為鋼結(jié)構(gòu)工程開拓發(fā)展出謀劃策

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （陳云波 陳鋼 趙東來）

    高速度發(fā)展的經(jīng)濟(jì)需要鋼結(jié)構(gòu)工程，創(chuàng)新的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工程促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。通過不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐和總結(jié)，想為鋼結(jié)構(gòu)工程的開拓發(fā)展出謀劃策。由于篇幅所限，分段發(fā)表，匯成系列。希望對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程有一點(diǎn)促進(jìn)作用。
    鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)要學(xué)會(huì)應(yīng)用橡膠支座，善于應(yīng)用橡膠支座將給鋼結(jié)構(gòu)工程帶來開拓性的發(fā)展
    1、從一個(gè)國際承包工程得到的啟發(fā)
    中冶集團(tuán)二十二冶鋼結(jié)構(gòu)公司2005年承接新加坡的一個(gè)醫(yī)藥大廈的鋼結(jié)構(gòu)工程（由于內(nèi)容十分豐富，將發(fā)表專題論文）該工程的特點(diǎn)之一是：在地鐵運(yùn)行線上空，地基基礎(chǔ)必須離開地鐵，由大型方鋼管組成的巨型鋼桁架，跨度約為40.6米，巨型鋼桁架上建造六層樓，因此活載和恒載均很大，現(xiàn)以TRUSS“A”（見圖一）為例來說明鋼桁架的形式及受荷情況。
    根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的規(guī)則：桁架上弦桿桿中心線和斜腹桿中心線相交于支座中心是組成鉸支座的必要條件，并假定鉸支座有微量轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移。我們用SARP2000來分析支座的情況，得出微量轉(zhuǎn)動(dòng)最大為0.32度，水平位移最大為30mm。對(duì)于特重荷載的大跨度梁來說，這個(gè)微量轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移會(huì)產(chǎn)生一定量不可忽略的水平力，對(duì)于高位柱來說還會(huì)產(chǎn)生巨大的彎矩，因此支座設(shè)計(jì)和制造必須具有能滿足微量轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移的功能，這就要作成傳統(tǒng)的能略有轉(zhuǎn)動(dòng)并能有少量水平位移的支座。眾所周知，不僅制造加工成本高，施工困難而且隨時(shí)間的推移微量轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移的功能會(huì)受損，有可能起不到鉸支座的功能，會(huì)產(chǎn)生大量的次應(yīng)力，使支座的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生裂縫或局部破壞，變形才能滿足支座的最大水平位移30mm，同時(shí)有足夠的側(cè)向剛度，因此這種橡膠支座成為了一個(gè)理想的鉸接支座。
    顯而易見橡膠支座與鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的綜合應(yīng)用能使我們創(chuàng)造一個(gè)很好的結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)學(xué)會(huì)應(yīng)用橡膠支座，善于應(yīng)用橡膠支座，就會(huì)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)，特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)中有開拓性的發(fā)展。
    2、橡膠支座的簡(jiǎn)介
    2.1、目前我國應(yīng)用于橋梁上的承壓支座多為板式橡膠支座，自上個(gè)世紀(jì)70年代末，到80年代中期，橋梁工程已基本上普遍采用橡膠支座，用以代替了木墊板、油氈墊板和鋼墊板。交通部行標(biāo)JT/T4?2004是參照了美國AASHTO《美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范?LRFD》（1994）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)CEN/TC167N185（2001）等國的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制定的，現(xiàn)在大量用于在連續(xù)橋、吊索橋、斜拉橋等的設(shè)計(jì)。上世紀(jì)90年代我國著名抗震專家。工程院院士周福霖教授開創(chuàng)了把國外先進(jìn)的建筑隔震橡膠支座引入國內(nèi)的先河。這種產(chǎn)品的特點(diǎn)是有很大的豎向承載力和很小的水平剛度。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，靠橡膠支座內(nèi)的橡膠彈性體的水平變形，改變地震加速度，吸收和耗散地震力，使建筑物由晃變?yōu)榻谄絼?dòng)，減少地震災(zāi)害。目前有建設(shè)部制定的JG118?2000行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。筆者了解到橡膠支座不僅能減少地震災(zāi)害，目前有些聰明的開發(fā)商利用該產(chǎn)品在高速公路“鬧區(qū)”建造安靜的建筑，取得了較好的效果。但可以肯定目前中國還沒有把橡膠支座應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)住宅上。
    橡膠支座應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)工程上比較少，這主要在歷屆的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范上沒有太多提及結(jié)構(gòu)支座是一個(gè)原因；筆者還認(rèn)是中國的鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)和專家還沒有進(jìn)入自主承擔(dān)大量的有創(chuàng)新的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還處于主要是國外設(shè)計(jì)本國制造、安裝的原因。

