幕后英雄赞支座模型及受力分析

发布于：2015-09-25 14:03:25 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

建筑是凝固的音乐，尤其文化体育场馆，多为钢结构体系重量轻跨度大，造型优美、异彩纷呈。
结构主体的光彩夺目，却少不了配角——支座的任劳任怨，工程上将支承和传力的装置称为支座。幕后英雄虽然小不起眼、默默无闻，但是，重任在肩缺一不可。受力分析错误、设计不合理或支座选用不当，都可能造成整体结构失效的严重后果。
一、支座的工作和性能：
—— 传递荷载
将上部结构的荷载通过支座集中传递给下部结构，按受力性能可分为：
(1)固定铰支座：仅适应结构支承端转动,可承受任意方向力,但不能承受弯矩；
（2）活动铰支座：既能承受支承端转动，也能作水平移动。限于承受竖向力（不承受水平力或弯矩）。
（3）固定支坐，支承端不能转动或移动，可承受弯矩或各方向力。
——释放内应力
温度变化、基础沉降、风雪荷载等环境影响，导致结构出现附加应力而产生变形、位移。支座的作用，就是让结构主体在外在因素作用下可以自由变形。否则，如果聚集的内应力无法得到释放，直接影响下部支承结构（混凝土柱、梁）的正常工作。
例如：支座只传递集中力，从而释放水平剪力，不会将弯矩传递给下部结构。以免在柱底产生过大弯矩。
——其他功能
计算模型是理想铰连接，实际支座不可能是理想铰，且几种力学分析（刚体力学、变形体力学、柔性体力学）混用，其误差较大、甚至矛盾。支座设计应补偿这些误差。使力学建模的结构计算结果误差为最小。
主体结构在制造、安装阶段，会产生标高、尺寸、角度、平整度的误差，这些误差也有待通过支座予以消除。
其它还有减振作用，如车辆、大风引起的振动等，通过减振系统降低峰值振动力；以及双向大位移、自润滑系统、阻尼消能等等。
二、支座模型及受力分析

结构受力是按力学模型来进行计算的，因此，支座受力假定（边界条件）应明确清晰，不能模棱两可。例如：压力还是拉力（拔力），或者X、Y方向不同组合的剪力、位移量、转角量、精度等等。
支座假定依据其性能大致分为三大类，即固定支座、弹性支座和滑动支座。
周边支承网架的支座，可假定其为法向侧移、切向及竖向固定的铰接支座。
边界条件要具体分析，例如：拱的两端具有水平推力，而曲梁即便具有拱的形状，但支座边界条件完全不同，两端分布为铰支座和滑动支座。
简支梁一端铰支座，另一端则为滑动支座。网架也是如此，不能让所有支座都假定为双向滑动，这样导致整个网架处于浮动状态，而无法承受任何水平力。
三、支座的类型和特点
根据受力状况和边界条件设置相应的支座节点，则有压力支座和拉力支座，以及剪力支座、拉压弯剪复合支座等。
压力支座用途广品种多，包括平板压力支座（铰支承，微量移动、转动）、单面弧线压力支座（不动圆柱铰支承，沿弧面单向转动）、双面弧线压力支座、球铰压力支座（不动球铰支承，双向转动）、板式橡胶支座（可动铰支承，转动、移动）等等。
拉力支座有：平板拉力支座、单面弧形拉力支座等等。
在竖向荷载作用下，网架支座节点一般都是受压，某些特殊情况也可能受拉。
四、支座的安装和使用
支座的安装分为螺栓锚固和焊接锚固，另外，还有由节点直接做成的支座。
螺栓安装操作简单，但对工厂加工及工地预留的螺孔位置要求准确，否则影响安装。
现场焊接比较方便，但支座的受热温度应当控制，当支座内含有橡胶时，温度应控制的更低一些。
支座安装时，注意上部结构重心应与支座重心重合，尤其是大位移量支座，切勿因位移造成支座压偏，以免损坏支座的位移结构。

附录：
后起之秀——球冠支座

目前尚未纳入规范的新型支座，北京交通大学徐国彬教授研究的产品具有独立知识产权，广泛应用于建筑、铁路、公路桥梁等行业。
球冠支座由上盖、中芯、下座组成，三者之间放置四氟乙烯滑板以减小摩擦力。当球冠支座的转动中心与结构实体转动中心重合时，中芯凸面与弧形四氟板之间产生滑动，支座进入转动工作状况。当二个中心不重合时，在结构实体的约束下，上板与中芯四氟板之间的不锈钢片成了第二滑动面（即平移面），支座进入球面转动与平面移动同时出现的工况。

这种支座最大优点在于反力集中、受力明确，达到理论分析计算与实际受力的一致性。由于采用运动力学原理来解决平移与转动两个运动，从而实现支座的转动中心与结构转动中心完全重合，避免产生任何附加应力或附加弯矩。
必须注意，球冠支座上中下的位置不能反过来使用，因为中芯只有处于下板的凹坑内，才能符合稳定平衡条件。
总结特点如下：
⑴ 与其它类型支座比较，在承载力相同时，球冠支座体积更小、重量更轻。
⑵ 通过球面传力，下部结构（柱）受力均匀。
⑶ 可万向转动，特别适合转动方向不易明确的空间大跨度结构。
⑷ 采用聚四氟乙烯PTFE板承压，摩擦系数小、耐老化。
⑸ 耐低温可达-150摄氏度，保证了支座的转动灵活，且无方向性。设计转角可满足用户要求（达0.04 rad）。