球型鉸支座在仿生造型建筑鋼結構工程中的應用

周祿 項玲芳 李寶泉

摘 要：許多美觀、耐力的空間結構都是通過形態模仿、力學模仿、材料模仿、功能模仿或者施工模仿構想設計出來的。仿生造型建筑通過對模仿生物體的特征進行原理分析、設計，常采用鋼結構工程予以實現，球型鉸支座在減小鋼結構應力變形方面發揮著重大作用。本文結合工程實例，就球型鉸支座的選擇、安裝、養護等進行總結與探討，希望對類似仿生造型建筑工程的設計及施工起到一定的指導作用。

關鍵詞：球型鉸支座；仿生造型建筑；鋼結構；應力變形

前言

仿生造型建筑采用仿生原理，借用生物形式的邏輯構成來研究其規律并用于建筑領域。大千世界蘊藏著無數優美的模仿素材，貝殼、花卉、昆蟲、鳥類、雕塑、飛船、拋物線、雙曲線、細胞結構等都是建筑造型可以模仿的對象。仿生造型建筑常采用鋼結構，一般為大跨空間可呼吸結構體系，常將支座設計成彈性支座來避免產生較大的應力變形，球型鉸支座是較為普遍采用的一種彈性支座。

一、工程概況

鳳凰島·鳳凰之舟項目位于山東省青島市黃島區金沙灘路南，西海岸新區啤酒文化廣場內，規劃用地面積63425m2，總建筑面積為39025.67m2。項目主要建筑功能為劇院、演藝大廳、餐廳及底層部分商業，演藝大廳位于鳳身及鳳頭，小劇場位于鳳尾。

該工程屋蓋鋼結構為大跨異形空間結構，主要豎向承重構件為四榀正交放置的拱桁架，并通過頂部平面背部桁架進行彼此相連。頭部結構由其下方樓層鋼框架結構、斜柱支撐立面桁架、頸部平面桁架、雨棚與嘴部平臺組成；兩翼為立面斜柱環梁及懸挑鋼梁組成；尾部為單層網殼及懸挑鋼梁均通過中部形成的拱架和背部桁架實現大懸挑，裝飾柵格為處于兩翼及頭部外的懸挑鋼梁，屋面最高點位于頭部懸挑鋼梁頂部標高為+62m。

二、技術難點及解決措施

本工程結構變形控制是一大技術難點，結構變形主要因素：（1）鳳頭和鳳尾因結構形式不同引起的結構不均勻壓縮變形；（2）鋼結構工程因自身結構（大跨度、高自重）、施工工藝（焊接）、氣溫等各種因素產生的變形；（3）施工過程中，隨著各專業施工的陸續插入，各類荷載不斷增加，豎向構件發生彈性壓縮。由于上述因素的疊加影響，易誘發結構尺寸變化、位置偏差等變形問題。

為完成結構體因上述諸多因素產生的伸縮位移變形，本工程將尾部V型柱支座、兩翼鋼柱鉸接支座、兩翼拱架柱支座、主拱架鋼柱支座、斜柱頂部環梁支座設計為QZ系列球型鉸支座。

三、球型鉸支座簡介

QZ系列球型鉸支座是由上座板、下座板、凸形中間鋼板及兩塊不同形狀的聚四氟乙烯板組成。下座板中間為一凹形球面，同凸形中間板相對應，兩者之間襯有一弧形四氟板，通過球面與之滑動來滿足梁端的轉動，上座板上的不銹鋼板與中間鋼板上的另一四氟板組成第二滑動面，完成上下結構體因溫差等諸多因素產生的伸縮位移變形。

球型鉸支座傳力可靠，各向轉動性能一致，不僅具備盆式橡膠支座承載能力大、水平位移大的特點，而且能適應大轉角的需要，適用于桁架，連廊，網架，鋼結構，膜結構及寬橋、曲線橋等建筑。由于承壓部件不使用橡膠件，不存在橡膠低溫脆性等影響，因此特別適用于低溫地區。