    2.2、橡膠支座的形狀有方形、圓形、矩形、梯形、菱形等。筆者參與的國際工程是回字形的。板式橡膠支座是一層橡膠一層鋼板交替，一層橡膠一層鋼板，鋼板全部在橡膠內(nèi)，支座外面是一個(gè)特殊的橡膠保護(hù)罩，防老化能達(dá)100年以上。因此，橡膠是橡膠支座中重要的材料，對(duì)于它的物理性能和力學(xué)性能有嚴(yán)格的要求。主要的物理性能應(yīng)是：橡膠硬度為72±2度（邵爾）；拉伸強(qiáng)度為≥17MPa，扯斷伸長(zhǎng)率為≥400%,橡膠與鋼板之間的剝離強(qiáng)度≥9KN/m。
    2.3、橡膠支座的壽命是由防老化和防火措施。
    橡膠支座設(shè)計(jì)時(shí)鄧決于外罩5?厚耐老化特殊橡膠保護(hù)層。根據(jù)周福霖院士多年觀察測(cè)算，該特殊橡膠層老化每年進(jìn)度為0.034?，也就是說，一百年后橡膠老化進(jìn)度為3.4?，顯而易見能很好地防止橡膠支座的老化。
    由于橡膠支座基本材料為天然橡膠，它的硫化成形溫度為135~142℃，耐溫區(qū)為零下40℃至零上60℃。因此在支座外罩上10?鋼罩，涂上防火涂料有很好的防火效果。

    3、醫(yī)藥大廈鋼結(jié)構(gòu)工程橡膠支座計(jì)算簡(jiǎn)介
    鋼結(jié)構(gòu)中的橡膠支座是設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)制作安裝、橡膠支座制作緊密三結(jié)合的產(chǎn)物。設(shè)計(jì)提出了回字型支座，應(yīng)能承受豎向力25000KN，支座最大水平位移為30?，支座最大轉(zhuǎn)角為0.32度。鋼結(jié)構(gòu)制作單位根據(jù)設(shè)計(jì)，利用自身善于制作大型方矩管的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了較完善的詳圖設(shè)計(jì)，橡膠支座制作單位（衡水同力橡膠制品有限公司）利用自身的豐富經(jīng)驗(yàn)確定最佳的試驗(yàn)支座。因?yàn)楣こ痰幕刈中椭ё蔷薮蟮钠涞酌娣e為1186406mm2，又因?yàn)榛刈中问怯稍S多矩形組成的，因此根據(jù)長(zhǎng)年制作的經(jīng)驗(yàn)采用底面為200x200?高為77?的試驗(yàn)塊，作一系列的試驗(yàn)。
    現(xiàn)介紹部分試驗(yàn)：首先根據(jù)設(shè)計(jì)求出鋼桁架支座的平均壓應(yīng)力為25000KN/1186406mm2=30MPa，在200×200×77?的橡膠支座上施加30×200×200=1200KN的力，測(cè)定其豎向變形。


    最后在一系列試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行四項(xiàng)驗(yàn)算。
    1、承載力驗(yàn)算根據(jù)試驗(yàn)200×200×77?的橡膠支座，能承受極限荷載為200×200×90=3600KN，安全度取3，則支座抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度=3600000/3×200×200=30MPa，支座承壓面積為1186406mm2，支座抗壓承載力=1186406×30=35592KN
    支座計(jì)算反力=25000KN
    ∵35592KN＞25000KN ∴承載力滿足。
    2、支座水平位移的驗(yàn)算在200×200×77?的支座受到豎向力+水平力作用時(shí)，當(dāng)水平位移等于30?時(shí)停止加載，然后卸載，扦查試件完整無損，再逐漸加載當(dāng)支座水平位移等于30?時(shí)停止加載，此時(shí)水平推力為133KN。推導(dǎo)出鋼桁架水平推力P=1186406/200×200×133=3945KN
    橡膠支座與鋼板摩擦系數(shù)為0.2，在2500KN豎向力作用下橡膠支座與鋼板產(chǎn)生的摩擦力為25000×0.2=5000KN。顯然摩擦力5000KN＞支座水平位移30?時(shí)的水平推力3945KN。
    在測(cè)試中橡膠支座發(fā)生剪切變形，可測(cè)出支座頂?shù)街ё姿轿灰频那€，曲線都顯示支座底的水平位移為0，充分證明了：鋼桁架在荷載的作用下，使支座產(chǎn)生的水平位移由橡膠支座的橡膠彈性體相平衡了。支座不會(huì)由于水平位移被推出，又不會(huì)把水平力傳到下面柱子。
    3、支座轉(zhuǎn)角的驗(yàn)算橡膠支座的轉(zhuǎn)角靠橡膠層的變形來完成。
    支座轉(zhuǎn)角=橡膠厚度×轉(zhuǎn)角正切值/2
    現(xiàn)設(shè)計(jì)的橡膠支座為77?，橡膠總厚度為55?，鋼桁架支座轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)值為0.32度（TAN0.32=0.005585）支座角變形引起的位移=55×0.005585/2=0.154?
    在極限荷載試驗(yàn)中，試件角變形位為3.69?＞0.154? ∴滿足支座轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。
    豎向剛度的計(jì)算
    根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑隔震橡膠支座》的規(guī)定，
    豎向剛度=（1.3×設(shè)計(jì)豎向荷載-0.7×設(shè)計(jì)豎向荷載）/（1.3×設(shè)計(jì)豎向荷載下的豎向位移-0.7×設(shè)計(jì)豎向荷載下的豎向位移）
    求出200×200×77?試驗(yàn)支座的豎向剛度：
    豎向剛度=（1560-840）/（1.521-0.819）=1025KN/?。
    推導(dǎo)出鋼桁架的豎向剛度=回形支座實(shí)際面積/200×200×1025=1186406/40000×1025=30401.65KN/?，也就是說在30401.65KN豎向力作用下，支座產(chǎn)生的豎向變形為1?，30401.64KN大于支座設(shè)計(jì)中的支座反力25000KN，因此十分安全。


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