CN111472458B - 预应力高强同心半球固定铰支座及其安装和载荷传递方法 - Google Patents

预应力高强同心半球固定铰支座及其安装和载荷传递方法 Download PDF

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Abstract

一种预应力高强同心半球固定铰支座及其安装和载荷传递方法，该支座包括高强连接杆、凹构件、凸构件、抗拉构件、聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b，凸构件带有向上隆起的半球形凸台，半球形凸台带有内腔，内腔顶面为内圆弧面，凹构件的半球形凹槽罩在凸构件半球形凸台上，抗拉构件位于凸构件半球形凸台的内腔中，高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，且通过反向旋转凹构件和抗拉构件，使高强连接杆达到一定预应力。本发明以极具创造性的结构构成，完美的利用了同心圆转动优势和聚四氟乙烯板材料特性以及预应力技术，使其在各种受力状态均可达到约束位移的同时万向灵活转动的目的。

Description

预应力高强同心半球固定铰支座及其安装和载荷传递方法
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，特别是涉及一种预应力高强同心半球固定铰支座及其安装和载荷传递方法。
背景技术
随着社会对建筑物多功能、多样性需求的不断增长，建筑结构越来越复杂。与此同时，建筑结构领域以钢结构的灵活性和广泛适用性得到了快速发展。建筑钢结构复杂性的提高，催生了更先进的结构分析技术和更高级的结构分析工具，使结构分析技术变得更加精细化，自然的也要有与之匹配的支座连接作为边界条件。可以说，更加可靠的支座连接技术是保障建筑结构分析技术先进性的前提条件。
在复杂空间钢结构中，往往需要理想的固定铰支座，既要满足限制位移要求，又要灵活的释放转动约束。目前均采用如图1所示的钢球铰支座。这种支座，可以限制位移，但是受水平载荷和向上的拉力载荷时，往往容易卡住，不能达到灵活转动的目的。此外，该固定铰支座转动角度小，不能满足大角度转动要求。
发明内容
本发明提供一种预应力高强同心半球固定铰支座及其安装和载荷传递方法，要解决现有支座无法在不同受力状态下，实现约束位移，同时满足大角度灵活转动的技术问题；还要解决现有支座水平承载力不足的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
这种预应力高强同心半球固定铰支座，包括高强连接杆、凹构件、凸构件、抗拉构件、聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b；
所述凸构件的底面为平面，带有向上隆起的半球形凸台，并在半球形凸台周边有水平向的凸缘，半球形凸台中心带有竖向通孔，半球形凸台内侧带有内腔，内腔顶面为内圆弧面，内圆弧面和半球形凸台的外圆弧面具有相同的圆心；所述半球形凸台的内腔底部有水平向的封板；
凹构件的顶面为平面，凹构件带有朝下的半球形凹槽，凹构件的半球形凹槽罩在凸构件半球形凸台上，半球形凸台与半球形凹槽之间垫有聚四氟乙烯板a；凹构件底部在半球形凹槽周边带有水平向的底边，凹构件的底边与凸构件的凸缘之间留有间距S1；
所述抗拉构件位于凸构件半球形凸台的内腔中，抗拉构件的上部为球冠，球冠与半球形凸台的内圆弧面之间垫有聚四氟乙烯板b；抗拉构件的下部为圆柱，抗拉构件的圆柱侧面与半球形凸台的内腔侧壁之间留有间距S3；
所述高强连接杆将凹构件和抗拉构件连接成整体，高强连接杆上部连接在凹构件的竖向中心轴处，高强连接杆中部穿过凸构件的半球形凸台中心的竖向通孔，高强连接杆与竖向通孔的孔壁之间有间距S2，高强连接杆下部连接在抗拉构件的竖向中心轴处；
