球型钢支座在建筑结构中的应用-施卫星

施卫星1)，汪洋2)

(1.同济大学结构工程与防灾研究所，同济大学，上海200092；

2.上海路博橡胶减振器技术有限公司，上海201401）

摘要：球型钢支座在我国目前大跨空间钢结构中得到了广泛应用。本文对球型钢支座的构造、工作原理、类型及选用、设计依据、有限元分析、安装维护、工程应用等进行了概述和讨论，为球型钢支座的设计和应用提供参考。

关键词：支座；球型支座；有限元分析；大跨结构；钢结构

Application and Types of Spherical Bearings in Building Structures

SHI Weixing1)，WANG Yang2)

(1.Tongji University, Shanghai 200092, China；

2.Shanghai RB Rubber Isolator Technology Co., Ltd., Shanghai 201401, China）

Abstract:Spherical bearings as connection devices are widely used in large span spatial steel structures. Main aspects of spherical bearings were summarized and discussed, such as configuration, working principle, types and adoption, design basis, finite element analysis, installation and maintenance, project application of spherical bearings. Furthermore, reference for design and adoption of spherical bearings could be provided.

Keywords: Bearing; spherical bearing; finite element analysis; long-span structure; steel structure

1引言

支座是连接上部结构和下部结构的重要构件，起到将上部结构的反力可靠地传递下部结构，并协调或释放上部结构的变形（变形和转角），从而使整个结构的受力情况与理论计算图式相符合。目前在建筑结构工程中广泛使用的支座类型主要有球型钢支座和橡胶支座。球型钢支座（QZ）是近些年来在大跨空间结构中被广泛采用的一类支座形式，其具有传力可靠、转动灵活、承载力高、允许位移量大的优点，能够满足支座大转角的设计要求。本文对球型钢支座的构造、工作原理、主要特点、类型及选用、设计及有限元分析、安装维护及工程应用等进行了概述和讨论。

2 构造及工作原理

球型钢支座主要由上支座板、不锈钢板、平面滑板、球冠板、球面滑板、下支座板及临时限位装置等构成。该类支座主要通过平面不锈钢板和聚四氟乙烯板来实现支座的水平滑移，通过球冠板和球面滑板来实现支座的转动，从而实现固定或滑动铰支座的功能，其主要有以下特点：

1.通过球面传力，不会出现力的颈缩现象，作用在下部钢结构或钢筋混凝土结构上的反力比较均匀。

2.选用具有优良耐磨性能的聚四氟乙烯滑板（特氟龙滑板）或改性超高分子量乙烯滑板与不锈钢板或镀硬铬钢板为摩擦副，通过摩擦副之间的相对滑动来实现支座的转动和水平滑动功能，转动力矩小，且转动力矩与支座转角无关，特别适用于大转角的要求，设计转角可

到0.05rad以上。

3.支座具备各向一致的转动能力，并且可以根据实际工程需要，将支座设计成固定支座、单向滑动支座、双向滑动支座等。

3.支座选用的聚四氟乙烯滑板或改性超高分子量乙烯滑板具有较大的设计容许压应力，能较好地提高支座的竖向承载能力，有利于进一步减小支座构造尺寸，节约工程造价。

4.球型钢支座不使用承压橡胶板，承载、滑移和转动部件均由钢材和聚四氟乙烯滑板或改性超高分子量聚乙烯滑板组成，不存在橡胶老化对支座力学性能的影响，大大提高了支座的使用寿命。

5.球型钢支座不使用承压橡胶板，不存在橡胶硬化问题，更适用于低温地区，适用温度范围可达-40℃~60℃。

3 类型及选用

根据球型支座的变形特征，可将其分为固定支座、单向活动支座和双向滑动支座。根据球型支座是否承载拉力，可将其分为无抗拉要求的球型钢支座（GQZ）和有抗拉要求的球型钢支座[1]~[2]（KLQZ）。球型钢支座类型的选用取决于结构整体分析计算得到的支座受力要求。

图1 无抗拉要求的固定型球型钢支座

（GQZ-GD）图2 有抗拉要求的固定型球型钢支座

（KLQZ-GD）

(a)固定支座(GQZ-GD) (b)单向滑动支座(GQZ-DX) (c)双向滑动支座(GQZ-SX)

图3 无抗拉要求的固定型球型钢支座（GQZ）

(a)固定支座(KLQZ-GD) (b)单向滑动支座(KLQZ-DX) (c)双向滑动支座(KLQZ-SX)

图4 有抗拉要求的固定型球型钢支座（KLQZ）

4 设计及有限元分析

4.1 设计依据

球型钢支座的现行设计依据主要为《桥梁球型支座》GB/T 17955-2009[3]和《钢结构设计规范》GB 50017-2003[4]。其中，国家标准《桥梁球型支座》由我国交通运输部提出，中交桥梁技术有限公司等单位参照欧洲标准EN1337-7构造物支座－第七分册《球面和圆柱面聚四氟乙烯支座》（2001）、EN 1337-2构造物支座－第二分册《滑动部件》（2003）和《美国公路桥梁设计规范》（AASHTO-LRFD 2004）等标准制定而成，对球型支座的产品规格、分类、技术要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、储存、运输、安装和养护等进行了规定，适用于桥梁工程及其他用到球型钢支座的工程。

