1、 水 泥 科 技 SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CEMENT 网架设计中的支座约束及 板式橡胶支座的应用 张军峰熊鹏 (合肥水泥研究设计院 230051) 【摘 要】 本文简述了网架结构设计中的支座约束条件的合理选用，并根据不同的支承条件做出了详细说明，同时重点 论述了选用橡胶支座节点时弹性刚度的计算方法。 【关键词】 网架设计 支座约束条件 刚度计算 橡胶支座 网架结构在我国的发展及应用可以用异常迅速 来形容，短短的数十年已大批量广泛应用于各种工 业与民用建筑领域。然而随着网架结构的广泛应 用，其结构形式的不断更新变化，在其设计施工中也 出现了各种各样的难点问题，其中设
2、计中的支座约 束问题显得尤为突出。在此，笔者想结合橡胶支座 的应用就网架结构的支座约束问题做一简单的阐 述。 1支座约束的定义 网架的支座约束基本上可以分为自由、弹性、固 定、强迫位移四种。在这里重点阐述一下弹性约束 方式，这也是目前工程实践中应用最多最广泛的支 座约束方式。同时必须强调，如何选择合理的支座 约束条件直接影响着网架结构的内力分配，无论选 择哪种支座约束条件一定要和实际中选用的支座节 点处理方式相吻合，工程实践中证明，相当一部分网 架工程中出现的设计事故都是源于计算假定与实际 不符，特别是支座约束条件的假定与支座节点的选 用不符。 所谓弹性约束即指通过计算网架下部支承体系 的弹性
3、刚度带入网架计算模型作为支座约束的边界 条件，而结构设计中的弹性刚度是指支承体系发生 单位位移所需要的外力，即将支承结构体系看成一 个三向弹簧，因此弹性刚度包括三个内容：竖向支承 刚度；两个水平方向的剪切侧移刚度。 2支承体系弹性刚度的确定 作为网架结构的下部支承体系，无论是梁、柱、 框架或者其他体系，通常认为其竖向支承刚度无穷 大，忽略其为其竖向或者轴向变形，在实际的网架模 型支座约束设置中一般情况下设置为竖向固定，而 水平方向弹性刚度相比竖向或轴向刚度来说要小的 多，一般通过计算确定，最简单也是最基础的一种支 承体系是下部支承结构为单柱也就是结构力学中的 悬臂柱时，其水平方向的弹性刚度计算
4、公式为： K一 (21) 其中，E、I、L分别为支承柱的材料弹性模量、截面惯 性矩和柱子长度。K单位为：KNram。 通常情况下，当下部支承结构较复杂时，水平方 向弹性刚度的准确算法应该是上下结构整体连算， 一种可以替代的办法是考虑下部局部支承结构联合 计算，现有的计算软件完全能够做到这一点。如果 采用橡胶支座，则支承刚度应该为橡胶和其他支承 结构对应刚度的并联弹性刚度，不过这种情况下通 一43 水 泥 科 技 SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CEMENT 常无需考虑下部其他支承结构刚度，其原因可以用 高等数学求极限的方法对串联弹簧等效刚度公式做 一简单推导既可证明，推导的
5、前提条件是橡胶刚度 相对下部支撑结构刚度很小。一般平板压力支座其 自身的水平支承刚度很难确定，竖向支承可以近似 按固定考虑，但是水平刚度则不能简单按此处理，要 视支座与下部结构的连接方式区分对待：当平板压 力支座与下部支承结构固定连接时，水平刚度应完 全由下部支承结构的水平刚度决定；当平板压力支 篮咝 2 1 支座橡胶垫 座的构造方式为过渡板加螺栓且支座底板开长圆孔 时，水平支承刚度和压力有较大关系，以钢和混凝土 支承柱来说，钢和混凝土的摩查系数大约为02 03，在此条件下，水平滑移能力直接和压力相关，因 此，与采用橡胶支座同理，此时应当考虑弹性刚度的 并联效应。 3板式橡胶支座的应用 图l板