所述高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，高强连接杆为预应力构件，预应力通过反向旋转凹构件和抗拉构件得到；
所述聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b具有相同的圆心c。
进一步，所述凹构件的顶部横截面为矩形或圆形。
进一步，凸构件的底部由封板封闭形成内腔。
进一步，所述高强连接杆、凹构件和抗拉构件为金属构件；所述凸构件为金属构件。
这种预应力高强同心半球固定铰支座的安装方法，安装步骤如下：
步骤1、将高强连接杆与抗拉构件相连；
步骤2、将抗拉构件和高强连接杆的组合置于凸构件的内腔中，并将高强连接杆穿过凸构件的竖向通孔；
步骤3、将凹构件与高强连接杆相连，由此高强连接杆、凹构件、抗拉构件连为整体；
步骤4、施加预应力，将凹构件和抗拉构件反向旋转，并形成预应力状态；
步骤5、将封板与凸构件相连，封闭凸构件的内腔。
进一步，步骤5之后，可在凹构件的底边与凸构件的凸缘之间缝隙处连接至少四个沿圆周分布的稳定片，以保证支座安装前构件的稳定，支座安装后切除稳定片。
这种预应力高强同心半球固定铰支座的载荷传递方法，具体如下：
首先形成构件初始状态；
凹构件和凸构件之间的聚四氟乙烯板a传递径向压力；
抗拉构件和凸构件之间的聚四氟乙烯板b传递径向压力；
高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，通过反向旋转凹构件和抗拉构件，使高强连接杆达到一定预拉力，此预拉力通过聚四氟乙烯板a和b以压应力的形式传递给凸构件，聚四氟乙烯板a和b的压力合力相同，均为F；
以下分析均以初始状态条件为前提；
（1）支座受Y向压力时，凹构件和凸构件有相向运动趋势，通过凹构件和凸构件之间的聚四氟乙烯板a传递径向压力，由此限制y向压力位移；
（2）支座受Y向拉力时，高强连接杆、凹构件、凸构件、抗拉构件共同受力，此时凹构件和抗拉构件通过高强连接杆连为整体，高强连接杆、凹构件、抗拉构件有相同的y正向运动趋势；此时，外拉力通过聚四氟乙烯板b以压应力形式传递给凸构件，由此限制y向拉力位移；
（3）设凸构件固定，凹构件受x向正向外力Px；
情况1：Px较小，Px与聚四氟乙烯板b初始状态压力F的合力方向指向圆心c；
此时，聚四氟乙烯板b受径向压力，凹构件无切向运动趋势，由此限制x向位移；
情况2：Px较大，Px与聚四氟乙烯板b初始状态压力F的合力方向不指向圆心c，其合力方向随着Px的增大无限接近Px的方向，凹构件在聚四氟乙烯板b处有切向运动趋势；
此时，凹构件有x向正向运动趋势，由凹构件和凸构件的界面形状特性得知，凹构件具有x向正向运动趋势的同时必然具有y向正向运动趋势，此时抗拉构件与凹构件相同具有y向正向运动趋势，此时由于凸构件固定，凸构件和抗拉构件在y向具有反向运动趋势，凸构件和抗拉构件之间的聚四氟乙烯板b传递径向压力，因此，高强连接杆、凹构件、抗拉构件无法向y正向运动，因此凹构件无法向x正向运动，由此达到限制x向位移的目的；
（4）所述支座在转动状态下，聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b具有相同圆心c，由聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b特性可知，聚四氟乙烯板只能传递径向压力，切向可滑动，且聚四氟乙烯板承受压力时依然可以切向滑动，由该特性可知，该支座无论受压或受拉，高强连接杆、凹构件、抗拉构件的整体均可与凸构件绕圆心c呈反向自由转动状态。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明完美的利用了同心圆转动优势和聚四氟乙烯板材料特性以及预应力技术，结合极具创造性的结构构成，使其在各种受力状态均可达到约束位移的同时万向灵活转动的目的，很好的的解决了常规做法的各种弊端。此外，预应力技术很好的改善了该支座水平受力状态，使其在多数情况下均以聚四氟乙烯板b处直接受压力的方式达到限制位移的目的，进一步提高了水平承载力。
