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为钢结构工程开拓发展出谋划策

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （陈云波 陈钢 赵东来）

    高速度发展的经济需要钢结构工程，创新的现代钢结构工程促进了经济的发展。通过不断的学习、实践和总结，想为钢结构工程的开拓发展出谋划策。由于篇幅所限，分段发表，汇成系列。希望对钢结构工程有一点促进作用。
    钢结构企业要学会应用橡胶支座，善于应用橡胶支座将给钢结构工程带来开拓性的发展
    1、从一个国际承包工程得到的启发
    中冶集团二十二冶钢结构公司2005年承接新加坡的一个医药大厦的钢结构工程（由于内容十分丰富，将发表专题论文）该工程的特点之一是：在地铁运行线上空，地基基础必须离开地铁，由大型方钢管组成的巨型钢桁架，跨度约为40.6米，巨型钢桁架上建造六层楼，因此活载和恒载均很大，现以TRUSS“A”（见图一）为例来说明钢桁架的形式及受荷情况。
    根据结构力学的规则：桁架上弦杆杆中心线和斜腹杆中心线相交于支座中心是组成铰支座的必要条件，并假定铰支座有微量转动和水平位移。我们用SARP2000来分析支座的情况，得出微量转动最大为0.32度，水平位移最大为30mm。对于特重荷载的大跨度梁来说，这个微量转动和水平位移会产生一定量不可忽略的水平力，对于高位柱来说还会产生巨大的弯矩，因此支座设计和制造必须具有能满足微量转动和水平位移的功能，这就要作成传统的能略有转动并能有少量水平位移的支座。众所周知，不仅制造加工成本高，施工困难而且随时间的推移微量转动和水平位移的功能会受损，有可能起不到铰支座的功能，会产生大量的次应力，使支座的结构件产生裂缝或局部破坏，变形才能满足支座的最大水平位移30mm，同时有足够的侧向刚度，因此这种橡胶支座成为了一个理想的铰接支座。
    显而易见橡胶支座与钢结构技术的综合应用能使我们创造一个很好的结构体系。钢结构企业学会应用橡胶支座，善于应用橡胶支座，就会在大跨度钢结构，高层结构，特殊用途的钢结构中有开拓性的发展。
    2、橡胶支座的简介
    2.1、目前我国应用于桥梁上的承压支座多为板式橡胶支座，自上个世纪70年代末，到80年代中期，桥梁工程已基本上普遍采用橡胶支座，用以代替了木垫板、油毡垫板和钢垫板。交通部行标JT/T4?2004是参照了美国AASHTO《美国公路桥梁设计规范?LRFD》（1994）和欧洲标准CEN/TC167N185（2001）等国的先进标准制定的，现在大量用于在连续桥、吊索桥、斜拉桥等的设计。上世纪90年代我国著名抗震专家。工程院院士周福霖教授开创了把国外先进的建筑隔震橡胶支座引入国内的先河。这种产品的特点是有很大的竖向承载力和很小的水平刚度。当地震发生时，靠橡胶支座内的橡胶弹性体的水平变形，改变地震加速度，吸收和耗散地震力，使建筑物由晃变为近于平动，减少地震灾害。目前有建设部制定的JG118?2000行业标准。笔者了解到橡胶支座不仅能减少地震灾害，目前有些聪明的开发商利用该产品在高速公路“闹区”建造安静的建筑，取得了较好的效果。但可以肯定目前中国还没有把橡胶支座应用到钢结构住宅上。
    橡胶支座应用在钢结构工程上比较少，这主要在历届的钢结构设计规范上没有太多提及结构支座是一个原因；笔者还认是中国的钢结构企业和专家还没有进入自主承担大量的有创新的钢结构的设计，还处于主要是国外设计本国制造、安装的原因。

