CN109750889A - 大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点 - Google Patents
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Abstract
本发明提供大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，包括上支座、下支座和柔性钢筋组；上支座底座位于上支座的下端部，下支座支撑座位于下支座的上端部；上支座底座的球形凸面与下支座支撑座的球形凹面之间嵌套配合连接。所述上支座与下支座通过柔性钢筋组连接起来；可以允许微小竖向、水平和转动位移，且限制结构出平面的稳定，实现承受竖向压力、拨力、水平力、弯矩、地震力和温度应力等荷载作用。利用结构自身来吸收、消耗地震带来的荷载，简化了支座节点的形式，对上部网格结构有较好的抗震、减震效果，减小复杂荷载对下部结构变形的影响，提高结构整体抗震性能。制作简单，有利于促进装配式空间结构的发展，适宜工程推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢结构支座的球铰支座技术领域，具体为大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点。
背景技术
大跨网格结构节点受力复杂，其中支座节点是连接上、下部结构并传递荷载的关键节点，它的合理设计对网格结构的安全、制作安装、工程进度、以及工程造价等都有直接影响。而且传统支座节点大部分形式复杂，传力结构不明确。
发明内容
本发明的目的在于提供大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，解决了背景技术中所提出的问题，制作简单，有利于促进装配式空间结构的发展，适宜工程推广应用。本发明的大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，主要采用柔性钢筋组连接上、下支座的新型结构形式，利用结构自身来吸收、消耗地震带来的荷载，大大简化了支座节点的形式，能承受重力、抗拨力、水平力、弯矩等复杂应力，对上部网格结构有较好的抗震、减震效果，且可减小复杂荷载对下部结构变形的影响。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，包括上支座(1)、下支座(2)和柔性钢筋组(5)；所述上支座(1)与下支座(2)通过柔性钢筋组(5)连接起来；可以允许微小竖向、水平和转动位移，且限制结构出平面的稳定，实现承受竖向压力、拨力、水平力、弯矩、地震力和温度应力等荷载作用。利用结构自身来吸收、消耗地震带来的荷载，大大简化了支座节点的形式，对上部网格结构有较好的抗震、减震效果，从而减小复杂荷载对下部结构变形的影响，明显提高结构整体抗震性能。制作简单，有利于促进装配式空间结构的发展，适宜工程推广应用。上支座底座(13)位于上支座(1)的下端部，下支座支撑座(23)位于下支座(2)的上端部；上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间嵌套配合连接。
其中，所述上支座(1)和下支座(2)通过柔性钢筋组(5)连接成为网格结构支座节点整体；相比传统复杂结构支座节点，采用柔性钢筋组(5)可以起到横向限位作用，可以承受大跨屋盖结构竖向荷载F、水平V和弯矩荷载M作用，抵抗网格结构在风荷载作用的抗拨力、传递温度应力给下部支撑结构，控制结构在地震力作用下的出平面外的倾覆位移。而且能保证大跨网格结构地震、风荷载、竖向荷载及温度应力等复杂应力作用下，发生较小的位移而不破坏结构，有效减小结构震动，保护上部大跨网结构和下部支撑体系，明显提高结构整体抗震性能。利用结构自身来吸收、消耗地震带来的荷载，大大简化了支座节点的形式，对上部网格结构有较好的抗震、减震效果，从而减小复杂荷载对下部结构变形的影响，制作简单，有利于促进装配式空间结构的发展，适宜工程推广应用。
作为优选，所述上支座(1)包括上支座顶板(11)和上支座底座(13)，所述上支座顶板(11)向下与上支座底座(13)连接成一体，且上支座顶板(11)与上支座底座(13)之间形成两个槽沟(12)，这两个槽沟(12)呈对称状地位于上支座(1)的左右两侧边；