附图说明
图1是现有固定铰支座的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是高强连接杆、凹构件和抗拉构件的连接示意图。
图4是凸构件的结构示意图。
图5是本发明的立体结构示意图。
附图标记：1-高强连接杆，2-凹构件，2.1-半球形凹槽，2.2-底边，3-凸构件，3.1-半球形凸台，3.2-凸缘，3.3-外圆弧面，3.4-内圆弧面，3.5-竖向通孔，4-抗拉构件，5-聚四氟乙烯板a，6-聚四氟乙烯板b，7-封板，8-稳定片。
具体实施方式
如图2-5所示，本发明的这种同心半球固定铰支座，包括高强连接杆1、凹构件2、凸构件3、抗拉构件4、聚四氟乙烯板a5和聚四氟乙烯板b6。
如图2、图4所示，所述凸构件3的底面为平面，带有向上隆起的半球形凸台3.1，并在半球形凸台周边有水平向的凸缘3.2；半球形凸台3.1中心带有竖向通孔3.5，半球形凸台3.1内侧带有内腔，内腔顶面为内圆弧面3.4，内圆弧面3.4和半球形凸台的外圆弧面3.3具有相同的圆心c。所述半球形凸台3.1的内腔底部有水平向的封板7，凸构件的底部由封板封闭形成内腔。
如图2、图3所示，所述凹构件2的顶面为平面，顶部横截面可为矩形、圆形，也可为其他形状。凹构件2带有向下的半球形凹槽2.1，凹构件2的半球形凹槽2.1罩在凸构件3半球形凸台3.1上，半球形凸台3.1与半球形凹槽2.1之间垫有聚四氟乙烯板a；凹构件底部在半球形凹槽2.1周边带有水平向的底边2.2；凹构件的底边2.2与凸构件的凸缘3.2之间留有间距S1。
如图2、图3所示，所述抗拉构件4位于凸构件3半球形凸台3.1的内腔中，抗拉构件4的上部为球冠，球冠与半球形凸台的内圆弧面3.4之间垫有聚四氟乙烯板b；抗拉构件4的下部为圆柱，抗拉构件4的圆柱侧面与半球形凸台3.1的内腔侧壁之间留有间距S3。
如图2、图3所示，所述高强连接杆将凹构件2和抗拉构件4连接成整体。高强连接杆1上部连接在凹构件2的竖向中心轴处，高强连接杆1中部穿过凸构件3的半球形凸台中心的竖向通孔3.5，高强连接杆1与竖向通孔3.5的孔壁之间有间距S2，高强连接杆1下部连接在抗拉构件4的竖向中心轴处。
所述高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，高强连接杆为预应力构件，预应力通过反向旋转凹构件和抗拉构件得到。高强连接杆也可以采用其他施加预应力的方法。
所述高强连接杆、凹构件、抗拉构件为钢构件，也可以为满足强度要求的其他金属材质的构件。高强连接杆所达到的预应力大小在实际工程中由构件的材质以及构件的尺寸等条件经过具体计算得到。所述凸构件为金属构件，也可以为满足强度要求的其他材质的构件。
这种预应力高强同心半球固定铰支座的安装方法，安装步骤如下：
步骤1、将高强连接杆1与抗拉构件4相连；
步骤2、将抗拉构件4和高强连接杆1的组合置于凸构件3的内腔中，并将高强连接杆1穿过凸构件3的竖向通孔；
步骤3、将凹构件2与高强连接杆1相连，由此高强连接杆1、凹构件2、抗拉构件连为整体；
步骤4、施加预应力，将凹构件2和抗拉构件4反向旋转，并形成预应力状态；
步骤5、将封板7与凸构件3相连，封闭凸构件的内腔。
步骤5之后，可在凹构件2的底边与凸构件3的凸缘之间缝隙处连接至少四个沿圆周分布的稳定片8，以保证支座安装前构件的稳定，支座安装后切除稳定片8。参见图2所示。
这种预应力高强同心半球固定铰支座的载荷传递方法，具体如下：
首先形成构件初始状态；
