网架结构支座类型选取方法及支座刚度取值研究

城市建筑┃结构•抗震┃URBANISMANDARCHITECTURE┃STRUCTURE•ASEISMATIC083网架结构支座类型选取方法及支座刚度取值研究■龚凯贾建坡[摘要]本文从实际工程中用到的各种网架支座类型展开介绍，从结构体系合理的角度出发，对具体项目如何选择合适的支座类型提出了自己的观点。通过计算分析和工程实例，给出了网架支座刚度取值的具体方法。[关键词]网架支座约束弹簧刚度目前网架设计师一般习惯把网架支座简化为弹性约束，弹簧刚度取值正确与否直接影响了网架结构的安全。目前国家规范对网架支座弹簧刚度的取值没有严格的规定，不同的设计师对弹簧刚度的理解千差万别，通过研究得出网架支座弹簧刚度取值的科学方法是非常必要的。一、网架结构支座类型网架结构支座类型一般可以从力学模型和支座构造两方面分类。1.按力学模型分固定铰支座、单向滑动铰支座、双向滑动铰支座、单向弹簧铰支座、双向弹簧铰支座。2.按支座构造分平板压力支座、平板拉力支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球形钢支座等。3.支座构造与力学模型的对应关系平板支座（平板压力支座、平板拉力支座）可以实现固定铰支座，但是无法实现比较理想的单向滑动铰支座和双向滑动铰支座，也不能实现准确弹簧约束值的单向弹簧铰支座和双向弹簧铰支座。另外平板支座对弯矩释放不是很好，对于大跨度网架（＞60m）、支座转角较大（＞0.005rad）和受力复杂的支座节点不宜选用，否则将造成计算假定与实际受力偏差较大。板式橡胶支座和盆式橡胶支座可以实现固定铰支座、单向弹簧铰支座、双向弹簧铰支座，不能实现比较理想的单向滑动铰支座和双向滑动铰支座。另外板式橡胶支座和盆式橡胶支座耐久性差，设计使用年限一般不大于20年，对于检修比较困难或检修代价比较大的工程不宜采用。球形钢支座可以实现固定铰支座、单向滑动铰支座、双向滑动铰支座、单向弹簧铰支座和双向弹簧铰支座，耐久性又非常好，正常维护的情况下一般可以达到50年以上，是非常好的一种支座形式。但是球形钢支座也有一个缺点，就是价格比其它支座类型要高。二、网架结构支座类型如何选择在具体项目中网架结构支座类型如何选择，要根据结构整体受力合理、网架跨度、支座受力复杂程度、耐久性、造价等因素综合确定。1.结构整体受力合理不少网架设计师喜欢将网架全部或部分支座水平位移约束释放以简化计算，但是网架支座水平位移约束释放后，网架下部支承结构水平力传递有可能会变的不合理。比如对于屋顶为网架结构的单层空旷建筑，如将全部支座水平位移约束释放的话，水平地震作用下网架支承柱就成了悬臂柱，此时网架起不到协调各支承柱共同抵抗水平力的作用，中震或大震下支承柱柱顶发生大变形，网架支座开始传递水平力，由于支座刚开始是释放水平位移的，我们无法保证各个支座同时传递水平力，若是某一个或某几个支座最先开始受力，那么很可能会各个击破，各个支座先后破坏，从而导致网架整体偏离支承结构而发生塌落破坏。所以网架支座选用何种形式应从结构整体受力合理来考虑，不能仅考虑网架计算简化或者仅考虑网架自身安全。2.网架跨度。大跨度屋盖结构应考虑构件变形、支撑结构位移、边界约束条件和温度变化等对其内力产生的影响；同时可根据结构的具体情况采用能适应变形的支座以释放内力。大跨度屋盖结构系指跨度≥60m的屋盖结构。跨度﹥36m的两端铰支承的桁架，在竖向荷载作用下，下弦弹性伸长对支承构件产生水平推力时，应考虑其影响。对于风敏感的或跨度﹥36m的柔性屋盖结构，应考虑风压脉动对结构产生风振的影响。有以上几条可以看出，当网架结构跨度﹥36m时，在恒载作用下，下弦会因伸长而对支承构件产生一定的水平推力；在风荷载作用下，网架会产生风振影响，当风荷载为压力时，支座转角会增大，当风荷载为吸力时，支座转角会减小，由于风荷载为脉动荷载，时大时小，时有时无，所以对支座转动释放能力要求较高。当网架跨度≥60m时，以上影响将会更大。