向心關節軸承節點在鋼結構工程中的應用

尹秋冬 葉澤航 張克濤 石文井

中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125

建筑業發展至今，鋼結構以其強度高、形式靈活等特點越來越受到設計者們的青睞。大型鋼結構多以大跨度桁架或網架等形式出現，通過鋼結構造型的不斷變換以滿足建筑師們對外觀的需求，同時由于結構形式復雜，受建筑凈空等條件限制，結構跨度大，支撐點反力較大[1-6]。

通常情況下，反力支點需要設置鉸接約束，以避免較大的彎矩對下部結構產生影響。鉸接支座目前可以選用的結構形式主要包括銷軸節點、盆式支座節點、關節軸承節點等。

重型關節軸承可根據結構荷載定型設計，與其他鉸接形式相比，具有各向受力好、耐久性強等優點，適合在鋼結構工程中推廣應用。

1 關節軸承介紹

關節軸承是指滑動接觸表面為球面，主要適用于擺動運動、傾斜運動和低速旋轉運動的滑動軸承。根據軸承形式又可細分為向心關節軸承、徑向接觸關節軸承、外圍帶球頭螺栓的關節軸承、帶螺栓關節軸承、角接觸向心關節軸承、推力關節軸承、軸向接觸關節軸承、角接觸推力關節軸承等（表1）。

表1 軸承類型對比

其中，向心關節軸承更接近于鋼結構桿件傳力（軸承徑向）的特點，軸承由內圈、外圈及滑動膜組成。節點受力體系一般包括外耳板底座、銷軸、軸承和中耳板，軸承安裝在中耳板的軸承孔內。

2 關節軸承設計

選定軸承類型后，依據結構體系確定內外耳板類型，建立三維實體模型，使用有限元分析軟件Ansys對試件進行彈塑性有限元分析。

向心關節軸承節點屬于多體接觸問題，各接觸點的應力應變情況比較復雜。為了簡化計算難度和提高計算效率，在不影響計算精度的情況下，對分析過程簡化后建立計算模型。

1）計算基于公稱尺寸，不考慮加工誤差。

2）PTFE（聚四氟乙烯）自潤滑材料較薄，成形前已與外圈黏結，將其與外圈作為一體分析。

3）采用靜力學有限元分析，主要驗證節點受力情況，采用Von-Mises屈服準則。

4）軸承內圈、外圈間建立接觸約束關系。

荷載按照設計荷載標準值施加徑向荷載，另外增加10%橫向荷載。各部位材料強度參數如表2所示。

表2 各部位材料強度參數

通過有限元軟件分析，應力最大處為軸承內圈與銷軸接觸受壓位置，最大應力為832.17 MPa，應力比達到0.61（圖1）。

外圈最大應力發生在與內圈接觸位置，最大應力為644.50 MPa，應力比0.47（圖2）。

圖1 內圈應力云圖

圖2 外圈應力云圖

銷軸最大應力發生在與內圈接觸位置，最大應力為335.23 MPa，應力比0.73（圖3）。

蓋板最大應力發生在與銷軸接觸位置，最大應力為170.64 MPa，應力比0.51（圖4）。

圖3 銷軸應力云圖

圖4 蓋板應力云圖

中耳板最大應力發生在與銷軸接觸位置，最大應力為164.60 MPa，應力比0.41（圖5）。

外耳板最大應力發生在與銷軸接觸位置，最大應力為505.50 MPa，應力比1.69。根據分析結果，外耳板已經局部發生屈服，需重新設計（圖6）。

圖5 中耳板應力云圖

圖6 內圈應力云圖

分析結果表明外耳板內側應力較大，需對外耳板內側增加凸臺。

原設計節點如圖7所示，節點中銷軸與外耳板接觸位置為直角，外耳板在銷軸的剪切作用力下，內側受力集中，形成邊緣效應。

對設計節點增加凸臺，優化后的節點如圖8所示。經重新分析，外耳板最大應力為291.5 MPa，應力比為0.97。在未增加整體板厚的情況下，應力水平降低約40%，達到經濟適用的設計目的。