凹构件和凸构件之间的聚四氟乙烯板a传递径向压力；
抗拉构件和凸构件之间的聚四氟乙烯板b传递径向压力；
高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，通过反向旋转凹构件和抗拉构件，使高强连接杆达到一定预拉力，此预拉力通过聚四氟乙烯板a和b以压应力的形式传递给凸构件，聚四氟乙烯板a和b的压力合力相同，均为F；
以下分析均以初始状态条件为前提；
（1）支座受Y向压力时，凹构件和凸构件有相向运动趋势，通过凹构件和凸构件之间的聚四氟乙烯板a传递径向压力，由此限制y向压力位移；
（2）支座受Y向拉力时，高强连接杆、凹构件、凸构件、抗拉构件共同受力，此时凹构件和抗拉构件通过高强连接杆连为整体，高强连接杆、凹构件、抗拉构件有相同的y正向运动趋势；此时，外拉力通过聚四氟乙烯板b以压应力形式传递给凸构件，由此限制y向拉力位移；
（3）设凸构件固定，凹构件受x向正向外力Px；
情况1：Px较小，Px与聚四氟乙烯板b初始状态压力F的合力方向指向圆心c；
此时，聚四氟乙烯板b受径向压力，凹构件无切向运动趋势，由此限制x向位移；
情况2：Px较大，Px与聚四氟乙烯板b初始状态压力F的合力方向不指向圆心c，其合力方向随着Px的增大无限接近Px的方向，凹构件在聚四氟乙烯板b处有切向运动趋势；
此时，凹构件有x向正向运动趋势，由凹构件和凸构件的界面形状特性得知，凹构件具有x向正向运动趋势的同时必然具有y向正向运动趋势，此时抗拉构件与凹构件相同具有y向正向运动趋势，此时由于凸构件固定，凸构件和抗拉构件在y向具有反向运动趋势，凸构件和抗拉构件之间的聚四氟乙烯板b传递径向压力，因此，高强连接杆、凹构件、抗拉构件无法向y正向运动，因此凹构件无法向x正向运动，由此达到限制x向位移的目的；
（4）所述支座在转动状态下，聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b具有相同圆心c，由聚四氟乙烯板a和聚四氟乙烯板b特性可知，聚四氟乙烯板只能传递径向压力，切向可滑动，且聚四氟乙烯板承受压力时依然可以切向滑动，由该特性可知，该支座无论受压或受拉，高强连接杆、凹构件、抗拉构件的整体均可与凸构件绕圆心c呈反向自由转动状态。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种预应力高强同心半球固定铰支座，其特征在于：包括高强连接杆、凹构件、凸构件、抗拉构件、半球形聚四氟乙烯板a和球冠形聚四氟乙烯板b；
所述凸构件的底面为平面，带有向上隆起的半球形凸台，并在半球形凸台周边有水平向的凸缘，半球形凸台中心带有竖向通孔，半球形凸台内侧带有内腔，内腔顶面为内圆弧面，内圆弧面和半球形凸台的外圆弧面具有相同的圆心；所述凸构件的底部由封板封闭形成内腔；
凹构件的顶面为平面，凹构件带有朝下的半球形凹槽，凹构件的半球形凹槽罩在凸构件半球形凸台上，半球形凸台与半球形凹槽之间垫有半球形聚四氟乙烯板a；凹构件底部在半球形凹槽周边带有水平向的底边，凹构件的底边与凸构件的凸缘之间留有间距S1；
所述抗拉构件位于凸构件半球形凸台的内腔中，抗拉构件的上部为球冠，球冠与半球形凸台的内圆弧面之间垫有球冠形聚四氟乙烯板b；抗拉构件的下部为圆柱，抗拉构件的圆柱侧面与半球形凸台的内腔侧壁之间留有间距S3；
所述高强连接杆将凹构件和抗拉构件连接成整体，高强连接杆上部连接在凹构件的竖向中心轴处，高强连接杆中部穿过凸构件的半球形凸台中心的竖向通孔，高强连接杆与竖向通孔的孔壁之间有间距S2，高强连接杆下部连接在抗拉构件的竖向中心轴处；
所述高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，凹构件和抗拉构件的竖向中心轴处设有螺纹孔，高强连接杆为预应力构件，预应力通过反向旋转凹构件和抗拉构件得到；
