球型铰支座在仿生造型建筑钢结构工程中的应用

周禄 项玲芳 李宝泉

摘 要：许多美观、耐力的空间结构都是通过形态模仿、力学模仿、材料模仿、功能模仿或者施工模仿构想设计出来的。仿生造型建筑通过对模仿生物体的特征进行原理分析、设计，常采用钢结构工程予以实现，球型铰支座在减小钢结构应力变形方面发挥着重大作用。本文结合工程实例，就球型铰支座的选择、安装、养护等进行总结与探讨，希望对类似仿生造型建筑工程的设计及施工起到一定的指导作用。

关键词：球型铰支座；仿生造型建筑；钢结构；应力变形

前言

仿生造型建筑采用仿生原理，借用生物形式的逻辑构成来研究其规律并用于建筑领域。大千世界蕴藏着无数优美的模仿素材，贝壳、花卉、昆虫、鸟类、雕塑、飞船、抛物线、双曲线、细胞结构等都是建筑造型可以模仿的对象。仿生造型建筑常采用钢结构，一般为大跨空间可呼吸结构体系，常将支座设计成弹性支座来避免产生较大的应力变形，球型铰支座是较为普遍采用的一种弹性支座。

一、工程概况

凤凰岛·凤凰之舟项目位于山东省青岛市黄岛区金沙滩路南，西海岸新区啤酒文化广场内，规划用地面积63425m2，总建筑面积为39025.67m2。项目主要建筑功能为剧院、演艺大厅、餐厅及底层部分商业，演艺大厅位于凤身及凤头，小剧场位于凤尾。

该工程屋盖钢结构为大跨异形空间结构，主要竖向承重构件为四榀正交放置的拱桁架，并通过顶部平面背部桁架进行彼此相连。头部结构由其下方楼层钢框架结构、斜柱支撑立面桁架、颈部平面桁架、雨棚与嘴部平台组成；两翼为立面斜柱环梁及悬挑钢梁组成；尾部为单层网壳及悬挑钢梁均通过中部形成的拱架和背部桁架实现大悬挑，装饰栅格为处于两翼及头部外的悬挑钢梁，屋面最高点位于头部悬挑钢梁顶部标高为+62m。

二、技术难点及解决措施

本工程结构变形控制是一大技术难点，结构变形主要因素：（1）凤头和凤尾因结构形式不同引起的结构不均匀压缩变形；（2）钢结构工程因自身结构（大跨度、高自重）、施工工艺（焊接）、气温等各种因素产生的变形；（3）施工过程中，随着各专业施工的陆续插入，各类荷载不断增加，竖向构件发生弹性压缩。由于上述因素的叠加影响，易诱发结构尺寸变化、位置偏差等变形问题。

为完成结构体因上述诸多因素产生的伸缩位移变形，本工程将尾部V型柱支座、两翼钢柱铰接支座、两翼拱架柱支座、主拱架钢柱支座、斜柱顶部环梁支座设计为QZ系列球型铰支座。

三、球型铰支座简介

QZ系列球型铰支座是由上座板、下座板、凸形中间钢板及两块不同形状的聚四氟乙烯板组成。下座板中间为一凹形球面，同凸形中间板相对应，两者之间衬有一弧形四氟板，通过球面与之滑动来满足梁端的转动，上座板上的不锈钢板与中间钢板上的另一四氟板组成第二滑动面，完成上下结构体因温差等诸多因素产生的伸缩位移变形。

球型铰支座传力可靠，各向转动性能一致，不仅具备盆式橡胶支座承载能力大、水平位移大的特点，而且能适应大转角的需要，适用于桁架，连廊，网架，钢结构，膜结构及宽桥、曲线桥等建筑。由于承压部件不使用橡胶件，不存在橡胶低温脆性等影响，因此特别适用于低温地区。

四、球型铰支座概况

本工程球型铰支座结构构造如图2所示，平面布置如图3所示。滑动材料采用MHP滑板，滑板设计抗压强度60MPa，极限抗压强度200MPa，安装板表面储油槽内涂以5201-2硅脂润滑油。

本工程球型铰支座材质要求详见表1，使用部位、性能指标等要求详见表2。

五、球型铰支座安装

1.铰支座KLQZ-6000KN-GD1（ZZ1-1）、KLQZ-6000KN-GD4（ZZ1a-1）、KLQZ-4000KN-GD（ZZ2-1）、KLQZ-6000KN-GD（ZZ3-1）、KLQZ-6000KN-GD3（ZZ3a-1）与上下部结构采用焊接，手工焊采用E50型焊条，CO2气体保护焊采用ER50-3焊丝；支座KLQZ-200KN-GD（ZZ4-1）、KLQZ-9200KN-GD（ZZ5-1）、KLQZ-9600KN-GD（ZZ6-1）与上下部结构采用焊接，手工焊采用E50型焊条，CO2气体保护焊采用H08Mn2SiA焊丝。支座的安装方案、连接形式应与结构设计人员具体商定，严格按照设计要求进行安装，以保证上、下部结构与支座的可靠连接和功能发挥。

2.下部钢筋混凝土柱的混凝土标号不得低于C40级。

3.柱内配筋应参考本支座设计时的研究分析结果，即在自柱顶沿柱轴线方向柱脚方向的0.25b至0.6b的高度范围内（b为柱截面宽度），增大水平箍筋截面的配置，其增加量依承载力分析结果确定。

4.支座根据设计需要在上支座板与滑板之间设置偏值。

5.铰支座组装完成后需安装临时固定措施，加工技术要求及检验方法参见《桥梁球型支座》（GB/T 17955-2009）。

6.铰支座和预埋钢板的连接采用焊接时，要采取降温措施，或对边断续焊的方法，防止铰支座钢件过热而损坏聚四氟乙烯板，橡胶密封圈和5201硅脂。

7.安装前应使下部结构的标高和水平度满足设计要求。铰支座四角高差不大于1mm。

8.铰支座中心线应与主梁中心线及下部结构安装线重合。

9.铰支座安装就位后，底板与预埋钢板焊接应符合设计要求。待梁体施工完毕后，应立即拆除临时连接件。

10.铰支座安装时必须将上支座板与下支座板的连接件安装好，待支座安装就位完成后拆除，并立即安装上防尘罩。

六、球型铰支座养护

1.铰支座使用期间应定期检查，每查一次，保养一次。

2.检查铰支座与上、下连接件是否有破坏，检查螺栓是否剪断或松动，焊缝是否开裂等。

3.检查防尘罩内积尘情况，并清除灰尘。

4.检查橡胶密封圈有无龟裂和老化现象。

5.旋动固定螺母，清洗干净后重新上油，以免锈死。

6.检查铰支座本身高度变化，此变化反应聚四氟乙烯板的磨耗状况，当高度变化超过4mm时应大修。

7.检查防锈漆完好程度，如有脱落应用砂布磨出钢体并呈现出金属光泽后重新上漆。

8.特殊情况发生后（如地震、破坏性大风等），应及时检查上述内容。

七、结语

本工程采用鋼结构大跨空间可呼吸结构体系，充分利用球型铰支座的优越性能，从最初的创意到理性的逻辑分析再到结构设计、建造，仿生造型建筑与结构完美结合，优雅呈现，实现了设计师模仿凤凰的概念与创意。

参考文献

[1]王小盾，孔翠妍，陈志华，田川.天津大学体育馆仿生结构设计.《工业建筑》（增刊），2012.

[2]王小盾，余建星，陈志华.天津博物馆设计与技术.建筑学报，2004年11期.