CN113445441B - 一种限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，包括上弧面支撑体和下弧面支撑体；所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体弧面相对并通过限位件连接，所述上弧面支撑体通过上端板与柱体连接，所述下弧面支撑体通过下端板连接至基础；所述限位件包括螺杆、缓冲弹簧、筒形垫层和螺母，所述螺杆穿过所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体对接处的开孔并用所述螺母紧固，所述筒形垫层套设在所述螺杆外侧，所述缓冲弹簧安置在所述筒形垫层和所述螺杆之间的容置空间内。本申请的限幅万向转动铰支座可以实现限幅万向转动，构造简单，便于运输、施工、维修及调整，可进行快速装配与批量化应用，适用于各种柔性防护支撑部件的铰接支座。

Description

一种限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座
技术领域
本发明属于钢结构、地灾防护系统技术领域，涉及一种柔性防护系统钢柱铰接支座。
技术背景
柔性防护系统是一种常用的拦截落石、塌方，保护道路交通安全及生命财产安全的防护结构。在功能性方面，其具有良好的变形及耗能能力，能够极大地减小落石对结构的冲击，有效地防护落石、塌方等地质灾害；在实用性方面，其结构轻盈，构件体积小，能灵活适应不同的场地条件，且方便构件的维护及更换。
在柔性防护系统的支撑系统的装配过程中，构件的连接是一大难题。构件设计时的考虑不周，制造、加工的误差，运输、施工时导致的构件变形等会极大地增加装配难度，并会使节点产生不同程度的初始应力，导致结构可靠度的降低。更严重的，出现某个构件需要重新设计、制造的情况。此类问题对于铰接节点的影响尤为严重，轻则会降低结构的稳定性，降低结构的防护能力，重则会使结构出现设计工况外的破坏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座。能够实现柱脚万向转动，并可通过调节限位件中的弹簧与筒形垫层设计值而实现对转角幅度进行限制，大幅减小半刚性柱脚位置传递的弯矩，避免钢柱节点发生弯曲、翘曲破坏。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，包括上弧面支撑体和下弧面支撑体；
所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体弧面相对并通过限位件连接，所述上弧面支撑体通过上端板与柱体连接，所述下弧面支撑体通过下端板连接至基础；
所述限位件包括双头螺杆、缓冲弹簧、筒形垫层和螺母，所述双头螺杆穿过所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体对接处的开孔并用所述螺母紧固，所述筒形垫层套设在所述双头螺杆外侧，所述缓冲弹簧安置在所述筒形垫层和所述双头螺杆之间的容置空间内；
所述铰接支座的转动角度θ限幅范围θmin～θmax，依据下列公式进行设计计算：
θmin≤θ≤θmax
转动角度幅度最小值由以下公式确定：
C1＝D-d-2t2
θmin＝arctan(C1/l)
转动角度幅度最大值由以下公式确定：
C2＝D-d-2t2(1-σr/E)
θmax＝arctan(C2/l)
式中θmin、θmax分别为转动幅度最小值、最大值，筒形垫层厚度为t2，单位为mm，双头螺杆直径为d，单位为mm，双头螺杆两端螺母之间的净长度为l，单位为mm，上弧面支撑体和下弧面支撑体的开孔直径为D，单位为mm，σr为筒形垫层受到的径向压应力，E为橡胶材料弹性模量，C1，C2为计算中间变量。
进一步地，还包括：倾角仪；
所述倾角仪安装在柱体端部位置，与柱体轴线方向平行，倾角仪的采样频率不低于10Hz。
进一步地，还包括：上弧面加劲板和下弧面加劲板；
所述上弧面加劲板和下弧面加劲板分别固定在所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体的凹面空间内。
进一步地，所述筒形垫层是橡胶材质，且弹性模量不低于2GPa。
进一步地，所述上端板、下端板的中心位置设置有操作孔，边缘位置设置连接螺杆。
进一步地，所述上弧面支撑体和下弧面支撑体分别由两片开孔弧形钢板制成，所述上弧面支撑体和下弧面支撑体背对背十字交叉设置，并在开孔位置对齐，开孔尺寸与限位件直径相适配。
进一步地，所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体厚度由以下公式确定：
Figure GDA0003698498650000031
其中，t1为所述上弧面支撑体和所述下弧面支撑体的弧面板厚度中的较小值，单位为mm；
Figure GDA0003698498650000032
为上部传递的轴向荷载设计值，单位为N；d为双头螺杆直径，单位为mm；