所述半球形聚四氟乙烯板a和球冠形聚四氟乙烯板b具有相同的圆心c，所述圆心c位于凸构件底面中心处。
2.根据权利要求1所述的一种预应力高强同心半球固定铰支座，其特征在于：所述凹构件的顶部横截面为矩形或圆形。
3.根据权利要求1所述的一种预应力高强同心半球固定铰支座，其特征在于：所述封板与抗拉构件之间留有间距。
4.根据权利要求1所述的一种预应力高强同心半球固定铰支座，其特征在于：所述高强连接杆、凹构件和抗拉构件为金属构件；所述凸构件为金属构件。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述预应力高强同心半球固定铰支座的安装方法，其特征在于安装步骤如下：
步骤1、将高强连接杆与抗拉构件相连；
步骤2、将抗拉构件和高强连接杆的组合置于凸构件的内腔中，并将高强连接杆穿过凸构件的竖向通孔；
步骤3、将凹构件与高强连接杆相连，由此高强连接杆、凹构件、抗拉构件连为整体，
步骤4、施加预应力，将凹构件和抗拉构件反向旋转，并形成预应力状态；
步骤5、将封板与凸构件相连，封闭凸构件的内腔。
6.根据权利要求5所述的预应力高强同心半球固定铰支座的安装方法，其特征在于：步骤5之后，在凹构件的底边与凸构件的凸缘之间缝隙处连接至少四个沿圆周分布的稳定片，以保证支座安装前构件的稳定，支座安装后切除稳定片。
7.一种如权利要求1-4任意一项所述预应力高强同心半球固定铰支座的载荷传递方法，其特征在于：
首先形成构件初始状态；
凹构件和凸构件之间的半球形聚四氟乙烯板a传递径向压力；
抗拉构件和凸构件之间的球冠形聚四氟乙烯板b传递径向压力；
高强连接杆与凹构件和抗拉构件采用螺纹连接，通过反向旋转凹构件和抗拉构件，使高强连接杆达到一定预拉力，此预拉力通过半球形聚四氟乙烯板a和球冠形聚四氟乙烯板b以压应力的形式传递给凸构件，半球形聚四氟乙烯板a和球冠形聚四氟乙烯板b的压力合力相同，均为F；
以下分析均以初始状态条件为前提；
（1）支座受Y向压力时，凹构件和凸构件有相向运动趋势，通过凹构件和凸构件之间的半球形聚四氟乙烯板a传递径向压力，由此限制y向压力位移；
（2）支座受Y向拉力时，高强连接杆、凹构件、凸构件、抗拉构件共同受力，此时凹构件和抗拉构件通过高强连接杆连为整体，高强连接杆、凹构件、抗拉构件有相同的y正向运动趋势；此时，外拉力通过球冠形聚四氟乙烯板b以压应力形式传递给凸构件，由此限制y向拉力位移；
（3）设凸构件固定，凹构件受x向正向外力Px；
情况1：Px较小，Px与球冠形聚四氟乙烯板b初始状态压力F的合力方向指向圆心c；
此时，球冠形聚四氟乙烯板b受径向压力，凹构件无切向运动趋势，由此限制x向位移；
情况2：Px较大，Px与球冠形聚四氟乙烯板b初始状态压力F的合力方向不指向圆心c，其合力方向随着Px的增大无限接近Px的方向，凹构件在球冠形聚四氟乙烯板b处有切向运动趋势；
此时，凹构件有x向正向运动趋势，由凹构件和凸构件的界面形状特性得知，凹构件具有x向正向运动趋势的同时必然具有y向正向运动趋势，此时抗拉构件与凹构件相同具有y向正向运动趋势，此时由于凸构件固定，凸构件和抗拉构件在y向具有反向运动趋势，凸构件和抗拉构件之间的球冠形聚四氟乙烯板b传递径向压力，因此，高强连接杆、凹构件、抗拉构件无法向y正向运动，因此凹构件无法向x正向运动，由此达到限制x向位移的目的；
（4）所述支座在转动状态下，半球形聚四氟乙烯板a和球冠形聚四氟乙烯板b具有相同圆心c，由半球形聚四氟乙烯板a和球冠形聚四氟乙烯板b特性可知，聚四氟乙烯板只能传递径向压力，切向可滑动，且聚四氟乙烯板承受压力时依然可以切向滑动，由该特性可知，该支座无论受压或受拉，高强连接杆、凹构件、抗拉构件的整体均可与凸构件绕圆心c呈反向自由转动状态。
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