上支座底座(13)的下侧面呈球形凸面(14)；
在这两个槽沟(12)内均设置有竖向复位弹簧(3)，这2根竖向复位弹簧(3)顶端与上支座顶板(11)底面相抵接，竖向复位弹簧(3)底端与上支座底座(13)的上侧面相抵接；
所述下支座(2)包括下支座底板(21)、下支座支撑座(23)和2个下支座耳板(22)，下支座底板(21)、下支座支撑座(23)与2个下支座耳板(22)由下往上连接成一体；2个下支座耳板(22)呈对称状地位于下支座支撑座(23)顶端两侧边；
下支座支撑座(23)的上侧面呈球形凹面(24)，这样上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间嵌套配合连接；
2个下支座耳板(22)分别由外向内地卡扣在位于上支座(1)左右两侧的两个槽沟(12)内，且2个下支座耳板(22)顶面与上支座顶板(11)底面相抵接，2个下支座耳板(22)底面与上支座底座(13)相抵接；
上支座底座(13)的两侧端(15)分别与下支座(2)上的2个下支座耳板(22)之间形成2个空腔体(25)，在这2个空腔体(25)内均设置有水平复位弹簧(4)，这2根水平复位弹簧(4)内侧端与上支座底座(13)的侧端(15)相抵接，水平复位弹簧(4)外侧端与下支座耳板(22)的内侧面相抵接。
作为优选，上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板(6)。
作为优选，在下支座耳板(22)的顶面与上支座顶板(11)底面之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板(6)。
作为优选，在下支座耳板(22)的底面与上支座底座(13)之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板(6)。
作为优选，在聚四氟乙烯板(6)中添加有石墨。即在上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间连接处间隙内石墨，这样有利于改善支座接触面材料的阻尼特性，允许上、下支座间发生微小位移和转动，具有弹性性能，可恢复到它原来的形状，能有效减小对网格结构的轴力及释放温度应力等，且可以很好地满足建筑造型、使用要求和结构多向受力等方面要求。所以可提高上支座(1)和下支座(2)之间的摩擦面耐磨性能和阻尼，提高结构的承载力和抗震性能，能承担网格结构在多向荷载作用下的弯矩，实现小的转动转动位移。
本发明中：
1、在上支座与下支座之间采用球铰支座能满足三维受力要求。大跨屋盖结构竖向承载力F作用于上支座，通过柔性钢筋组传递荷到下支座，共同组成竖向受荷部件，该支座具有较好的竖向承载力；大跨屋盖结构风荷等作用下产生的拉拔问题也通过柔性钢筋组的构造措施来实现；另一方面，柔性钢筋组能够提供一定的水平阻尼，使得此类支座能承受一定的水平荷载，具有良好的减震、隔震能力；采用柔性钢筋组进行减振，其减振机理清晰明确，结构参数稳定，且受力后具有较好的复位功能。
2、优化支座接触面的材料。网格结构在较大竖向压力作用下，对可转动球形接触面(即球形凸面(14)与球形凹面(24)之间的接触面)处会产生应力集中，随着接触压力的增加，滑动摩擦系数反而减小，在支座的球形接触处加入石墨，改善支座接触面材料的阻尼特性，一方面在适度的变形能力范围内，可以恢复到它原来的形状，具有弹性性能；另一方面是使支座接触面具有一定的抗剪能力。球形接触面间的弹性填料，可以实现结构的微小转动，能有效减小对网格结构的轴力及释放温度应力等，且可以很好地满足建筑造型、使用要求和结构多向受力等方面要求。所以可提高上支座和下支座之间的摩擦面耐磨性能和阻尼，提高结构的承载力和抗震性能。
3、按优化设计多组球铰支座节点，其中一组由四杆件组成的管板结合球铰支座节点受力如图2或图4所示，目的在于平衡汇交于支座节点处杆件内力和支座反力的复杂应力情况。优化设计的球铰支座节点具有良好的力学承载性能和抗震性，在承受重力、温度应力、地震、风、雪等多向、复杂较大载荷作用时，具有良好的强度和延性，不会因球铰支座节点破坏造成整体结构失稳，满足结构正常使用状态和极限使用状态的要求。考虑重力荷载、温度应力、风荷载、地震力综合作用，本发明球铰支座节点可承受图示压力F(重力，恒、活荷载)、拉拨力(风荷载)F’，水平力V和弯矩M。