所以当网架跨度﹥36m时宜采用释放转动和位移性能更好的橡胶支座、盆式橡胶支座或者球形钢支座；当网架跨度≥60m时应选用橡胶支座、盆式橡胶支座或者球形钢支座。对于检修比较困难或检修代价比较大的工程优选球形钢支座。3.支座受力复杂程度支座受力无非是拉、压、弯、剪、扭几种情况，哪种受力算是复杂？对于平板支座、橡胶支座和球形钢支座均能承受拉力、压力、剪力，所以拉、压、剪不能算是复杂，而对于释放位移约束和释放转动不是每一种支座都能实现的，所以对于释放位移和释放转动的应该算是受力复杂。下面分情况介绍各种受力复杂情况下如何选择合适的支座。（1）需要位移释放时当释放位移≤50mm时，可以采用带过渡板的平板支座，过渡板与支座底板间应放置聚四氟乙烯板，并且过渡板上应开孔，开孔孔径保证位移量≥50mm；宜采用橡胶支座，但应验算橡胶支座剪切变形位移量以满足设计要求；优先采用能释放位移的球形钢支座。当释放位移50～100mm时，平板支座已很难实现，可以采用橡胶支座，但应验算橡胶支座剪切变形位移量以满足设计要求，此时因为释放位移的要求橡胶支座平面尺寸会比较大；宜优先考虑能释放位移的球形钢支座。当释放位移≥100mm时，平板支座已不能实现，橡胶支座平面尺寸会非常大，所以应采用能释放位移的球形钢支座。（2）需要释放转动时当支座转角≤0.005rad时，可以采用带过渡板的平板支座，宜采用橡胶支座，优先采用球形钢支座。当支座转角0.005～0.02rad时，可以采用橡胶支座，宜采用球形钢支座。当支座转角≥0.02rad时，应采用球形钢支座。当支座转角不是很大（≤0.02rad），但支座转动变形往复变化很频繁时，考虑到橡胶支座易老化，所以建议选用球形钢支座。（3）需要减小支座水平刚度时对于网架支承结构水平刚度较大、大跨度（≥60m）网架和长度超长（≥120m）的网架，在温度荷载作用下，网架对支承结构水平推力较大，导致下部结构截面或配筋很大，此时若采用弹簧铰支座，就可以减小支座水平刚度，从而减小网架对下部支承构件的水平推力。这种情况下可以选用的支座类型是橡胶支座或带弹簧的球形钢支座。支座弹簧刚度取网架和下部结构整体模型计算最优值，一般在2～15kN/mm之间。4.耐久性网架支座耐久性不应小于主体结构设计年限，若网架支座耐久性小于主体结构设计年限，应考虑在使用阶段进行定期检查并及时进行更换。各种支座耐久性如下：平板支座（≥50年）=球形钢支座（≥50年）﹥橡胶支座（10～20年）。对于室外工程，一般有操作面，支座更换困难不大，但是对于一般的民用建筑，要考虑更换的可行性和更换的代价。对于个别更换支座可能引起建筑功能中断的情况，应慎重选择，比如对于医院、供水、供电等生命线工程，不宜选用耐久性差的橡胶支座。5.造价不同的支座类型造价不同，一般来讲，球形钢支座＞橡胶支座＞平板支座，在安全适用、确保质量、技术先进的前提下，应选择经济合理的支座类型。三、网架支座刚度取值目前网架设计师一般习惯把网架支座水平约束简化为弹性约束，国家规范对网架支座弹簧刚度的取值没有严格的规定，不同的设计师对弹簧刚度的理解千差万别，本文从力学基本概念入手，系统梳理各种支座形式下支座弹簧刚度取值的方法。1.当网架支座采用固定铰支座时。此种情况下支座水平弹簧刚度即为下部支承结构对网架的水平约束刚度，下部结构对网架的水平约束刚度应从整体模型中得到。用通用有限元软件（比如3d3s）建立网架和下部支承结构的整体模型，将网架和下部结构模型调试至整体指标、构件配筋、挠度、裂缝、强度、稳定、长细比等均满足规范要求时，查看单工况下网架支座反力，然后删除下部结构，将网架支座处加上弹性约束，弹簧刚度从（下转第085页）城市建筑┃结构•抗震┃URBANISMANDARCHITECTURE┃STRUCTURE•ASEISMATIC085表1高层主楼结构自振周期周期（s）平动系数（X方向）平动系数（Y方向）扭转系数振型号SATWEMIDASSATWEMIDASSATWEMIDASSATWEMIDAS13.243.200.861.000