Figure GDA0003698498650000033
为上、下支撑体的抗剪强度设计值，单位为N/mm2。
进一步地，所述限位件中双头螺杆的直径取式中d1、d2及d3的最大值：
基于抗剪强度值计算双头螺杆直径：
Figure GDA0003698498650000041
基于承压强度值计算双头螺杆直径：
Figure GDA0003698498650000042
基于抗拉强度值计算双头螺杆直径：
Figure GDA0003698498650000043
式中d1、d2及d3为双头螺杆直径，单位为mm；
Figure GDA0003698498650000044
为双头螺杆的受剪承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000045
为双头螺杆的承压承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000046
为双头螺杆的受拉承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000047
为双头螺杆抗剪强度设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000048
为双头螺杆承压强度设计值，单位为N/mm2，
Figure GDA0003698498650000049
为双头螺杆抗拉强度设计值，单位为N/mm2；此外应按下式复核兼受剪拉的荷载组合：
Figure GDA00036984986500000410
其中，式中Nv、Nt为双头螺杆实际承受的剪力及拉力，单位为N/mm2；
Figure GDA00036984986500000411
进一步地，上弧面加劲板或下弧面加劲板沿操作孔对称布置，上弧面加劲板或下弧面加劲板的数量由下公式确定：
Figure GDA00036984986500000412
式中n为加劲板数量，N为柱脚上部设计荷载值，单位为N；α为荷载安全系数；da为加劲板最大截面尺寸，单位为mm；h为加劲板厚度，单位为mm；fy为加劲板抗压强度设计值，单位为N/mm2。
相比于现有技术，本发明取得了以下有益技术效果：
(1)本发明能够适应绝大部分构件制造、加工造成的制造误差及运输、施工时导致的构件变形，减小其对结构可靠度的影响。
(2)本发明通过上、下弧面支撑体实现节点的万向转动。
(3)本发明可通过调整在支撑体凹侧焊接的加劲件灵活调整节点的强度和刚度。
(4)本发明通过限位件和上、下弧面支撑体的协同作用，可灵活控制转动幅度。
(5)本发明提供的柔性节点的制作加工不依赖模具，适合现场制作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中的限幅万向铰接支座示意图。
图2为本发明中的上部柱体及倾角仪安装构造图；
图3为本发明中的上、下弧面支撑体构造图；
图4为本发明中的上、下弧面支撑体连接图；
图5为本发明中的限位件中螺杆、筒形垫层、缓冲弹簧构造图。
图6为本发明中的限幅角度示意图。
图中：1-柱体，2-倾角仪，3-柱脚加劲肋，4-上弧面加劲板，5-上弧面支撑体，6-上端板，7-限位件，8-下弧面支撑体，9-下端板，10-螺母，11-双头螺杆，12-筒形垫层，13-缓冲弹簧，14-限幅转动角度，15-下弧面加劲板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本申请的一种适用于柔性防护系统支撑柱的限幅万向转动铰接支座，应用于柔性防护系统中，包括上弧面支撑体5、下弧面支撑体8，上弧面加劲板4，限位件7，连接件，上端板6、下端板9，所述上弧面支撑体5、下弧面支撑体8由两片开孔弧形钢板制成，所述加劲件为与弧面支撑体凹侧形状相同的加劲板，所述限位件7包括双头螺杆11、缓冲弹簧13、筒形垫层12和螺母10，双头螺杆11用于对上、下弧面支撑体形成限位连接，筒形垫层可由橡胶制作，用于保护双头螺杆，螺母10用于紧固双头螺杆11，限位件7限制了上部柱体1过大幅度的转动，保持限幅万向转动铰接支座的稳定状态。
双头螺杆11用于支座安装、连接上部支撑柱与下部基础，上、下端板在中心位置开孔，形成支座外部空间与内部空间通道，便于安装双头螺杆11，调整螺母10。此限幅万向转动铰接支座可以实现限幅万向转动，构造简单，便于运输、施工、维修及调整，可进行快速装配与批量化应用，适用于各种柔性防护支撑部件的铰接支座。
具体实施方式如下：
轴向拉力荷载设计值为500kN，剪切设计荷载为80kN，双头螺杆不承受压力荷载。钢柱材料以Q235为例，实际不限于Q235，则所述上、下弧面支撑体厚度由以下公式确定：
Figure GDA0003698498650000071
其中，t1为上、下支撑体弧面板厚度中的较小值，单位为mm；
Figure GDA0003698498650000072
为上部传递的轴向荷载设计值，单位为N；d为双头螺杆直径，单位为mm；
Figure GDA0003698498650000073