4.2 有限元分析

为进一步明确按国家标准进行设计的球型钢支座在设计荷载作用下各部分的受力及变形情况，可对球型钢支座整体模型进行有限元分析，根据有限元分析结果进一步优化和深化球型钢支座设计，确保支座设计安全适用，经济合理。有限元分析软件可采用目前国际上通用的大型有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS、ALGOR等。图5所示为某固定型球型钢支座在压剪+转角工况下的ABAQUS整体模型，图6为该模型部分构件在压剪+转角工况下的应力云图。图7为某单向滑动型球型钢支座在竖向压力和弯矩作用下的ANSYS整体模型，图8为该支座的应力云图。

图5 某固定型球型钢支座ABAQUS模型图6 下支座板的应力云图

图7 某单向滑动球型钢支座ANSYS模型图8 某单向滑动球型钢支座应力云图

5 安装及维护

球型钢支座与主体结构的连接方式主要有三种[2]，即焊接连接（见图9(a)）、螺栓连接（见图9(b)）及复合连接方式（见图9(c)）。

(a)焊接连接(b)螺栓连接(c)复合连接

图9 球型钢支座连接方式

无论采用哪种安装连接方式，都需注意以下事项[2]：

1.安装前检查支座处预埋刚把结构标高和平面定位尺寸是否与设计图纸一致；

2.支座底面支承构件混凝土强度等级不宜低于C30，支承面四角高差不大于2mm，且平整度应达到1/300；

3.支座安装前应检查支座连接状况是否正常，不得任意松动和拆卸出厂临时固定装置；

4.采用焊接连接方式，施工前应检查预埋钢板与支座之间钢材的可焊性及对焊接材料和焊接工艺的要求。支座与预埋钢板之间不得有空隙。如有空隙，应采取注浆方式予以填充后方可施焊。

5.支座采用锚固螺栓连接时，支承面须预留锚栓孔。预留锚栓孔中心及对角线位置偏差不得超过正负1mm。

6.支座安装时应注意以下事项：

①在上、下部结构放置支座的部位划出中心线位置，在支座的顶板和底板上标注中心线位置，安装时确保支座中心线与上、下部结构中心线平行。单向滑动支座或双向滑动支座沿滑动方向的中心线应重合，其交角不宜大于5分。

②支座安装时不得松动上、下支座板出厂时的临时固定装置，不得任意拆卸支座，以防止支座发生过大转角而导致结构倾覆。

③待上部结构钢结构梁体安装完毕后，或现浇钢筋混凝土梁体形成整体并达到设计强度后，拆除上、下支座连接板出厂时的临时固定装置，以防止约束梁体的正常转动和滑移。

④拆除支座出厂时的临时固定装置后，检查支座外观，并及时安装支座外防尘围板，以免上部结构施工灰尘落入支座内。

⑤对支座钢构件油漆被碰掉部分，补充油漆。

7.支座使用期间应定期进行检查及维护，主要应进行以下维护工作：

①检查支座锚栓有无剪断，支座橡胶密封圈有无龟裂、老化。

②检查支座相对位移示范正确，逐个检查支座位移量。

③清除支座附近的杂物及灰尘，并用棉丝仔细擦净不锈钢板表面的灰尘。

④松动锚栓螺母，清洗上油，以免螺母锈死。

⑤校核并定的检查支座高度变化，一般校核支座内部滑板的磨耗情况。

⑥定期对支座钢构件进行油漆防锈，但不锈钢板表面不得油漆。

6 工程应用实例

近3年来，球型钢支座在体育中心、机场航站楼、火车站房、会展中心、大剧院、文化中心等大跨空间钢结构得到广泛应用[2]，部分工程实例如图10所示。

(a)青海西宁体育中心(b)哥斯达黎加国家体育馆(c)杭州萧山国际机场

(d)合肥新桥国际机场(e)广州新火车站(f)唐山火车站

(g)邯郸文化中心(h)天津文化中心大剧院(i)海南国际会展中心

图10 球型钢支座的工程应用实例7 结论

具有较多优点的球型钢支座在建筑结构工程中起着联系上部结构和下部结构的重要纽带作用，其主要功能的实现依赖于缺一不可的两个部分，即支座自身及支座与其所连接的主体结构构成的整体。在对整体结构进行可靠计算分析的基础上，对支座进行合理设计和有限元分析，可掌握球型钢支座在各种受力状况下的应力和变形，据此对支座设计进行优化，在确保安全的前提下降低工程造价。

参考文献

1.施卫星，汪洋，吕西林.拉压滑动支座：中国，2006200467.8[P].2007-11-28

2.上海路博橡胶减振器技术有限公司宣传册[R].上海，2010.

3. GB/T 17955-2009 桥梁球型支座[S].

4. GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].