固定球型铰支座上空心半球焊缝受剪设计

袁 思

（湖南人丰建筑工程有限公司，湖南株洲412000）

1 球形支座概述

球形支座允许产生一定角度的转动，而不出现支座弯矩，比较适合于只需要限制竖向位移和限制某个方向的水平位移或限制所有方向的水平位移的场合，还可以应用于只需要限制竖向位移和不限制任意方向的水平位移的场合。

球形支座分QZ 系列（通用）、DZQZ 系列（大转角）等系列球形支座。QZ 系列球形支座严格执行《球形支座技术条件》（GB/T 17955-2000），按照对水平位移的限制情况分为双向活动球形支座（代号SX）、单向活动球形支座（代号DX）和固定球形支座（代号GD）三种形式。

双向活动球形支座（代号SX）如图1 所示。该支座形式由上支座板、下支座板、球形板和聚四氟乙烯滑板组成，聚四氟乙烯滑板包含平面板和球面板各1 块。支座的转动通过球形板与球面四氟滑板的滑动实现，支座的水平位移通过上支座板与平面四氟滑板的滑动实现。

图1 双向活动球形支座（代号SX）

通过在上支座板上增设导向槽或导向环可以限制一个方向或两个方向的水平位移，若只对一个方向的水平位移进行限制则为单向活动球形支座（代号DX），若对两个方向的水平位移均进行限制则为固定球形支座（代号GD），如图2 所示。

图2 单向活动球形支座（代号DX）和固定球形支座（代号GD）

球形支座常用于桥梁工程，在有些特殊情况，建筑工程中也会用到这种支座形式。

2 实践应用

某办公楼为了立面效果需要，在办公楼入口设计了4 根圆管型斜柱，斜柱从基础开始直到4 层楼面标高，斜柱垂直高差约14.50m，斜柱倾角约为70°。4 根斜柱拼接后成W 形，在顶部交于三点在平面内与横梁连成整体，在基础标高交于两点，需设计2 个基础。结构计算时，斜柱顶部与梁设为刚接连接，斜柱底部与基础设为铰接连接。施工时若在斜柱底部采用焊接连接，准确就位难度很大，焊缝质量较难保证。经与施工方协商确认施工方案，W 形圆管型斜柱采用先拼装后吊装的施工方案，而不采用先吊装后拼装的施工方案。这样既有利于减少高空作业，也有利于保证构件的准确就位，施工时将4 根圆管及顶部水平横梁在工地水平拼装成整体后再整体吊装。

考虑到圆管长度很大，施工时会有一定变形，底部的两个交点可能会出现少量的转角及水平移位，每个基础顶部决定布置1 个固定球型铰支座，该铰支座允许的转角为0.03rad。为了应对可能出现的水平变形及保证斜柱与球型铰支座可靠连接，在斜柱底部布置空心半球。同时，为了尽可能地保证W 形圆管底部两点的位置尽可能准确，在中间两根斜管中间靠下的位置设置临时的固定支撑，施工完后再将临时固定支撑拆除。

为了保证固定球形支座能有效转动，支座不能用混凝土封闭，同时为了保证钢构件的耐久性，支座不能埋在地面以下，因此支座与基础之间需设计混凝土短柱进行过渡。斜柱底部与基础上混凝土短柱的连接做法如图3 所示。预埋件在短柱施工时与短柱浇筑成整体。固定球型铰支座为工厂生产的成品铰支座。由于是固定铰支座，对两个水平方向的位移均进行了限制，不允许产生水平方向的位移，只允许有少量转动，施工时将固定球型铰支座底部焊接在预埋件上。空心半球在工厂生产，运到现场后在起吊前与圆管柱焊接成整体，起吊就位后空心半球垫板的底边与固定球型铰支座的上支座板焊接。空心半球的轴侧图如图4 所示。其中，①为空心半球的垫板，为了保证空心半球的刚度及竖向力传递的需要设置加劲板②、③，②为整片的加劲板（单片），③为拆分的加劲板（2 片），④为空心半球板。加劲板与空心半球钢板焊接，加劲板与垫板刨平顶紧以传递竖向力。

图3 斜柱底部节点图

图4 空心半球轴侧图

该支座形式不能传递弯矩，只能传递轴力和剪力。轴力传力很可靠，在此不进行深入论述。剪力依靠角焊缝进行传递，现场焊接的角焊缝共有3 道：最上一道为空心半球与垫板间的角焊缝，焊缝呈圆形，焊缝总长度最小；最下一道为固定球型铰支座与预埋件间的角焊缝，焊缝为矩形；中间一道为空心半球垫板与固定球型铰支座间的角焊缝，焊缝为矩形。矩形角焊缝的设计方法较为普通。文章选取最上一道圆形角焊缝进行分析，该焊缝也是起控制作用的一道焊缝。

3 计算公式

焊缝的剪应力分布如图5 所示。

图5 焊缝剪应力计算简图

可推知，在π ～2π 的弧长范围内的剪应力总水平分力也为。从上述结论可知，半圆形的焊缝可以将焊缝向圆的直径投影，受力效果与长度为直径的直焊缝等效；若非完整半圆则不能这样等效，只能进行积分以求得结果。

剪应力的竖向分力自平衡，总合力为0。

4 公式应用

该工程斜柱底部采用固定球型铰支座，固定球型铰支座上设置空心半球，空心半球半径（外半径）为375mm，钢板厚度为40mm，钢材为Q235B，焊条E43 型；结构计算求得的两斜柱柱脚剪力合力为V=494.8kN，求空心半球与垫板间需要的角焊缝最小计算厚度。

查《钢结构设计标准》（GB 50017-2017），得角焊缝的强度设计值为=160N/mm2；圆形焊缝半径偏安全地取空心半球钢板厚度的中心r=375-20=355mm。

焊缝计算厚度远小于40mm，可以不采用全熔透焊缝。由于钢板厚度较厚，需在钢板上单侧开坡口。

5 结束语

工程中的焊缝大多呈直线或折线，若焊缝为圆形焊缝，则没有相应的计算方法。文章论述了焊缝为圆形时的受剪承载力设计方法，对此种情况的焊缝设计有指导意义。若焊缝不是完整的圆或半圆，不能按照式（3）进行计算，而应该按积分进行计算。此时若仍按式（3）进行计算，则偏安全与偏不安全均有可能出现。