.861.000.000.0023.243.100.140.000.140.000.000.0032.082.100.000.000.000.001.001.00表2高层主楼主要控制参数表SATWEMIDAS作用方向XYXY楼层最小剪重比2.42%2.45%3.10%3.00%有效质量系数97.66%97.12%91.1%92.3%Tt/T10.640.62楼层最大水平位移与该楼层平均值的最大比值1.111.111.101.10楼层层间最大位移与层高之比的最大值1/10561/10471/11801/1150最小楼层抗剪承载力之比0.820.86--（注：楼层层间最大位移与层高之比的允许值为1/1000）由计算结果对比可见采用两种不同软件所计算得出的数据均比较接近，同时亦满足了规范的要求，从而保证了结构设计的可靠性和安全性。另外还在建筑底部几层外框密柱采用了型钢混凝土柱，以保证建筑有足够的延性和抗震能力。3.扭转问题超高层建筑结构出现扭转现象无疑会影响建筑的正常使用，并产生安全性问题。而导致该类问题出现的根本原因在于超高层建筑物结构设计师在进行结构设计时，并没有对设计方案中建筑的刚度中心、几何形心和结构重心三者是否重合进行仔细验算，如此便造成超高层建筑无法承受水平方向的压力，从而出现扭转问题。对此，笔者认为，在进行结构平面布置时，就应注意加强建筑的外围刚度，充分利用建筑周边的密柱和高度较高的裙梁来增强建筑的抗侧刚度和抗扭刚度，如此可有效减轻建筑的扭转效应。本项目根据两种软件计算的周期比以及扭转系数等数值均显示出建筑良好的抗扭性能。4.基础设计问题超高层建筑物结构设计中的基础设计是保证建筑抗倾覆和安全性的重点，同时亦关乎着后期施工时的难易程度。对于基础设计中应当注意的问题及处理方法，结合本工程的基础设计总结如下：在预设超高层建筑的埋置深度和基础类型时，应当根据地勘报告考虑场地地基的稳定性要求，根据地质情况选用合适的基础类型和计算模型，防止建筑在建设或使用过程中出现整体倾斜或局部不均匀沉降等安全问题。本工程设置了两层地下室以保证基础的埋置深度，基础根据地质情况选用桩筏基础，筏板厚度为2500mm；桩为直径800mm的钻孔灌注桩；桩长29m；以第8层中风化玄武岩为桩端持力层。经过计算所得的沉降量满足规范的要求。5.各项工种之间的协作问题为确保超高层建筑结构设计方案的科学性，并能于后期的施工图设计和现场施工的可行性，在整个设计过程中以及后续施工期间，还应当注意以下问题：（1）在进行高层建筑结构设计之前，就组织相关设计人员到现场进行实际考察，以便掌握施工地点的地质条件和水文气象等环境，并熟悉了解当地的工程习惯和人文情怀，以确保在后续设计中达到业主的要求。（2）在进行超高层建筑结构方案设计时，及时与建筑、设备等相关专业互相沟通协调，尽量减少各专业之间的矛盾和冲突，满足相关规范的要求，尽早通过专家评审，减少后续施工图设计的难度，缩短设计周期。（3）在施工图设计过程中，针对方案未完善的部分进行详细设计，对一些重点、难点部位必须仔细研究，反复计算，从而保证设计质量。（4）在项目进入施工过程中，及时同施工方进行设计交底，对工程的重点和难点部位及时同建设方、监理单位和施工单位进行协调会商，并保证信息交流的实时通畅，遇到问题及时处理。三、结语总而言之，在当前时代背景下，超高层建筑将会随着城市的发展越来越多，而对于超高层建筑结构设计的要求也会越来越高。对于结构设计人员而言，超高层建筑的结构设计是一项复杂、系统化且需考虑全面的工作，关乎着民众的生命财产安全，只有不断提升自身的专业能力，注重设计经验的积累，及时关注超高层建筑结构设计相关的新技术、新方法，并合理的运用到实际工作中，方可保证建筑结构设计的科学性、合理性和安全性。参考文献[1]郭怀祥.浅谈超高层建筑结构设计的关键性问题[J].中华民居：下旬刊，2014(9)：357-358.[2]徐春卯.超高层建筑结构设计的关键性问题思考[J].科技创新与应用，2015(13)：243.[3]