相貫連接，梭形柱兩端鉸接節(jié)點(diǎn)采用向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)，簡化受力關(guān)系，便于施工。

向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)以關(guān)節(jié)軸承為轉(zhuǎn)動核心，真正實(shí)現(xiàn)空間三向受力和鉸接連接性能，在釋放應(yīng)力的同時，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能以及抗強(qiáng)風(fēng)、抗溫差等性能。節(jié)點(diǎn)采用不銹鋼、免維護(hù)密封結(jié)構(gòu)，提高了整個節(jié)點(diǎn)整體使用壽命。