主要针对复杂内力状态的支座结构，优化设计出一类能够满足网格结构特殊的复杂应力状态，又切实可行的便于设计制作的支座结构形式，使其能明确传递上部结构的竖向荷载、温度应力、抗拨力、弯矩等，保证上下部结构的变形协调，且能起到很好的隔震、减震效果。
研究成果不仅可为空间网格结构的球铰支座节点设计制造，促进装配式空间结构的发展，丰富了空间结构球铰支座节点的设计理论，并可推广应用于其他建筑基础及桥梁支座的抗震、隔震等，为相关技术规范规程的修订提供一定的依据。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
①球铰支座节点设计中在上支座(1)和下支座(2)通过柔性钢筋组(5)连接起来，可起到承载多向应力作用，且具有较好的复位功能；以及采用耳板构造、钢弹簧(即2根竖向复位弹簧(3)和2根水平复位弹簧(4))、以及在球形凸面(14)和以及在滑移面材料中加入石墨相结合的方式，能可靠地将上部结构的内力(压力、弯矩、拉力、水平力等)传递到下部结构，适应支座的微小转动、竖向和水平变形及复位，最主要的一点是可起到释放球铰支座节点的某些内力(温度应力、不利弯矩、水平推力等)，以避免下部主要结构处于不利的复杂应力状态的作用。
②大跨屋盖结构支座特有的竖向拉力作用下的抗拔问题通过柔性钢筋组的简单设计得以解决。优化设计的支座形式总体设计制作简单，传力途径明确，有明显的经济效益。
优化设计的网格结构的球铰支座节点，具有明显的创新性，结构形式简单，能较好地适应竖向承重、抗拨力、水平推力、温度应力、地震力等复杂应力状态，满足强度、稳定、位移、刚度的要求。随着空间结构在工程应用的增加，空间结构的球铰支座节点问题也日益突显出来，新型球铰支座节点设计不仅可以增加节点强度，提高结构整体安全性，还可以降低生产建设成本。
附图说明
图1为本发明大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点的一种具体结构示意图；
图2为图1中大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点的受力结构示意图；
图3为本发明大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点的另一种具体结构示意图；
图4为图3中大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点的受力结构示意图；
图中数字标注:上支座(1)，下支座(2)，竖向复位弹簧(3)，水平复位弹簧(4)，柔性钢筋组(5)，聚四氟乙烯板(6)，上支座顶板(11)，槽沟(12)，上支座底座(13)，球形凸面(14)，上支座底座(13)的两侧端(15)，下支座底板(21)，下支座耳板(22)，球形凹面(24)，空腔体(25)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～4，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，包括上支座1、下支座2和柔性钢筋组5；所述上支座1与下支座2通过柔性钢筋组5连接起来；可以允许微小竖向、水平和转动位移，且限制结构出平面的稳定，实现承受竖向压力、拨力、水平力、弯矩、地震力和温度应力等荷载作用。利用结构自身来吸收、消耗地震带来的荷载，大大简化了支座节点的形式，对上部网格结构有较好的抗震、减震效果，从而减小复杂荷载对下部结构变形的影响，明显提高结构整体抗震性能。制作简单，有利于促进装配式空间结构的发展，适宜工程推广应用。上支座底座13位于上支座1的下端部，下支座支撑座23位于下支座2的上端部；上支座底座13的球形凸面14与下支座支撑座23的球形凹面24之间嵌套配合连接。
如图1或图3所示，所述上支座1和下支座2通过柔性钢筋组5连接成为网格结构支座节点整体；相比传统复杂结构支座节点，采用柔性钢筋组5可以起到横向限位作用，可以承受大跨屋盖结构竖向荷载F、水平V和弯矩荷载M作用，抵抗网格结构在风荷载作用的抗拨力、传递温度应力给下部支撑结构，控制结构在地震力作用下的出平面外的倾覆位移。而且能保证大跨网格结构地震、风荷载、竖向荷载及温度应力等复杂应力作用下，发生较小的位移而不破坏结构，有效减小结构震动，保护上部大跨网结构和下部支撑体系，明显提高结构整体抗震性能。利用结构自身来吸收、消耗地震带来的荷载，大大简化了支座节点的形式，对上部网格结构有较好的抗震、减震效果，从而减小复杂荷载对下部结构变形的影响，制作简单，有利于促进装配式空间结构的发展，适宜工程推广应用。