圖8 增加凸臺優化后節點

圖7 原設計節點

3 向心關節軸承制作流程

根據軸承節點設計模型，確定加工圖紙。向心關節軸承外圈和內圈分別加工完成后，再進行裝配。

外圈內層所粘貼的PTFE（聚四氟乙烯）自潤滑層具有耐高溫、摩擦因數小等特點。將經過特殊加工的PTFE織物通過熱粘工藝貼于外圈內壁，在內圈與外圈之間形成潤滑層，長期適用溫度可達200～260 ℃，摩擦因數最小達到0.04。PTFE材料不會出現永久疲勞破壞，即使因疲勞而破壞，仍然能保持其物理的完整性，滿足全生命周期使用的要求。

軸承內外圈加工完成后進行組裝，組裝工藝流程為：裝配→配套→烘干→去膠→清洗→包裝。

4 向心關節軸承安裝流程

軸承座邊緣設置10°～20°倒角，便于軸承穿入（圖9），外圈開縫必須垂直于主要荷載方向。

軸承節點配合間隙小，需在工廠內組裝完成，節點與連接結構采用焊接。

4.1 軸承與中耳板的安裝

1）軸承與軸承墊塊需在防腐干冰桶中冷卻1 h（圖10），軸承需垂直放入，便于吊入和吊出軸承。

圖9 引導角

圖10 軸承冷卻

2）先安裝一側軸承壓蓋，穿入中耳板螺栓，然后水平放置（圖11）。

3）待軸承墊塊、軸承冷卻完畢后，依次裝入中耳板孔內（特別注意開縫垂直于受載方向），安裝另一塊軸承壓蓋，鎖緊軸承壓蓋（圖12）。

圖11 耳板平放

圖12 安裝軸承

4）軸承裝配完畢，等待軸承恢復常溫。

4.2 中耳板、外耳板的安裝

1）平放雙耳板。

2）依次水平穿入定位套、中耳板軸承整體、定位套，確保軸承內孔、定位套內孔與雙耳板內孔垂直（圖13）。

4.3 銷軸的安裝

1）使用掛環安裝在銷軸螺栓孔內，吊入干冰內冷卻1 h（圖14）。

圖13 安裝外耳板

圖14 冷卻銷軸

2）待銷軸冷卻完畢后，垂直吊入已經安裝好的雙耳板內（圖15）。

3）銷軸成功裝入后，使水平放置的雙耳板垂直放置，鎖緊銷軸蓋板，安裝完畢（圖16）。

圖15 裝入銷軸

圖16 安裝蓋板

5 結語

鋼結構工程設計中節點連接方式的設計至關重要，按傳力方式主要分為剛接、鉸接及其組合形式，軸承節點作為萬向鉸接節點可以接近理想鉸接節點，滿足復雜空間傳力的需求。重型關節軸承既可承受重型荷載，又可在承受不同方向荷載時實現鉸接，通過設計軸承接觸表面為免維護，耐磨年限長達100年，是鋼結構工程設計中理想的連接形式。

在拉薩貢嘎機場T3航站樓項目中，鋼結構屋面桁架最大跨度達到63 m，最大承載能力14 750 kN，結構設計采用兩端鉸接的梭形桿件支撐屋面桁架。節點處最多連接14根桿件，受力關系復雜，桁架主次桿件相貫連接，梭形柱兩端鉸接節點采用向心關節軸承節點，簡化受力關系，便于施工。

向心關節軸承節點以關節軸承為轉動核心，真正實現空間三向受力和鉸接連接性能，在釋放應力的同時，大大提高了鋼結構的抗震性能以及抗強風、抗溫差等性能。節點采用不銹鋼、免維護密封結構，提高了整個節點整體使用壽命。