可雙向滑移向心關節(jié)軸承節(jié)點的研究

林燕森

摘 要：關節(jié)軸承在鋼結構建筑節(jié)點連接中有著比較廣泛的應用，不過常規(guī)的關節(jié)軸承僅僅具備了面內向外轉動的性能，無法滿足一些特殊建筑對于大滑移量的需求。對此，福建龍溪軸承（集團）股份有限公司立足常規(guī)的向心關節(jié)軸承節(jié)點，研制出了一種可雙向滑移向心關節(jié)軸承節(jié)點，能夠在滿足上述建筑大滑移量需求的前提下，對集中應力進行有效抵消，保證建筑結構的穩(wěn)定和安全。

關鍵詞：可雙向滑移；向心關節(jié)軸承；節(jié)點設計

中圖分類號：TU393 文獻標識碼：A

0.引言

隨著鋼結構建筑的應用范圍不斷擴大，其連接節(jié)點在整個建筑體系中扮演著越來越重要的角色，人們對連接節(jié)點也不斷地提出新的要求。在當前的技術條件下，鋼結構建筑連接節(jié)點的常見方式有3種，分別是剛性連接、鉸連接和內嵌關節(jié)軸承的萬向鉸節(jié)點。這3種連接方式能夠在某種程度上滿足鋼結構建筑設計施工要求，但是也存在著許多的問題和缺陷，例如，剛性連接節(jié)點的連接構件無法實現(xiàn)相對轉動；鉸連接只能夠在一個方向上轉動，對于其他方向則無能為力；內嵌關節(jié)軸承的萬向鉸節(jié)點的結構（如圖1所示）可以在保證連接可靠性和力的有效傳遞的同時，兼具面內和面外的轉動性能，但由于節(jié)點固定，同樣面臨著兩個方面的問題：一是對于附加力引發(fā)的耳板破壞問題，僅僅能夠通過加固補焊的方式進行初期治理，無法從根本上解決問題；二是由于受到鋼構件內應力釋放、焊接變形等因素的影響，連接節(jié)點的裝配相對困難。這些問題的存在，極大地影響了鋼結構建筑的發(fā)展。

為解決以上問題，需要在原來內嵌關節(jié)軸承的萬向鉸節(jié)點的基礎，設計出一種新型的向心關節(jié)軸承節(jié)點。該節(jié)點應同時具備面內和面外的轉動性能，并能雙向滑移，滿足建筑的大滑移量需求，通過滑移來釋放鋼結構內應力，避免耳板受附加力破壞，同時在裝配上也比較簡單。當建筑受到地震、臺風等較大的外力作用時，通過節(jié)點滑移，對載荷進行有效抵消，從而保證了結構的安全和可靠。

1.可雙向滑移的向心關節(jié)軸承節(jié)點設計

以福建龍溪軸承（集團）股份有限公司的研究的工程案例為例，對可雙向滑移向心關節(jié)軸承的節(jié)點設計進行分析和討論。

1.1 工程實例

某體育館鋼屋蓋部分設計使用年限為50年，需要開發(fā)一種可雙向滑移的支座節(jié)點，滿足建筑的使用要求，具體的設計參數(shù)如下：

（a）載荷（垂直外耳板）：400kN，擺角：2°。

（b）雙向滑移，滑移距離不小于100mm。

另外，本節(jié)點需要到高校專業(yè)試驗室進行足尺試驗，驗證在400kN的載荷下的滑移能力。加載到2倍荷載，驗證各零件的應力情況，證明結構受力是安全，可靠。

1.2 結構設計

考慮支座節(jié)點對于滑移距離的需求較大，在常規(guī)向心關節(jié)軸承節(jié)點的基礎上，進行了較大的改進和創(chuàng)新，設計出可雙向滑移向心關節(jié)軸承節(jié)點（如圖2所示）。本節(jié)點包括向心關節(jié)軸承、銷軸、蓋板、滑板、中耳板、外耳板、限位塊，高強螺栓。在該設計中，通過蓋板，將向心關節(jié)軸承內圈穿過銷軸的一端，并通過蓋板、高強螺栓將內圈和銷軸的一端固定，銷軸的另一端跟中耳板焊接在一起，結合向心關節(jié)軸承中的球形內外圈相互轉動，中耳板可以獲得面內和面外的自由轉動能力。同時，將滑板（雙金屬材料板）固定在外耳板的內側面，并把軸承的外圈的對稱位置銑出兩個平面，該平面跟滑板共同構成滑移摩擦副，中耳板、銷軸和軸承作為整體可以在外耳板中間，進行上下、前后滑移。該滑移摩擦副既保證了較低的摩擦系數(shù)，又能滿足承載力的要求。

1.3 滑移原理

可雙向滑移向心關節(jié)軸承節(jié)點的滑移原理，是當遇到較大的豎直荷載時，支座節(jié)點承受力傳輸路線為：中耳板→銷軸→向心關節(jié)軸承內圈→向心關節(jié)軸承外圈→滑板、外耳板→基礎，在這個過程中，中耳板連同向心關節(jié)軸承會上下滑移，伴隨著向心關節(jié)軸承的上下滑移，中耳板可以消除或者極大地消減豎向軸向力，從而減少其對結構的影響。同理，當中耳板收到較大的前后方向的載荷時，中耳板連同向心關節(jié)軸承會前后滑移，并通過滑移消除或極大地消除前后方向的荷載，從而減少其對結構的影響。

1.4 試驗驗證

在高校專業(yè)研究室，進行足尺加載試驗，分析節(jié)點運行情況。結果表明，在承受400kN的水平作用力，節(jié)點仍然可上下、前后滑移，又可以實現(xiàn)面內、面外轉動，滑移距離也滿足客戶要求，表明該節(jié)點設計具有良好的可行性和可操作性。

2.潛在效益分析

通過本節(jié)點的研究，將形成公司的自主知識產權，為建筑節(jié)點的發(fā)展注入新元素。本項目的成功研發(fā)，可帶動國內建筑領域對本產品的需求，預計每年可為公司增加銷售額2000萬元以上，具有良好的經濟效益，同時又可以提高公司核心競爭力和品牌影響力，產生良好的社會效益。

結語

綜上所述，在鋼結構建筑施工中，節(jié)點的連接非常關鍵，直接影響著結構整體的穩(wěn)定性和安全性。滿足一些大型建筑鋼結構或者特殊鋼結構對于大滑移量的要求，在向心關節(jié)軸承節(jié)點的基礎上，設計研發(fā)了一種可雙向滑移向心關節(jié)軸承節(jié)點，不僅能夠實現(xiàn)面對和面外轉動，而且具備較大的雙向滑移行程，能夠簡化建筑施工的效率和安全問題，值得進行大力推廣。

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