大型钢结构关节轴承节点设计及其研究

2018-07-23陈高容

科技与创新 2018年14期

陈高容

（福建龙溪轴承（集团）股份有限公司，福建漳州 363000）

1 概述

在大型空间钢结构中，地震、风荷载、结构体系金属热胀冷缩效应及其他结构应力（比如焊接应力）等，均会引起空间结构体系发生多方位转动，而传统的销轴式铰节点只能单方向转动，如图1所示，节点只能围绕X轴转动，其他方向，则受耳板与销轴的约束难以转动，将会产生较大附加弯矩，如图2所示，严重时将危及结构安全。

图1 销轴式铰接节点

图2 耳板附加弯矩形成

关节轴承是一种球面滑动轴承，承载能力强、耐磨性好、可以在任意方向转动且受载应力分布均匀，具有良好力传递效果；关节轴承应用示例，如图3所示，销轴装在一组中心高度一致的座孔中，其中一端座孔装有关节轴承，在销轴中心位置加载径向载荷，销轴承载受弯变形，力传递到座孔两端，装有关节轴承的座孔应力分布较为均匀，而没有装关节轴承的座孔应力主要集中在座孔两端靠端面处，应力集中明显存在压溃的风险。

图3 关节轴承应用示例

关节轴承节点由关节轴承、耳板、销轴及必要的加强肋等基本零件组成的新型建筑钢结构节点单元，如图4所示，以关节轴承为转动核心，使得节点能够围绕X，Y轴转动，从而能够有效降低附加弯矩对耳板使用强度的影响，提高了整体结构的安全性，减少加工制造成本，也弥补常规销轴式节点只能单向转动的不足。

图4 关节轴承节点

2 关节轴承节点设计

某体育中心屋盖采用钢结构设计，使用年限为50年，建筑钢结构安全等级为一级，建筑抗震设防为重点设防类；幕墙柱脚铰接节点，拟采用关节轴承节点作为钢结构的铰接节点，节点设计载荷参数：①竖向压力Fver中，载荷主要来源于钢结构的自重，也是节点主要承受的载荷，经计算竖向压力为14 000 kN；②面内剪力Frad中，力的方向在中耳板的平面内垂直于销轴，载荷的主要来源是钢结构之间相互作用力，经计算面内剪力为3 500 kN；③面外剪力Ftan中，力的方向垂直于中耳板平行于销轴，载荷的主要来源包括大风、地震、温度等外力因素，经计算面外剪力为800 kN；④节点转角2°。关节轴承节点结构设计如图5所示。

图5 关节轴承节点结构

关节轴承节点由关节轴承、轴承压盖、销轴、定位套、中耳板、外耳板、销轴盖板、高强螺栓组等部件组成，通过高强螺栓将销轴盖板锁于销轴两端面，轴承内、外圈分别采用定位套，轴承压盖和高强螺栓组加以限位锁紧；节点载荷传递路径，竖向压力Fver，中耳板→轴承外圈→轴承内圈→销轴→外耳板；面外剪力Ftan，中耳板→轴承外圈→轴承内圈→定位套→外耳板→销轴盖板；面内剪力Frad，中耳板→ 轴承外圈→轴承内圈→销轴→外耳板；节点通过绕Y轴小角度转动，降低附加弯矩对中耳板使用强度的影响，从而提高节点的使用强度。

3 有限元仿真分析

运用ABAOUS仿真分析软件对关节轴承节点进行承载分析，通过对几何模型的边界条件设置、接触对设置、材料模型和网格划分等要素的设置，建立关节轴承节点仿真模型，尽量使模型受力承载情况与节点实际受力一致，节点和主要承载部件，在设计载荷作用下的应力分布，如图6、图7、图8所示。在设计载荷作用下，节点的所有零部件均未发生屈服，处于弹性状态满足承载要求；销轴最大应力位于销轴中段，其位置为轴承内圈加载位置，即销轴主要承受弯应力与剪切应力的合力。由于在面外剪力的作用下使得节点的中耳板产生弯曲变形，耳板变形位移3 mm，为节点的最大位移，同样的在面外剪力影响下，中耳板、外耳板、轴承内、外圈等零部件出现局部区域应力集中，而非均匀受载；因此，后续足尺实验将应变片和位移计布置在这些应力集中区域，观察其应力、应变发展情况。