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為鋼結構工程開拓發展出謀劃策

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （陳云波 陳鋼 趙東來）

    高速度發展的經濟需要鋼結構工程，創新的現代鋼結構工程促進了經濟的發展。通過不斷的學習、實踐和總結，想為鋼結構工程的開拓發展出謀劃策。由于篇幅所限，分段發表，匯成系列。希望對鋼結構工程有一點促進作用。
    鋼結構企業要學會應用橡膠支座，善于應用橡膠支座將給鋼結構工程帶來開拓性的發展
    1、從一個國際承包工程得到的啟發
    中冶集團二十二冶鋼結構公司2005年承接新加坡的一個醫藥大廈的鋼結構工程（由于內容十分豐富，將發表專題論文）該工程的特點之一是：在地鐵運行線上空，地基基礎必須離開地鐵，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，現以TRUSS“A”（見圖一）為例來說明鋼桁架的形式及受荷情況。
    根據結構力學的規則：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動和水平位移。我們用SARP2000來分析支座的情況，得出微量轉動最大為0.32度，水平位移最大為30mm。對于特重荷載的大跨度梁來說，這個微量轉動和水平位移會產生一定量不可忽略的水平力，對于高位柱來說還會產生巨大的彎矩，因此支座設計和制造必須具有能滿足微量轉動和水平位移的功能，這就要作成傳統的能略有轉動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，施工困難而且隨時間的推移微量轉動和水平位移的功能會受損，有可能起不到鉸支座的功能，會產生大量的次應力，使支座的結構件產生裂縫或局部破壞，變形才能滿足支座的最大水平位移30mm，同時有足夠的側向剛度，因此這種橡膠支座成為了一個理想的鉸接支座。
    顯而易見橡膠支座與鋼結構技術的綜合應用能使我們創造一個很好的結構體系。鋼結構企業學會應用橡膠支座，善于應用橡膠支座，就會在大跨度鋼結構，高層結構，特殊用途的鋼結構中有開拓性的發展。
    2、橡膠支座的簡介
    2.1、目前我國應用于橋梁上的承壓支座多為板式橡膠支座，自上個世紀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JT/T4?2004是參照了美國AASHTO《美國公路橋梁設計規范?LRFD》（1994）和歐洲標準CEN/TC167N185（2001）等國的先進標準制定的，現在大量用于在連續橋、吊索橋、斜拉橋等的設計。上世紀90年代我國著名抗震專家。工程院院士周福霖教授開創了把國外先進的建筑隔震橡膠支座引入國內的先河。這種產品的特點是有很大的豎向承載力和很小的水平剛度。當地震發生時，靠橡膠支座內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，使建筑物由晃變為近于平動，減少地震災害。目前有建設部制定的JG118?2000行業標準。筆者了解到橡膠支座不僅能減少地震災害，目前有些聰明的開發商利用該產品在高速公路“鬧區”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用到鋼結構住宅上。
    橡膠支座應用在鋼結構工程上比較少，這主要在歷屆的鋼結構設計規范上沒有太多提及結構支座是一個原因；筆者還認是中國的鋼結構企業和專家還沒有進入自主承擔大量的有創新的鋼結構的設計，還處于主要是國外設計本國制造、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，支座外面是一個特殊的橡膠保護罩，防老化能達100年以上。因此，橡膠是橡膠支座中重要的材料，對于它的物理性能和力學性能有嚴格的要求。主要的物理性能應是：橡膠硬度為72±2度（邵爾）；拉伸強度為≥17MPa，扯斷伸長率為≥400%,橡膠與鋼板之間的剝離強度≥9KN/m。
    2.3、橡膠支座的壽命是由防老化和防火措施。
    橡膠支座設計時鄧決于外罩5?厚耐老化特殊橡膠保護層。根據周福霖院士多年觀察測算，該特殊橡膠層老化每年進度為0.034?，也就是說，一百年后橡膠老化進度為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、醫藥大廈鋼結構工程橡膠支座計算簡介
    鋼結構中的橡膠支座是設計、鋼結構制作安裝、橡膠支座制作緊密三結合的產物。設計提出了回字型支座，應能承受豎向力25000KN，支座最大水平位移為30?，支座最大轉角為0.32度。鋼結構制作單位根據設計，利用自身善于制作大型方矩管的優勢進行了較完善的詳圖設計，橡膠支座制作單位（衡水同力橡膠制品有限公司）利用自身的豐富經驗確定最佳的試驗支座。因為工程的回字型支座是巨大的其底面積為1186406mm2，又因為回字形是由許多矩形組成的，因此根據長年制作的經驗采用底面為200x200?高為77?的試驗塊，作一系列的試驗。
    現介紹部分試驗：首先根據設計求出鋼桁架支座的平均壓應力為25000KN/1186406mm2=30MPa，在200×200×77?的橡膠支座上施加30×200×200=1200KN的力，測定其豎向變形。


    最后在一系列試驗的基礎上進行四項驗算。
    1、承載力驗算根據試驗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，則支座抗壓設計強度=3600000/3×200×200=30MPa，支座承壓面積為1186406mm2，支座抗壓承載力=1186406×30=35592KN
    支座計算反力=25000KN
    ∵35592KN＞25000KN ∴承載力滿足。
    2、支座水平位移的驗算在200×200×77?的支座受到豎向力+水平力作用時，當水平位移等于30?時停止加載，然后卸載，扦查試件完整無損，再逐漸加載當支座水平位移等于30?時停止加載，此時水平推力為133KN。推導出鋼桁架水平推力P=1186406/200×200×133=3945KN
    橡膠支座與鋼板摩擦系數為0.2，在2500KN豎向力作用下橡膠支座與鋼板產生的摩擦力為25000×0.2=5000KN。顯然摩擦力5000KN＞支座水平位移30?時的水平推力3945KN。
    在測試中橡膠支座發生剪切變形，可測出支座頂到支座底水平位移的曲線，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。支座不會由于水平位移被推出，又不會把水平力傳到下面柱子。
    3、支座轉角的驗算橡膠支座的轉角靠橡膠層的變形來完成。
    支座轉角=橡膠厚度×轉角正切值/2
    現設計的橡膠支座為77?，橡膠總厚度為55?，鋼桁架支座轉角設計值為0.32度（TAN0.32=0.005585）支座角變形引起的位移=55×0.005585/2=0.154?
    在極限荷載試驗中，試件角變形位為3.69?＞0.154? ∴滿足支座轉動的要求。
    豎向剛度的計算
    根據國家行業標準《建筑隔震橡膠支座》的規定，
    豎向剛度=（1.3×設計豎向荷載-0.7×設計豎向荷載）/（1.3×設計豎向荷載下的豎向位移-0.7×設計豎向荷載下的豎向位移）
    求出200×200×77?試驗支座的豎向剛度：
    豎向剛度=（1560-840）/（1.521-0.819）=1025KN/?。
    推導出鋼桁架的豎向剛度=回形支座實際面積/200×200×1025=1186406/40000×1025=30401.65KN/?，也就是說在30401.65KN豎向力作用下，支座產生的豎向變形為1?，30401.64KN大于支座設計中的支座反力25000KN，因此十分安全。


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