可双向滑移向心关节轴承节点的研究

林燕森

摘 要：关节轴承在钢结构建筑节点连接中有着比较广泛的应用，不过常规的关节轴承仅仅具备了面内向外转动的性能，无法满足一些特殊建筑对于大滑移量的需求。对此，福建龙溪轴承（集团）股份有限公司立足常规的向心关节轴承节点，研制出了一种可双向滑移向心关节轴承节点，能够在满足上述建筑大滑移量需求的前提下，对集中应力进行有效抵消，保证建筑结构的稳定和安全。

关键词：可双向滑移；向心关节轴承；节点设计

中图分类号：TU393 文献标识码：A

0.引言

随着钢结构建筑的应用范围不断扩大，其连接节点在整个建筑体系中扮演着越来越重要的角色，人们对连接节点也不断地提出新的要求。在当前的技术条件下，钢结构建筑连接节点的常见方式有3种，分别是刚性连接、铰连接和内嵌关节轴承的万向铰节点。这3种连接方式能够在某种程度上满足钢结构建筑设计施工要求，但是也存在着许多的问题和缺陷，例如，刚性连接节点的连接构件无法实现相对转动；铰连接只能够在一个方向上转动，对于其他方向则无能为力；内嵌關节轴承的万向铰节点的结构（如图1所示）可以在保证连接可靠性和力的有效传递的同时，兼具面内和面外的转动性能，但由于节点固定，同样面临着两个方面的问题：一是对于附加力引发的耳板破坏问题，仅仅能够通过加固补焊的方式进行初期治理，无法从根本上解决问题；二是由于受到钢构件内应力释放、焊接变形等因素的影响，连接节点的装配相对困难。这些问题的存在，极大地影响了钢结构建筑的发展。

为解决以上问题，需要在原来内嵌关节轴承的万向铰节点的基础，设计出一种新型的向心关节轴承节点。该节点应同时具备面内和面外的转动性能，并能双向滑移，满足建筑的大滑移量需求，通过滑移来释放钢结构内应力，避免耳板受附加力破坏，同时在装配上也比较简单。当建筑受到地震、台风等较大的外力作用时，通过节点滑移，对载荷进行有效抵消，从而保证了结构的安全和可靠。

1.可双向滑移的向心关节轴承节点设计

以福建龙溪轴承（集团）股份有限公司的研究的工程案例为例，对可双向滑移向心关节轴承的节点设计进行分析和讨论。

1.1 工程实例

某体育馆钢屋盖部分设计使用年限为50年，需要开发一种可双向滑移的支座节点，满足建筑的使用要求，具体的设计参数如下：

（a）载荷（垂直外耳板）：400kN，摆角：2°。

（b）双向滑移，滑移距离不小于100mm。

另外，本节点需要到高校专业试验室进行足尺试验，验证在400kN的载荷下的滑移能力。加载到2倍荷载，验证各零件的应力情况，证明结构受力是安全，可靠。

1.2 结构设计

考虑支座节点对于滑移距离的需求较大，在常规向心关节轴承节点的基础上，进行了较大的改进和创新，设计出可双向滑移向心关节轴承节点（如图2所示）。本节点包括向心关节轴承、销轴、盖板、滑板、中耳板、外耳板、限位块，高强螺栓。在该设计中，通过盖板，将向心关节轴承内圈穿过销轴的一端，并通过盖板、高强螺栓将内圈和销轴的一端固定，销轴的另一端跟中耳板焊接在一起，结合向心关节轴承中的球形内外圈相互转动，中耳板可以获得面内和面外的自由转动能力。同时，将滑板（双金属材料板）固定在外耳板的内侧面，并把轴承的外圈的对称位置铣出两个平面，该平面跟滑板共同构成滑移摩擦副，中耳板、销轴和轴承作为整体可以在外耳板中间，进行上下、前后滑移。该滑移摩擦副既保证了较低的摩擦系数，又能满足承载力的要求。

1.3 滑移原理

可双向滑移向心关节轴承节点的滑移原理，是当遇到较大的竖直荷载时，支座节点承受力传输路线为：中耳板→销轴→向心关节轴承内圈→向心关节轴承外圈→滑板、外耳板→基础，在这个过程中，中耳板连同向心关节轴承会上下滑移，伴随着向心关节轴承的上下滑移，中耳板可以消除或者极大地消减竖向轴向力，从而减少其对结构的影响。同理，当中耳板收到较大的前后方向的载荷时，中耳板连同向心关节轴承会前后滑移，并通过滑移消除或极大地消除前后方向的荷载，从而减少其对结构的影响。

1.4 试验验证

在高校专业研究室，进行足尺加载试验，分析节点运行情况。结果表明，在承受400kN的水平作用力，节点仍然可上下、前后滑移，又可以实现面内、面外转动，滑移距离也满足客户要求，表明该节点设计具有良好的可行性和可操作性。

2.潜在效益分析

通过本节点的研究，将形成公司的自主知识产权，为建筑节点的发展注入新元素。本项目的成功研发，可带动国内建筑领域对本产品的需求，预计每年可为公司增加销售额2000万元以上，具有良好的经济效益，同时又可以提高公司核心竞争力和品牌影响力，产生良好的社会效益。

结语

综上所述，在钢结构建筑施工中，节点的连接非常关键，直接影响着结构整体的稳定性和安全性。满足一些大型建筑钢结构或者特殊钢结构对于大滑移量的要求，在向心关节轴承节点的基础上，设计研发了一种可双向滑移向心关节轴承节点，不仅能够实现面对和面外转动，而且具备较大的双向滑移行程，能够简化建筑施工的效率和安全问题，值得进行大力推广。

参考文献

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