6、式橡胶支座节点 在网架设计过程中，经常会遇到以下几个难点： 计困难。在这种情况下，我们往往需要通过支座的 (1)当下部结构已经施工完毕，在此基础上进 构造处理来解决问题，采用板式橡胶支座，可以有效 行网架设计，拟采用普通的平板压力支座，但由于下 的解决这些问题，将水平位移消化在支座处而尽量 部结构水平刚度偏小，造成计算结果支座水平位移 减小对下部结构的影响或者通过支座处的水平剪切 过大； 变形有效的释放过大的水平力，工程实践证明板式 (2)网架设计过程中，由于结构形式原因，或者 荷载原因造成支座处水平力过大，造成下部结构设 一一 44 橡胶支座是一种行之有效的办法，其节点构造简清 晰，计算简便
7、的优点得到充分发挥。 。 譬 。 簿 _毒 。鼍毒 ll。 一 水 泥 科 技 SCIENCE AND TECHN0LOGY 0F CEMENT 4使用橡胶支座时。刚度的计算 对于设有橡胶支座的网架结构，分析计算时应 当将橡胶垫板看作一个弹性元件，其竖向刚度K 及水平方向刚度K 、K 。分别取为： Kzo一 ，K如：KvO (41) 橡胶支座设置在网架支承结构上，因此应该计 算橡胶垫板与支承结构的组合刚度。如支承结构为 独立柱时，独立柱的竖向刚度和两个方向的水平刚 度分别为： KZ1一毕，K 丁3Ely K一 (42) 式中：E一支承柱的弹性模量 I 、I 一支承柱截面两个方向的截面惯性矩；
8、1一支承柱的长度。 此时，橡胶垫板与支承柱的组合刚度，可根据并 联弹性元件的原理，分别求得竖向及水平方向组合 刚度K。，K ，K ： K 一 一 一 (43) 当支承结构沿网架边界构成框架柱时，考虑到 框架柱在框架平面内刚度水平刚度可近似为无穷 大，此时，竖向刚度和另外一个水平方向的刚度可仍 参照式计算，而在框架平面内方向的水平刚度就取 橡胶垫板在该方向的水平刚度。 5 以一工程实例进行计算比较 以武汉鑫凌云水泥厂O86m石灰石预均化堆场 网壳屋面工程为例来计算比较： 该工程为球壳结构，直径86m，支承结构为钢筋 砼独立柱，32个独立柱支承沿圆周布置，支座约束 方式采用三向固定约束，计算得各支
9、座处沿圆周法 向的水平反力最大值Rn=330KN，考虑独立柱自柱 顶至基础承台顶面长84m，因此柱根部由水平力引 起的最大弯矩M一2772KNM，因为水平力过大， 造成下部支承柱及基础设计起来相当困难。我们假 设32个支座节点均采用橡胶支座，按照支座节点弹 性约束方式，试计算各支座处法向水平反力及竖向 反力最大值与之相比较： 假设支承柱截面尺寸为(x)500mm(Y) 700ram，柱长=84m(取至基础承台顶面)，混凝土 为C25，Ec一2810 Nmm ；设橡胶垫板取平面 尺寸为350ram350ram，d一38ram，d030mm，E 一942Nmm。，G一088Nmm。按此条件分别计
10、算橡胶垫板的刚度及其与支承结构的组合刚度如 下： 由式41可求的橡胶垫板xYZ三个方向的 刚度： Kz0一942X 3 50X3503847KN3 N mm z0 _ 一一 K如一- 一36KNmm 由式42可求的独立柱三个方向的刚度： Kz一 一l167KN16 Nmm Kz 一 厂一 Kx1一 一1o3KNmm x 一 丽广一一u mm Kv】一 一2o3KNNIFlm K 一 一一zo 由式43可分别求的橡胶垫板与支承结构的 三个组合刚度： Kz一 -895KNmm Kx一 8KNmm Ky一 -13KNmm 由此可见，橡胶垫板的竖向刚度远大于其水平 刚度；橡胶垫板与其支承结构在各方向的
11、组合刚度 分别小于橡胶垫板、支承结构各自方向的刚度，由于 竖向刚度一般都比较大，在网架支座约束中通常都 视为固定。将以上计算出的组合刚度Kx、Ky经过 分解计算处理后带入圆周上每个支座约束进行计算 得到各支座处沿圆周法向的水平反力最大值Rn一 69KN；，柱根部由水平力引起的最大弯矩M一 580KNM，相当于三向固定约束时的14至15， 可见使用橡胶支座在减小因温度等荷载引起的支座 水平力方面，作用还是相当明显的。 6 结论 一45 水 泥 科 技 SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CEMENT (1)网架设计当中，支座约束条件是非常关键的 一环，根据实际情况选择合理的支座约
