建筑钢结构关节轴承节点的研究进展

　　摘　要：简述了建筑钢结构关节轴承节点的发展历程与结构特点；阐明了国内关节轴承节点技术和理论的研究现状；并展望了我国关节轴承节点技术的发展方向。
　　关键词：建筑钢结构；关节轴承节点；研究
　　建筑钢结构连接节点的类别，根据节点处传递荷载的情况、所采用的连接方法以及其细部构造，按节点的力学特性，可分为刚性连接节点、半钢性连接节点和铰接连接节点^[1]。
　　刚性连接节点和构件的其他部分一样承受弯矩、剪力和轴力的作用，在连接节点处保证其原来的完全连续性；铰接连接节点，从理论上讲是完全不能承受弯矩的，因而一般不能用于构件的拼接连接，通常只用于构件端部的连接，如柱脚、梁的端部连接和桁架、网架杆件的端部连接等；半钢性连接节点，作为设计的要求一般是不采用的，但在节点设计时，设计人员应根据具体情况灵活应用。
　　在钢结构设计工作中，连接节点的设计是一个非常重要的环节，为了简化计算，通常连接节点的设计，一般均按完全刚接或完全铰接的情况来处理。但传统的铰接连接节点一般仅能满足平面内的转动性能，平面外不能发生转动，目前很多建筑的构造比较特别，当结构产生位移时，此类铰接连接节点可能因平面外受力而发生破坏。所以，该节点必须同时具备平面内、外的转动性能。为此，设计产生了另一种新型连接节点——关节轴承节点。
　　1　关节轴承节点的结构特点
　　关节轴承节点根据所能承受的面外剪力与轴力大小比值的不同，可区分为向心关节轴承节点、角接触关节轴承节点和推力关节轴承节点。
　　1.1 向心关节轴承节点
　　如图1所示的向心关节轴承节点主要由转动核心向心关节轴承（包含内、外圈）、单耳板、销轴、销轴压盖、定位套、轴承压盖、双耳板等组成。向心关节轴承节点可承受拉、拔两个方向的径向载荷 Fr 及左右两个方向一定大小的面外剪力Fa。 　　向心关节轴承节点对结构轴力Fr的传递路线：梁→中耳板→向心关节轴承外圈→向心关节轴承内圈→销轴→外耳板→柱
　　向心关节轴承节点对结构面外剪力Fa的传递路线：梁→中耳板→轴承压盖→向心关节轴承外圈→向心关节轴承内圈→定位套→外耳板→柱
　　由于向心关节轴承节点的万向转动性能，使面外剪力 Fa在传递过程中由于向心关节轴承的外圈相对于内圈转过一定角度后而消除，并由于向心关节轴承内外圈均为球形表面而始终保证结构轴力Fr的传递路线不发生变化。
　　1.2 推力关节轴承节点
　　如图2所示，推力关节轴承节点主要由一对相向安装的推力关节轴承、销轴、轴承压盖、节点底座等组成。推力关节轴承节点可承受拉、拔两个方向的轴向载荷 Fr与一定大小的任意方向面外剪力Fa。 　　推力关节轴承节点对结构轴力Fr的传递路线：
　　压剪工况时：梁→销轴→下推力关节轴承内圈→下推力关节轴承外圈→节点底座→柱
　　拉剪工况时：梁→销轴→上推力关节轴承内圈→上推力关节轴承外圈→轴承压盖→高强螺栓螺母→节点底座→柱
　　推力关节轴承节点对结构面外剪力 Fa的传递路线：梁→销轴→推力关节轴承内圈→推力关节轴承外圈→节点底座→柱
　　由于推力关节轴承的万向转动性能，使面外剪力Fa在传递过程中由于销轴绕推力关节轴承球心转过一定角度后而消除，且由于推力关节轴承内外圈均为球形表面而始终保证结构轴力Fr的传递路线不发生变化。