如图3所示，所述上支座1包括上支座顶板11和上支座底座13，所述上支座顶板11向下与上支座底座13连接成一体，且上支座顶板11与上支座底座13之间形成两个槽沟12，这两个槽沟12呈对称状地位于上支座1的左右两侧边；上支座底座13的下侧面呈球形凸面14；在这两个槽沟12内均设置有竖向复位弹簧3，这2根竖向复位弹簧3顶端与上支座顶板11底面相抵接，竖向复位弹簧3底端与上支座底座13的上侧面相抵接；所述下支座2包括下支座底板21、下支座支撑座23和2个下支座耳板22，下支座底板21、下支座支撑座23与2个下支座耳板22由下往上连接成一体；2个下支座耳板22呈对称状地位于下支座支撑座23顶端两侧边；下支座支撑座23的上侧面呈球形凹面24，这样上支座底座13的球形凸面14与下支座支撑座23的球形凹面24之间嵌套配合连接；2个下支座耳板22分别由外向内地卡扣在位于上支座1左右两侧的两个槽沟12内，且2个下支座耳板22顶面与上支座顶板11底面相抵接，2个下支座耳板22底面与上支座底座13相抵接；上支座底座13的两侧端15分别与下支座2上的2个下支座耳板22之间形成2个空腔体25，在这2个空腔体25内均设置有水平复位弹簧4，这2根水平复位弹簧4内侧端与上支座底座13的侧端15相抵接，水平复位弹簧4外侧端与下支座耳板22的内侧面相抵接。
其中，上支座底座13的球形凸面14与下支座支撑座23的球形凹面24之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板6。在下支座耳板22的顶面与上支座顶板11底面之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板6。在下支座耳板22的底面与上支座底座13之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板6。在聚四氟乙烯板6中添加有石墨。即在上支座底座13的球形凸面14与下支座支撑座23的球形凹面24之间连接处间隙内石墨，这样有利于改善支座接触面材料的阻尼特性，允许上、下支座间发生微小位移和转动，具有弹性性能，可恢复到它原来的形状，能有效减小对网格结构的轴力及释放温度应力等，且可以很好地满足建筑造型、使用要求和结构多向受力等方面要求。所以可提高上支座1和下支座2之间的摩擦面耐磨性能和阻尼，提高结构的承载力和抗震性能，能承担网格结构在多向荷载作用下的弯矩，实现小的转动转动位移。
在本发明中：1、在上支座与下支座之间采用球铰支座能满足三维受力要求。大跨屋盖结构竖向承载力F作用于上支座，通过柔性钢筋组传递荷到下支座，共同组成竖向受荷部件，该支座具有较好的竖向承载力；大跨屋盖结构风荷等作用下产生的拉拔问题也通过柔性钢筋组的构造措施来实现；另一方面，柔性钢筋组能够提供一定的水平阻尼，使得此类支座能承受一定的水平荷载，具有良好的减震、隔震能力；采用柔性钢筋组进行减振，其减振机理清晰明确，结构参数稳定，且受力后具有较好的复位功能。2、优化支座接触面的材料。网格结构在较大竖向压力作用下，对可转动球形接触面(即球形凸面14与球形凹面24之间的接触面)处会产生应力集中，随着接触压力的增加，滑动摩擦系数反而减小，在支座的球形接触处加入石墨，改善支座接触面材料的阻尼特性，一方面在适度的变形能力范围内，可以恢复到它原来的形状，具有弹性性能；另一方面是使支座接触面具有一定的抗剪能力。球形接触面间的弹性填料，可以实现结构的微小转动，能有效减小对网格结构的轴力及释放温度应力等，且可以很好地满足建筑造型、使用要求和结构多向受力等方面要求。所以可提高上支座和下支座之间的摩擦面耐磨性能和阻尼，提高结构的承载力和抗震性能。3、按优化设计多组球铰支座节点，其中一组由四杆件组成的管板结合球铰支座节点受力如图2或图4所示，目的在于平衡汇交于支座节点处杆件内力和支座反力的复杂应力情况。优化设计的球铰支座节点具有良好的力学承载性能和抗震性，在承受重力、温度应力、地震、风、雪等多向、复杂较大载荷作用时，具有良好的强度和延性，不会因球铰支座节点破坏造成整体结构失稳，满足结构正常使用状态和极限使用状态的要求。考虑重力荷载、温度应力、风荷载、地震力综合作用，本发明球铰支座节点可承受图示压力F(重力，恒、活荷载)、拉拨力(风荷载)F’，水平力V和弯矩M。