为上、下支撑体的抗剪强度，单位为N/mm2；
所述的上弧面支撑体5与下弧面支撑体8背对背放置，并在开孔位置对齐；
所述的上弧面加劲板4、下弧面加劲板15分别与上弧面支撑体5、下弧面支撑体8紧密焊接；
双头螺杆11穿过上弧面支撑体5、下弧面支撑体8的开孔，用螺母10紧固双头螺杆11与上弧面支撑体5和下弧面支撑体8；
上端板6、下端板9分别与上弧面支撑体5、下弧面支撑体8焊接；
所述限位件中双头螺杆11的直径由以下公式中d1及d3的较大值确定：
基于抗剪强度值计算双头螺杆直径：
Figure GDA0003698498650000074
基于抗拉强度值计算双头螺杆直径：
Figure GDA0003698498650000075
式中d1及d3为双头螺杆直径，单位为mm；
Figure GDA0003698498650000076
为双头螺杆的受剪承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000077
为双头螺杆的受拉承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000078
为双头螺杆抗剪强度设计值，单位为N/mm2；
Figure GDA0003698498650000079
为双头螺杆承压强度设计值，单位为N/mm2，
Figure GDA00036984986500000710
为双头螺杆抗拉强度设计值，单位为N/mm2；因此可取双头螺杆直径为21mm。
此外，对于兼受剪拉荷载组合作用下的双头螺杆，应按下式复核情况：
Figure GDA0003698498650000081
Figure GDA0003698498650000082
式中Nv、Nt为双头螺杆实际承受的剪力及拉力，单位为N/mm2，设计结果满足强度要求。
所述的倾角仪2，倾角仪2安装在柱端位置，与柱体1轴线方向平行，可按精度要求设置不同规格倾角仪，倾角仪采样频率不低于10Hz；倾角仪用于对柱脚转动角度进行实时监测。
所述的双头螺杆11外侧与上弧面支撑体5、下弧面支撑体8接触位置设置筒形垫层，优选地，该筒形垫层可以是筒形垫层12，其橡胶材料的弹性模量不低于2GPa。
所述的筒形垫层与双头螺杆11之间设置缓冲弹簧13；上端板6、下端板9的中心位置设置有操作孔。
上弧面加劲板4或下弧面加劲板15分别沿操作孔对称布置，上弧面加劲板4或下弧面加劲板15的数量由以下公式确定：
Figure GDA0003698498650000083
其中，n为加劲板数量，N为柱脚上部设计荷载值，单位为N，α为荷载安全系数；da为加劲板最大截面尺寸，单位为mm；h为加劲板厚度，单位为mm；fy为加劲板抗压强度设计值，单位为N/mm2。加劲板数量计算结果按向上取整原则进行确定，例如，在本实施例中，计算结果n＝5.1，实际取值为n＝6。
转动角度幅度最小值由以下公式确定：
C1＝D-d-2t2＝50mm-20mm-2×15mm＝0
θmin＝arctan(C1/l)＝arctan(0)＝0°
转动角度幅度最大值由以下公式确定：
C2＝D-d-2t2(1-σr/E)＝50mm-20mm-2×15mm×(1-1/2.25)
＝13.33mm
θmax＝arctan(C2/l)＝arctan(13.33/60)＝12.5°
式中θmin、θmax为转动幅度最小值、最大值，筒形垫层厚度为t2，双头螺杆直径为d，双头螺杆两端螺母之间的净长度为l，上、下弧面支撑体开孔直径为D，σr为筒形垫层受到的径向压应力，E为橡胶材料弹性模量2.25GPa，C1，C2为计算中间变量。
据此可得转动角度θ限幅范围为
0°≤θ≤12.5°
此支座能够适应绝大部分的钢结构模型制造及施工误差，具有可靠的限幅能力，制造方便，参数调整灵活，方便更换与维护，同时能够有效解决由于构件制造误差及结构变形导致的装配困难问题。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，包括上弧面支撑体(5)和下弧面支撑体(8)；
所述上弧面支撑体(5)和所述下弧面支撑体(8)弧面相对并通过限位件(7)连接，所述上弧面支撑体(5)通过上端板(6)与柱体(1)连接，所述下弧面支撑体(8)通过下端板(9)连接至基础；
所述限位件(7)包括双头螺杆(11)、缓冲弹簧(13)、筒形垫层(12)和螺母(10)，所述双头螺杆(11)穿过所述上弧面支撑体(5)和所述下弧面支撑体(8)对接处的开孔并用所述螺母(10)紧固，所述筒形垫层(12)套设在所述双头螺杆(11)外侧，所述缓冲弹簧(13)安置在所述筒形垫层(12)和所述双头螺杆(11)之间的容置空间内；
所述铰接支座的转动角度θ限幅范围θmin～θmax，依据下列公式进行设计计算：
θmin≤θ≤θmax
转动角度幅度最小值由以下公式确定：
C1＝D-d-2t2
θmin＝arctan(C1/l)
转动角度幅度最大值由以下公式确定：
C2＝D-d-2t2(1-σr/E)
θmax＝arctan(C2/l)
