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為鋼結構工程開(kāi)拓發(fā)展出謀劃策

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （陳云波 陳鋼 趙東來(lái)）

    高速度發(fā)展的經(jīng)濟需要鋼結構工程，創(chuàng )新的現代鋼結構工程促進(jìn)了經(jīng)濟的發(fā)展。通過(guò)不斷的學(xué)習、實(shí)踐和總結，想為鋼結構工程的開(kāi)拓發(fā)展出謀劃策。由于篇幅所限，分段發(fā)表，匯成系列。希望對鋼結構工程有一點(diǎn)促進(jìn)作用。
    鋼結構企業(yè)要學(xué)會(huì )應用橡膠支座，善于應用橡膠支座將給鋼結構工程帶來(lái)開(kāi)拓性的發(fā)展
    1、從一個(gè)國際承包工程得到的啟發(fā)
    中冶集團二十二冶鋼結構公司2005年承接新加坡的一個(gè)醫藥大廈的鋼結構工程（由于內容十分豐富，將發(fā)表專(zhuān)題論文）該工程的特點(diǎn)之一是：在地鐵運行線(xiàn)上空，地基基礎必須離開(kāi)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(jiàn)圖一）為例來(lái)說(shuō)明鋼桁架的形式及受荷情況。
    根據結構力學(xué)的規則：桁架上弦桿桿中心線(xiàn)和斜腹桿中心線(xiàn)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(dòng)和水平位移。我們用SARP2000來(lái)分析支座的情況，得出微量轉動(dòng)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(lái)說(shuō)，這個(gè)微量轉動(dòng)和水平位移會(huì )產(chǎn)生一定量不可忽略的水平力，對于高位柱來(lái)說(shuō)還會(huì )產(chǎn)生巨大的彎矩，因此支座設計和制造必須具有能滿(mǎn)足微量轉動(dòng)和水平位移的功能，這就要作成傳統的能略有轉動(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)生大量的次應力，使支座的結構件產(chǎn)生裂縫或局部破壞，變形才能滿(mǎn)足支座的最大水平位移30mm，同時(shí)有足夠的側向剛度，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(jiàn)橡膠支座與鋼結構技術(shù)的綜合應用能使我們創(chuàng )造一個(gè)很好的結構體系。鋼結構企業(yè)學(xué)會(huì )應用橡膠支座，善于應用橡膠支座，就會(huì )在大跨度鋼結構，高層結構，特殊用途的鋼結構中有開(kāi)拓性的發(fā)展。
    2、橡膠支座的簡(jiǎn)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(gè)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(jìn)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(zhù)名抗震專(zhuān)家。工程院院士周福霖教授開(kāi)創(chuàng )了把國外先進(jìn)的建筑隔震橡膠支座引入國內的先河。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。當地震發(fā)生時(shí)，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?yōu)榻谄絼?dòng)，減少地震災害。目前有建設部制定的JG118?2000行業(yè)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(kāi)發(fā)商利用該產(chǎn)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(méi)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(méi)有太多提及結構支座是一個(gè)原因；筆者還認是中國的鋼結構企業(yè)和專(zhuān)家還沒(méi)有進(jìn)入自主承擔大量的有創(chuàng )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(gè)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(xué)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(cháng)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(shí)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(guān)察測算，該特殊橡膠層老化每年進(jìn)度為0.034?，也就是說(shuō)，一百年后橡膠老化進(jìn)度為3.4?，顯而易見(jiàn)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(jiǎn)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(chǎn)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(yōu)勢進(jìn)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(jīng)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(cháng)年制作的經(jīng)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(jìn)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(mǎn)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(shí)，當水平位移等于30?時(shí)停止加載，然后卸載，扦查試件完整無(wú)損，再逐漸加載當支座水平位移等于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(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。
    在測試中橡膠支座發(fā)生剪切變形，可測出支座頂到支座底水平位移的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)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、支座轉角的驗算橡膠支座的轉角靠橡膠層的變形來(lái)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(mǎn)足支座轉動(dòng)的要求。
    豎向剛度的計算
    根據國家行業(yè)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(shí)際面積/200×200×1025=1186406/40000×1025=30401.65KN/?，也就是說(shuō)在30401.65KN豎向力作用下，支座產(chǎn)生的豎向變形為1?，30401.64KN大于支座設計中的支座反力25000KN，因此十分安全。


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