主要针对复杂内力状态的支座结构，优化设计出一类能够满足网格结构特殊的复杂应力状态，又切实可行的便于设计制作的支座结构形式，使其能明确传递上部结构的竖向荷载、温度应力、抗拨力、弯矩等，保证上下部结构的变形协调，且能起到很好的隔震、减震效果。
研究成果不仅可为空间网格结构的球铰支座节点设计制造，促进装配式空间结构的发展，丰富了空间结构球铰支座节点的设计理论，并可推广应用于其他建筑基础及桥梁支座的抗震、隔震等，为相关技术规范规程的修订提供一定的依据。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，其特征在于，包括上支座(1)、下支座(2)和柔性钢筋组(5)；所述上支座(1)与下支座(2)通过柔性钢筋组(5)连接起来；上支座底座(13)位于上支座(1)的下端部，下支座支撑座(23)位于下支座(2)的上端部；上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间嵌套配合连接。
2.根据权利要求1中所述的大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，其特征在于，所述上支座(1)包括上支座顶板(11)和上支座底座(13)，所述上支座顶板(11)向下与上支座底座(13)连接成一体，且上支座顶板(11)与上支座底座(13)之间形成两个槽沟(12)，这两个槽沟(12)呈对称状地位于上支座(1)的左右两侧边；
上支座底座(13)的下侧面呈球形凸面(14)；
在这两个槽沟(12)内均设置有竖向复位弹簧(3)，这2根竖向复位弹簧(3)顶端与上支座顶板(11)底面相抵接，竖向复位弹簧(3)底端与上支座底座(13)的上侧面相抵接；
所述下支座(2)包括下支座底板(21)、下支座支撑座(23)和2个下支座耳板(22)，下支座底板(21)、下支座支撑座(23)与2个下支座耳板(22)由下往上连接成一体；2个下支座耳板(22)呈对称状地位于下支座支撑座(23)顶端两侧边；
下支座支撑座(23)的上侧面呈球形凹面(24)，这样上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间嵌套配合连接；
2个下支座耳板(22)分别由外向内地卡扣在位于上支座(1)左右两侧的两个槽沟(12)内，且2个下支座耳板(22)顶面与上支座顶板(11)底面相抵接，2个下支座耳板(22)底面与上支座底座(13)相抵接；
上支座底座(13)的两侧端(15)分别与下支座(2)上的2个下支座耳板(22)之间形成2个空腔体(25)，在这2个空腔体(25)内均设置有水平复位弹簧(4)，这2根水平复位弹簧(4)内侧端与上支座底座(13)的侧端(15)相抵接，水平复位弹簧(4)外侧端与下支座耳板(22)的内侧面相抵接。
3.根据权利要求2中所述的大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，其特征在于，上支座底座(13)的球形凸面(14)与下支座支撑座(23)的球形凹面(24)之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板(6)。
4.根据权利要求2中所述的大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，其特征在于，在下支座耳板(22)的顶面与上支座顶板(11)底面之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板(6)。
5.根据权利要求2中所述的大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，其特征在于，在下支座耳板(22)的底面与上支座底座(13)之间连接处间隙内填充有聚四氟乙烯板(6)。
6.根据权利要求3、4或5中所述的大跨网格结构多向承载、抗震球铰支座节点，其特征在于，在聚四氟乙烯板(6)中添加有石墨。
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