    2.2、橡胶支座的形状有方形、圆形、矩形、梯形、菱形等。笔者参与的国际工程是回字形的。板式橡胶支座是一层橡胶一层钢板交替，一层橡胶一层钢板，钢板全部在橡胶内，支座外面是一个特殊的橡胶保护罩，防老化能达100年以上。因此，橡胶是橡胶支座中重要的材料，对于它的物理性能和力学性能有严格的要求。主要的物理性能应是：橡胶硬度为72±2度（邵尔）；拉伸强度为≥17MPa，扯断伸长率为≥400%,橡胶与钢板之间的剥离强度≥9KN/m。
    2.3、橡胶支座的寿命是由防老化和防火措施。
    橡胶支座设计时邓决于外罩5?厚耐老化特殊橡胶保护层。根据周福霖院士多年观察测算，该特殊橡胶层老化每年进度为0.034?，也就是说，一百年后橡胶老化进度为3.4?，显而易见能很好地防止橡胶支座的老化。
    由于橡胶支座基本材料为天然橡胶，它的硫化成形温度为135~142℃，耐温区为零下40℃至零上60℃。因此在支座外罩上10?钢罩，涂上防火涂料有很好的防火效果。

    3、医药大厦钢结构工程橡胶支座计算简介
    钢结构中的橡胶支座是设计、钢结构制作安装、橡胶支座制作紧密三结合的产物。设计提出了回字型支座，应能承受竖向力25000KN，支座最大水平位移为30?，支座最大转角为0.32度。钢结构制作单位根据设计，利用自身善于制作大型方矩管的优势进行了较完善的详图设计，橡胶支座制作单位（衡水同力橡胶制品有限公司）利用自身的丰富经验确定最佳的试验支座。因为工程的回字型支座是巨大的其底面积为1186406mm2，又因为回字形是由许多矩形组成的，因此根据长年制作的经验采用底面为200x200?高为77?的试验块，作一系列的试验。
    现介绍部分试验：首先根据设计求出钢桁架支座的平均压应力为25000KN/1186406mm2=30MPa，在200×200×77?的橡胶支座上施加30×200×200=1200KN的力，测定其竖向变形。


    最后在一系列试验的基础上进行四项验算。
    1、承载力验算根据试验200×200×77?的橡胶支座，能承受极限荷载为200×200×90=3600KN，安全度取3，则支座抗压设计强度=3600000/3×200×200=30MPa，支座承压面积为1186406mm2，支座抗压承载力=1186406×30=35592KN
    支座计算反力=25000KN
    ∵35592KN＞25000KN ∴承载力满足。
    2、支座水平位移的验算在200×200×77?的支座受到竖向力+水平力作用时，当水平位移等于30?时停止加载，然后卸载，扦查试件完整无损，再逐渐加载当支座水平位移等于30?时停止加载，此时水平推力为133KN。推导出钢桁架水平推力P=1186406/200×200×133=3945KN
    橡胶支座与钢板摩擦系数为0.2，在2500KN竖向力作用下橡胶支座与钢板产生的摩擦力为25000×0.2=5000KN。显然摩擦力5000KN＞支座水平位移30?时的水平推力3945KN。
    在测试中橡胶支座发生剪切变形，可测出支座顶到支座底水平位移的曲线，曲线都显示支座底的水平位移为0，充分证明了：钢桁架在荷载的作用下，使支座产生的水平位移由橡胶支座的橡胶弹性体相平衡了。支座不会由于水平位移被推出，又不会把水平力传到下面柱子。
    3、支座转角的验算橡胶支座的转角靠橡胶层的变形来完成。
    支座转角=橡胶厚度×转角正切值/2
    现设计的橡胶支座为77?，橡胶总厚度为55?，钢桁架支座转角设计值为0.32度（TAN0.32=0.005585）支座角变形引起的位移=55×0.005585/2=0.154?
    在极限荷载试验中，试件角变形位为3.69?＞0.154? ∴满足支座转动的要求。
    竖向刚度的计算
    根据国家行业标准《建筑隔震橡胶支座》的规定，
    竖向刚度=（1.3×设计竖向荷载-0.7×设计竖向荷载）/（1.3×设计竖向荷载下的竖向位移-0.7×设计竖向荷载下的竖向位移）
    求出200×200×77?试验支座的竖向刚度：
    竖向刚度=（1560-840）/（1.521-0.819）=1025KN/?。
    推导出钢桁架的竖向刚度=回形支座实际面积/200×200×1025=1186406/40000×1025=30401.65KN/?，也就是说在30401.65KN竖向力作用下，支座产生的竖向变形为1?，30401.64KN大于支座设计中的支座反力25000KN，因此十分安全。


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