四、球型鉸支座概況

本工程球型鉸支座結構構造如圖2所示，平面布置如圖3所示。滑動材料采用MHP滑板，滑板設計抗壓強度60MPa，極限抗壓強度200MPa，安裝板表面儲油槽內涂以5201-2硅脂潤滑油。

本工程球型鉸支座材質要求詳見表1，使用部位、性能指標等要求詳見表2。

五、球型鉸支座安裝

1.鉸支座KLQZ-6000KN-GD1（ZZ1-1）、KLQZ-6000KN-GD4（ZZ1a-1）、KLQZ-4000KN-GD（ZZ2-1）、KLQZ-6000KN-GD（ZZ3-1）、KLQZ-6000KN-GD3（ZZ3a-1）與上下部結構采用焊接，手工焊采用E50型焊條，CO2氣體保護焊采用ER50-3焊絲；支座KLQZ-200KN-GD（ZZ4-1）、KLQZ-9200KN-GD（ZZ5-1）、KLQZ-9600KN-GD（ZZ6-1）與上下部結構采用焊接，手工焊采用E50型焊條，CO2氣體保護焊采用H08Mn2SiA焊絲。支座的安裝方案、連接形式應與結構設計人員具體商定，嚴格按照設計要求進行安裝，以保證上、下部結構與支座的可靠連接和功能發揮。

2.下部鋼筋混凝土柱的混凝土標號不得低于C40級。

3.柱內配筋應參考本支座設計時的研究分析結果，即在自柱頂沿柱軸線方向柱腳方向的0.25b至0.6b的高度范圍內（b為柱截面寬度），增大水平箍筋截面的配置，其增加量依承載力分析結果確定。

4.支座根據設計需要在上支座板與滑板之間設置偏值。

5.鉸支座組裝完成后需安裝臨時固定措施，加工技術要求及檢驗方法參見《橋梁球型支座》（GB/T 17955-2009）。

6.鉸支座和預埋鋼板的連接采用焊接時，要采取降溫措施，或對邊斷續焊的方法，防止鉸支座鋼件過熱而損壞聚四氟乙烯板，橡膠密封圈和5201硅脂。

7.安裝前應使下部結構的標高和水平度滿足設計要求。鉸支座四角高差不大于1mm。

8.鉸支座中心線應與主梁中心線及下部結構安裝線重合。

9.鉸支座安裝就位后，底板與預埋鋼板焊接應符合設計要求。待梁體施工完畢后，應立即拆除臨時連接件。

10.鉸支座安裝時必須將上支座板與下支座板的連接件安裝好，待支座安裝就位完成后拆除，并立即安裝上防塵罩。

六、球型鉸支座養護

1.鉸支座使用期間應定期檢查，每查一次，保養一次。

2.檢查鉸支座與上、下連接件是否有破壞，檢查螺栓是否剪斷或松動，焊縫是否開裂等。

3.檢查防塵罩內積塵情況，并清除灰塵。

4.檢查橡膠密封圈有無龜裂和老化現象。

5.旋動固定螺母，清洗干凈后重新上油，以免銹死。

6.檢查鉸支座本身高度變化，此變化反應聚四氟乙烯板的磨耗狀況，當高度變化超過4mm時應大修。

7.檢查防銹漆完好程度，如有脫落應用砂布磨出鋼體并呈現出金屬光澤后重新上漆。

8.特殊情況發生后（如地震、破壞性大風等），應及時檢查上述內容。

七、結語

本工程采用鋼結構大跨空間可呼吸結構體系，充分利用球型鉸支座的優越性能，從最初的創意到理性的邏輯分析再到結構設計、建造，仿生造型建筑與結構完美結合，優雅呈現，實現了設計師模仿鳳凰的概念與創意。

參考文獻

[1]王小盾，孔翠妍，陳志華，田川.天津大學體育館仿生結構設計.《工業建筑》（增刊），2012.

[2]王小盾，余建星，陳志華.天津博物館設計與技術.建筑學報，2004年11期.