三向不動(dòng)鉸支架的間隙銷支座安全性研究

三向不動(dòng)鉸支架的間隙銷支座安全性研究

1網(wǎng)殼和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用單表面網(wǎng)殼，長(zhǎng)23.672m，高8.679m。如圖1所示，它位于傾斜于18.5553的斜坡上。桿件截面分別為Φ76×5、Φ95×6、Φ180×6、Φ180×10,總用鋼量31t,按水平投影面積計(jì)算平均用鋼量達(dá)73kg/m2。網(wǎng)殼采用周邊支承形式,支座全部按三向不動(dòng)鉸計(jì)算,而設(shè)計(jì)和施工實(shí)際采用的是間隙銷支座,其尺寸見(jiàn)表1。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,銷與銷孔徑向間隙達(dá)4～5mm,上、下銷板切向間隙達(dá)8～10mm。2銷支護(hù)結(jié)構(gòu)分析球面網(wǎng)殼的支座平面為圓形,平面銷支座受力平面為徑向,平面外存在切向間隙,沿圓周方向僅依靠滑動(dòng)摩擦而沒(méi)有可靠的約束,因此全部采用平面銷支座的球面網(wǎng)殼沒(méi)有適宜的扭轉(zhuǎn)剛度,不能可靠抵抗繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,抗震、抗風(fēng)及調(diào)整施工誤差的能力較弱(圖2)。本工程銷支座的銷與銷孔存在間隙,重力作用下,銷在銷孔中將發(fā)生滾動(dòng),直到穩(wěn)定于鏈桿支座狀態(tài),此時(shí),所有鏈桿在空中交匯于球心軸線上(圖3),整體結(jié)構(gòu)接近于瞬變體系。因此,球面網(wǎng)殼支座體系全部采用平面銷支座,不論是精密銷還是間隙銷,都是不合適的,必須增設(shè)可靠切向約束支座。3通過(guò)分析選定的平面網(wǎng)格的閉合間隙3.1產(chǎn)品安裝和結(jié)構(gòu)調(diào)整(1)整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系如圖4所示,其中支座局部坐標(biāo)系以桿件軸向?yàn)閤向,指向球心的徑向?yàn)閥向,球面網(wǎng)殼的切向?yàn)閦向。(2)假設(shè)球面網(wǎng)殼水平正放,所有支座正確就位受壓接觸,如圖5(滾動(dòng)前)所示。全部支座采用理想的三向不動(dòng)鉸,球面網(wǎng)殼在結(jié)構(gòu)自重作用下求解。(3)假設(shè)按正確的安裝順序先插銷、后組裝,采用中央臨時(shí)豎向支撐或吊索。拆除支撐或吊索的瞬間,自重作用下三向不動(dòng)鉸支座反力即為整體坐標(biāo)系下支座反力。(4)經(jīng)過(guò)銷滾動(dòng),結(jié)構(gòu)重新達(dá)成平衡穩(wěn)定狀態(tài),如圖5(滾動(dòng)后)所示。此時(shí)自重作用下三向不動(dòng)鉸支座反力轉(zhuǎn)化為局部座標(biāo)系下的支座反力。3.2結(jié)論分析以圖1上支座1#為例,其它各點(diǎn)反力由對(duì)稱性分析可知,除因結(jié)構(gòu)桿件布置形式有一些差別外,應(yīng)基本均同。3.2.1一般坐標(biāo)系下的布局支座反力為:3.2.2局部雕塑系統(tǒng)支座反力為:3.3網(wǎng)殼支架位移銷在間隙中滾動(dòng),直至穩(wěn)定在與支座(上銷板)相連的末端桿件軸向位置,如圖5所示。此時(shí),支座(上銷板)的附加位移計(jì)算如下:tanα=ˉFy/ˉFz=2201/6695=0.34?α=18.87°{Δx=-(D-d)sinα=-(54-50)sin18.87°=-1.29mmΔy=(D-d)(1-cosα)=(54-50)(1-cos18.87°)=0.213mmtanα=Fyˉˉˉˉ/Fzˉˉˉˉ=2201/6695=0.34?α=18.87°{Δx=?(D?d)sinα=?(54?50)sin18.87°=?1.29mmΔy=(D?d)(1?cosα)=(54?50)(1?cos18.87°)=0.213mm在完全對(duì)稱的重力荷載作用下,正放球面網(wǎng)殼支座不產(chǎn)生切向反力,間隙銷支座使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加支座位移,該位移的豎向分量使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體向上的位移,水平分量將在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和初始幾何缺陷。大風(fēng)、大地震作用時(shí),軸向壓力、徑向力(局部坐標(biāo)系下)發(fā)生變化,平衡穩(wěn)定狀態(tài)可能被破壞,銷在銷孔間隙將發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)剛度退化,可能引發(fā)共振,結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件容易損壞。同時(shí)考慮幾何穩(wěn)定性和整體結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力,正放球面網(wǎng)殼所有支座全部采用平面間隙銷的支座體系是不合適的。4正放斜面網(wǎng)殼的/本工程支座所在平面傾斜18.353°,重力荷載有垂直斜面的分量G⊥(相當(dāng)于作用在正放球面網(wǎng)殼上)和平行與斜面的分量G//,G//將產(chǎn)生切向反力。斜放球面網(wǎng)殼的計(jì)算假設(shè)和步驟同上述正放球面網(wǎng)殼,各支座反力列于表2,局部坐標(biāo)系下斜面上的銷支座反力圖如圖6所示。