　　1.3 角接触关节轴承节点
　　角接关节轴承节点的组成结构与推力关节轴承节点相同，所不同之处是相向安装的一对轴承是角接触关节轴承。角接触关节轴承节点可承受拉、拔两个方向的轴向载荷Fr及较大的任意方向面外剪力Fa。
　　2　关节轴承节点的设计步骤与方法
　　a）对钢结构节点处的三向受力情况进行归并，Z终转化为一个当量径向力Fr与一个面外剪力Fa；面外转角的大小。
　　b）根据钢结构空间大小决定采用何种结构的关节轴承节点，一般情况下，优先采用向心关节轴承节点；当面外剪力较大时，采用角接触关节轴承节点；而在当量径向力较大且面外剪力较小时，采用推力关节轴承节点。
　　c）根据当量径向力与面外剪力的数值及面外转角的大小进行相应结构关节轴承的选型，并确定与轴承相配的销轴直径；根据防腐要求，关节轴承应选用不锈钢材料。
　　d）校核：对于向心关节轴承节点，依次校核销轴、中耳板、外耳板、轴承压盖的强度；对于推力与角接触关节轴承节点，依次校核销轴、节点底座、轴承压盖、高强螺栓螺母。校核强度不足时，应重新进行轴承选型。
　　e）干涉检验：检验面外转角极限状态下与其它零件的干涉情况。
　　3　关节轴承节点的试验与应用进展情况
　　建筑钢结构关节轴承节点由福建龙溪轴承（集团）股份有限公司首先提出并设计，其中向心关节轴承节点Z先应用于上海浦东机场二期工程航站楼Y形斜柱上，并协同华东建筑设计研究院有限公司，经由同济大学建筑工程系进行足尺试验与有限元分析研究，对向心关节轴承在轴向（即面外剪力）与径向荷载（即当量径向力）作用下的受力和破坏机理进行了分析和解释^[2]。其后，向心关节轴承节点又先后应用于广州新电视塔、昆明新机场航站楼、广州花都体育馆、西安火车北站、无锡大剧院、凤凰（北京）传媒中心、大连会议中心、深圳宝安机场3号航站楼、哈尔滨大剧院、淮南南奥体中心、上海中心大厦等大型建筑钢结构项目。
　　角接触关节轴承节点首次应用于上海中国航海博物馆的两帆体的交叉节点和帆体与下部混凝土支座结构的连接节点中，并通过了同济大学土木工程学院建筑工程系的试验研究。其后，角接关节轴承节点又先后在深圳宝安机场3号航站楼、苏州镇湖游客咨询中心等项目应用。
　　推力关节轴承节点首次应用于相互倾斜的广州新图书馆南、北楼的连接，构造比较特别，如果连杆端部采用传统的铰节点，当结构产生位移时，该类型铰节点可能会因为平面外受力而发生破坏，该推力关节轴承节点通过了同济大学土木工程学院建筑工程系钢与轻钢结构研究室的试验研究验证。随后，推力关节轴承节点又在南京禄口机场项目上得到应用。
　　4　展望
　　以承受推拉轴力为主、卸除弯矩为辅的新型建筑关节轴承节点提高了连接节点的安全度，其研究成果属于工程结构技术领域，不仅可适用于建筑钢结构领域，也可应用于各种不同工程结构如桥梁结构、水工结构等。同时，在某些建筑桥梁工程中，对关节轴承节点的低转动摩擦系数要求较高，因此，将低摩擦自润滑技术引入将是关节轴承节点的发展趋势与方向。
　　参考文献：
　　[1] 建筑结构设计手册丛书编委会.李星荣,魏才昂,丁峙崐,李和华.《钢结构连接节点设计手册（第二版）》.中国建筑工业出版社.
　　[2] 陈以一,赵宪忠,王帅,葛利俊.《上海浦东机场二期工程航站楼钢结构研究报告之七——向心关节轴承的试验研究》.