12、束条件不仅 对结构的合理性、安全性而且对工程造价的经济性 都产生重要的影响； (2)弹性刚度的计算应当综合考虑下部支承结 构的结构形式以及所选用支座的构造特点，力求计 算出的弹性刚度科学、合理、准确； (3)橡胶支座节点的设置主要目的在于减小或 者释放对结构有害的水平力，减轻水平力对下部结 构的作用，并达到减震、隔震的目的。因此应结合工 程具体情况，对工作条件、地质状况、抗震设防要求 以及下部支承结构的刚度条件等因素加以综合考 虑，使结构在设置了这种支座节点后能通过节点沿 水平方向的剪切变位达到预期的目的。 参考文献 1网架结构设计与施工规程)JGJ791，北 京，1991； 21沈祖炎、陈扬
13、骥编著网架与网壳，同济大 学出版社，1997年5月； 3陈芮、王唏、王志民；橡胶支座性能及在建筑 结构中的应用研究，第四届空间结构学术交流会论 文集，第二卷，1998； 41严慧、董石磷；橡胶支座节点的设计与应用 研究，空间结构，第一卷第二期，1995年5月。 美岭水泥有限公司”2500td熟料无烟煤煅烧水泥生产线 福建省泉州美岭水泥有限公司”2500td熟料 无烟煤煅烧水泥生产线”于2008年11月28日投 料，2008年12月24日0：00至2008年12月27日 0：00实现考核达标。达标期间共生产合格熟料 8291吨，平均日产量2764吨。生产中采用的为福 建省当地的无烟煤，其挥发份均
14、小于5 。由合肥 水泥研究设计院设计的是福建省”十一五”期间的重 点工程。于2007年5月开工建设。经过一年多的 建设安装，2008年11月进入试生产，在设计单位、 设备制造、安装单位的共同努力下，在投产不到一个 月的时问内实现了达标。 由我院设计福建省泉州美岭水泥有限公司” 2500td熟料无烟煤煅烧水泥生产线”的设计合同 签定后，院长徐宁、分院院长姚强非常重视，在项目 紧任务重的情况下，安排落实各工种的设计人员。 项目组的同志本着认真负责的态度，为企业着想。 在场地选择时，负责总图设计的武青山同志为了满 足企业征地的需要，多次去现场，布置了多张总图， 最终确定了现在的位置。在设计中，项目组
15、的同志 们为企业着想，精心设计，加班加点，为了早日出图 大家放弃春节假日休息，工艺工种负责人陈飞同志， 每天加班加点，晚上l1点以后才返家。项目组的大 部分同志都能以高标准、高要求、务实的作风要求自 己完成了本次设计。 一46一 生产线设计中，采用了目前国内成熟、可靠、安 全、先进的技术和设备，提高生产线了自动化水平。 设计中重视各生产环节的粉尘治理，做到生产线达 标排放。加强噪声防治和绿化措施，做到环保”三同 时”。在生产线上采用了我院开发设计的改进型的 RSP分解炉预热器系统，无烟煤细磨技术；并使用 了我院生产的HRM3400B立磨，QCS生料配料控 制系统，煤粉计量装置以及辊压机及水泥筛
16、分等技 术。投产后的分解炉预热器系统运行正常，分解炉 适应当地的低挥发份的无烟煤煅烧，入窑的生料分 解率93 ，目前生产表明，其生产能力在2700 3000td；煤粉制备系统设计中采用的无烟煤细磨和 选粉技术成熟可靠，细度细度调节灵活方便，满足了 无烟煤煅烧的需求。我院煤粉计量装置在使用中， 能稳定保证细度小于1 的窑头、窑尾煤粉给料计 量。HRM3400B立磨在生产运行可靠，目前产量 220 th，生料细度为l5 。采用辊压机及水泥筛 分技术投运后的水泥粉磨系统，将大幅度降低水泥 制成系统的电耗，降低企业生产成本。 目前。主要指标均超过设计水平。该线的投产 成功，有利于福建省水泥工业的结构调整，同时填补 本地区无高标号水泥的空白，缓解了该地区所需高 标号水泥依靠外地的矛盾。