4.1結(jié)論分析4.1.1水平反力向圓內(nèi)傾斜,水平反力下降以上支座1#為例,支座反力為:ˉFx=0(切向力為0)ˉFy=-2563Ν(-y方向,水平反力指向圓內(nèi))ˉFz=4023Ν(+z方向,反力豎直向上)則:ˉFy/ˉFz=2563/4023=0.64?μ=0.04,銷與上銷板外滾,變形機(jī)構(gòu)同正放球面網(wǎng)殼。4.1.2部分支護(hù)自鎖性能分析表2有如下特點(diǎn):(1)球面網(wǎng)殼斜放后,周邊支座的反力變得不再均勻,整體坐標(biāo)系下的豎向反力ˉFz以及局部坐標(biāo)系下的桿軸向反力Fx從上到下逐漸增大。(2)部分支座Fy/Fx>μ=0.04,表明該部分支座在銷滾動(dòng)到與支座相連的末端桿件軸向位置后,并不能自鎖。(3)支座切向反力以中部支座為最大,向上、下支座逐漸減小,所有切向反力的合力沿18.353°斜面向上,阻止斜放球面網(wǎng)殼的下滑。(4)在切向,上銷板和銷之間為滑動(dòng)摩擦,鋼與鋼的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15～0.5。上半球中點(diǎn)以及其上每側(cè)各4個(gè)支點(diǎn)Fz/Fx>0.5,上銷板下滑,除1#、25#兩點(diǎn)外,其余各點(diǎn)Fz/Fx>0.15,上銷板存在下滑趨勢(shì)。4.2結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性(1)由于單向平面銷平面外存在間隙,不能提供可靠的切向支座反力,不能有效阻止整個(gè)球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)斜放后自重下的下滑,整個(gè)結(jié)構(gòu)拆除中央支撐瞬間,結(jié)構(gòu)處于隨機(jī)不穩(wěn)定狀態(tài)。如果下滑在某些支點(diǎn)受限(施工間隙的控制是隨機(jī)的),勢(shì)必造成這些支點(diǎn)應(yīng)力集中,整個(gè)結(jié)構(gòu)自重下支座受力狀態(tài)不清。而由于結(jié)構(gòu)整體剛度的存在,當(dāng)一些支座運(yùn)動(dòng)到切向或徑向頂緊后,其它相當(dāng)一部分支座的切向或徑向位移不再發(fā)生,該部分支座被騰空,結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜,應(yīng)力集中,同時(shí)在下滑至基本穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)程中,結(jié)構(gòu)不斷產(chǎn)生復(fù)雜且隨機(jī)的變形及內(nèi)應(yīng)力。(2)若迭加風(fēng)、活、地震及屋面靜荷載,由于整個(gè)結(jié)構(gòu)支座工作狀態(tài)不清,結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)復(fù)雜不清。(3)不利于抗震抗風(fēng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(4)綜上所述,斜放球面網(wǎng)殼采用大間隙單向平面銷支座是不合適的。5向輥軸連接系統(tǒng)5.1桿向輥軸術(shù)后不同時(shí)長(zhǎng)由于大間隙平面銷本質(zhì)只能抵抗?jié)L動(dòng)摩擦力矩所對(duì)應(yīng)的較小的徑向切力,若斜放球面網(wǎng)殼所有平面銷均只作為桿向輥軸支座,結(jié)構(gòu)整體工作也是可行的。但設(shè)計(jì)、施工應(yīng)滿足如下條件:(1)施工采用先插銷,單桿或整體結(jié)構(gòu)吊裝,準(zhǔn)確就位。(2)沿球切向必須增加約束,對(duì)整體結(jié)構(gòu)形成三維平動(dòng)約束,構(gòu)成幾何不變穩(wěn)定體系。因此,桿向輥軸支座體系的計(jì)算模型為:所有各支座點(diǎn)均加局部坐標(biāo)系下的桿向約束,上、下、左、右4對(duì)稱點(diǎn)再施加切向約束。計(jì)算工況取自重,整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系下的支座反力見(jiàn)表3。5.2局部坐標(biāo)系分析(1)拆支撐瞬間,各支點(diǎn)反力即為整體坐標(biāo)系反力,同樣由于間隙的存在,銷滾動(dòng)產(chǎn)生支座附加位移,直至穩(wěn)定。(2)局部坐標(biāo)系下,切向反力集中在左、右兩側(cè)切向支點(diǎn),達(dá)到43.6kN,說(shuō)明整個(gè)結(jié)構(gòu)存在下滑趨勢(shì)。(3)局部坐標(biāo)系下,左、右兩側(cè)切向支點(diǎn)上方的鄰近兩支座點(diǎn)(11#、12#)出現(xiàn)桿向拉力,說(shuō)明整個(gè)結(jié)構(gòu)下滑趨勢(shì)在左、右兩側(cè)切向支點(diǎn)受阻后,上部相鄰點(diǎn)受上抬作用。(4)此時(shí)整體結(jié)構(gòu)變形極小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。6間隙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)殼受力分析通過(guò)以上對(duì)間隙銷支座球面網(wǎng)殼支座體系的分析,可知本工程存在以下結(jié)構(gòu)問(wèn)題:(1)圓形平面的球面網(wǎng)殼,周邊全部采用平面銷支座,上下銷板間、銷與銷孔間都存在間隙,圓周切向無(wú)止推剛度,整個(gè)球面網(wǎng)殼可繞球心軸轉(zhuǎn)動(dòng),為幾何瞬變體系。(2)采用間隙銷支座的球面網(wǎng)殼,斜放后支座反力變得非常不均勻,支