式中θmin、θmax分别为转动幅度最小值、最大值，筒形垫层厚度为t2，单位为mm，双头螺杆(11)直径为d，单位为mm，双头螺杆两端螺母之间的净长度为l，单位为mm，上弧面支撑体(5)和下弧面支撑体(8)的开孔直径为D，单位为mm，σr为筒形垫层受到的径向压应力，E为橡胶材料弹性模量，C1，C2为计算中间变量。
2.根据权利要求1所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，还包括：倾角仪(2)；
所述倾角仪(2)安装在柱体(1)端部位置，与柱体(1)轴线方向平行，倾角仪(2)的采样频率不低于10Hz。
3.根据权利要求1或2所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，还包括：上弧面加劲板(4)和下弧面加劲板(15)；
所述上弧面加劲板(4)和下弧面加劲板(15)分别固定在所述上弧面支撑体(5)和所述下弧面支撑体(8)的凹面空间内。
4.根据权利要求1或2所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，所述筒形垫层(12)是橡胶材质，且弹性模量不低于2GPa。
5.根据权利要求3所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，所述上端板(6)、下端板(9)的中心位置设置有操作孔，边缘位置设置连接螺杆。
6.根据权利要求1或2所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，所述上弧面支撑体(5)和下弧面支撑体(8)分别由两片开孔弧形钢板制成，所述上弧面支撑体(5)和下弧面支撑体(8)背对背十字交叉设置，并在开孔位置对齐，开孔尺寸与限位件直径相适配。
7.根据权利要求1或2所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，所述上弧面支撑体(5)和所述下弧面支撑体(8)厚度由以下公式确定：
Figure FDA0003698498640000021
其中，t1为所述上弧面支撑体(5)和所述下弧面支撑体(8)的弧面板厚度中的较小值，单位为mm；
Figure FDA0003698498640000031
为上部传递的轴向荷载设计值，单位为N；d为双头螺杆直径，单位为mm；
Figure FDA0003698498640000032
为上、下支撑体的抗剪强度设计值，单位为N/mm2。
8.根据权利要求1或2所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，所述限位件(7)中双头螺杆(11)的直径取式中d1、d2及d3的最大值：
基于抗剪强度值计算双头螺杆(11)直径：
Figure FDA0003698498640000033
基于承压强度值计算双头螺杆直径：
Figure FDA0003698498640000034
基于抗拉强度值计算双头螺杆直径：
Figure FDA0003698498640000035
式中d1、d2及d3为双头螺杆直径，单位为mm；
Figure FDA0003698498640000036
为双头螺杆的受剪承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure FDA0003698498640000037
为双头螺杆的承压承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure FDA0003698498640000038
为双头螺杆的受拉承载力设计值，单位为N/mm2；
Figure FDA0003698498640000039
为双头螺杆抗剪强度设计值，单位为N/mm2；
Figure FDA00036984986400000310
为双头螺杆承压强度设计值，单位为N/mm2，
Figure FDA00036984986400000311
为双头螺杆抗拉强度设计值，单位为N/mm2；此外应按下式复核兼受剪拉的荷载组合：
Figure FDA00036984986400000312
其中，式中Nv、Nt为双头螺杆实际承受的剪力及拉力，单位为N/mm2；
Figure FDA0003698498640000041
9.根据权利要求5所述的限幅万向转动的柔性钢柱铰接支座，其特征在于，上弧面加劲板(4)或下弧面加劲板(15)沿操作孔对称布置，上弧面加劲板(4)或下弧面加劲板(15)的数量由下公式确定：
Figure FDA0003698498640000042
式中n为加劲板数量，N为柱脚上部设计荷载值，单位为N；α为荷载安全系数；da为加劲板最大截面尺寸，单位为mm；h为加劲板厚度，单位为mm；fy为加劲板抗压强度设计值，单位为N/mm2。
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