索屋頂索撐節(jié)點(diǎn)摩擦損失分析與控制

0新型索撐節(jié)點(diǎn)的研發(fā)索地幔結(jié)構(gòu)是一種承受著廣泛的成本結(jié)構(gòu)體系。它的研發(fā)和應(yīng)用在重大工程中引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。索撐節(jié)點(diǎn)是索穹頂結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一,當(dāng)選定張拉環(huán)索使索穹頂成形時(shí),減少節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失、改善節(jié)點(diǎn)受力就成為索撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目標(biāo),因此研發(fā)我國(guó)自己的新型索撐節(jié)點(diǎn)具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。內(nèi)蒙古伊旗全民健身體育中心的屋頂采用索穹頂結(jié)構(gòu),索膜結(jié)構(gòu)體系呈正圓曲殼形,直徑71.2m,矢高5.5m。本文以該索穹頂結(jié)構(gòu)為工程背景,研發(fā)引入滑動(dòng)軸承的新型索撐節(jié)點(diǎn),從本質(zhì)上改變節(jié)點(diǎn)的受力特性,從而減小摩擦帶來的預(yù)應(yīng)力損失。1新的集群設(shè)計(jì)1.1拉階段滑動(dòng)軸承裝置設(shè)計(jì)索撐節(jié)點(diǎn)即索穹頂環(huán)索轉(zhuǎn)折處的撐桿下節(jié)點(diǎn)。根據(jù)張拉環(huán)索使結(jié)構(gòu)成形的設(shè)計(jì)方案采用張拉階段環(huán)索可以滑動(dòng)而使用階段環(huán)索不能滑動(dòng)的索撐節(jié)點(diǎn)形式。這種節(jié)點(diǎn)形式不僅可以有效傳遞施工張拉階段的索拉力,而且可以提高結(jié)構(gòu)使用階段的穩(wěn)定承載力。該節(jié)點(diǎn)上共有兩個(gè)耳板孔,一個(gè)連接斜索,另一個(gè)連接撐桿,見圖1。節(jié)點(diǎn)采用Q235鋼材,滑動(dòng)軸承中軸直徑與外環(huán)直徑比:r/R=5/10=0.5?；瑒?dòng)軸承通過螺母施加預(yù)緊力將中軸和節(jié)點(diǎn)主體固定為一體,每根索穿過節(jié)點(diǎn)時(shí)與兩個(gè)滑輪接觸來實(shí)現(xiàn)力的轉(zhuǎn)折傳遞?？紤]到實(shí)際工程中會(huì)有多根環(huán)索穿過節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜情況,本節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)最多可通過3根環(huán)索。斜索延長(zhǎng)線與豎直撐桿延長(zhǎng)線匯交于中間環(huán)索的軸線上,以保證節(jié)點(diǎn)處不產(chǎn)生附加彎矩。新型索撐節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖及詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)見圖2～4。1.2索撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)通過兩塊夾板來控制環(huán)索的滑動(dòng)。夾板上表面按照索的位置挖一條比索直徑稍大的半圓形凹槽,夾板內(nèi)表面(包括凹槽表面)刻痕方向與索體中心軸方向近似垂直,夾板詳見圖5。未安裝夾板時(shí),索體可通過節(jié)點(diǎn)自由滑動(dòng);當(dāng)安裝夾板和螺栓、螺母后可將索體有效固定,又不會(huì)將索體壓扁,使索體保持圓形,節(jié)點(diǎn)裝配詳見圖6。索撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保索體順滑通過節(jié)點(diǎn),避免在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部及節(jié)點(diǎn)端部對(duì)索體形成轉(zhuǎn)折。這是實(shí)現(xiàn)索體順利滑動(dòng)以及有效傳遞預(yù)應(yīng)力的必要條件。該新型索撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)引入滑動(dòng)軸承來減小索體與節(jié)點(diǎn)摩擦,從而有效減小索體在通過索撐節(jié)點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力損失。如果撐桿上、下節(jié)點(diǎn)都鉸接,會(huì)加大索調(diào)節(jié)的施工難度,下節(jié)點(diǎn)3道索很難保持在一個(gè)水平面上。如果安裝有困難,可將下節(jié)點(diǎn)焊接成剛接。2支持節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)損失理論分析2.1應(yīng)力損失率與摩擦系數(shù)圖7為軸承受力分析圖,假定索為柔性,按經(jīng)典庫(kù)倫摩擦理論計(jì)算,索與滑輪的圓弧形接觸面上摩擦力均勻分布,則可以把圓弧形接觸面簡(jiǎn)化為接觸點(diǎn)計(jì)算。然后利用公式F=Nμ(F為摩擦力,N為正壓力,μ為摩擦系數(shù))計(jì)算摩擦力。Τ2=(1-μrRtanβ1+μrRtanβ)Τ1(1)Τ3=(1-μrRtanβ1+μrRtanβ)2Τ1(2)T2=(1?μrRtanβ1+μrRtanβ)T1(1)T3=(1?μrRtanβ1+μrRtanβ)2T1(2)圖7及式(1)、(2)中:R為軸承外環(huán)半徑;r為中軸半徑;f0為軸承摩擦力;f1為滑輪與索的摩擦力;β為索段轉(zhuǎn)折角;μ為軸承摩擦系數(shù);T1為初始索力;T2為索通過一個(gè)軸承后的索力;T3為索通過兩個(gè)軸承后的索力。按索穹頂共設(shè)置3圈環(huán)索,每圈環(huán)索等間距設(shè)置20個(gè)索撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),則每圈環(huán)索被等分成20段。相鄰兩段環(huán)索夾角為:180°-360°/20=162°,α=(180°-162°)/2=9°,β=α/2=4.5°。利用上述計(jì)算式,分別考慮軸承摩擦系數(shù)、軸承內(nèi)外徑比對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響,得出表1、2數(shù)據(jù),由此可繪制預(yù)應(yīng)力損失率與摩擦系數(shù)μ和軸承內(nèi)外徑比的關(guān)系曲線如圖8和圖9所示。由圖8、9可見,軸承摩擦系數(shù)及其內(nèi)外徑比對(duì)預(yù)應(yīng)力損失σl的影響顯著。因此,可以利用這兩個(gè)因素對(duì)軸承摩擦帶來的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行有效控制。2.2植生態(tài)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)率分析在環(huán)索受力分析中的應(yīng)用新型節(jié)點(diǎn)的零件裝配,間隙連接等均存在接觸現(xiàn)象,而接觸區(qū)域由于其應(yīng)力的復(fù)雜性常常成為薄弱區(qū)域。為分析索撐節(jié)點(diǎn)處索體與軸承接觸面、中軸與軸承間的相互作用,對(duì)索撐節(jié)點(diǎn)和環(huán)索進(jìn)行了帶摩擦的接觸非線性有限元分析。對(duì)受力最大的最外圈索撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析(有3根環(huán)索穿過節(jié)點(diǎn))。分析軟件為通用有限元分析程序ANSYS,索體和節(jié)點(diǎn)均采用三維實(shí)體單元SOLID45及面面接觸方式,接觸單元CONTA174和目標(biāo)單元TARGE170。本文研究的鋼材材質(zhì)具有良好的塑性,并且有相當(dāng)長(zhǎng)的屈服階段,因此將其簡(jiǎn)化為理想的彈塑性模型,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖10所示,材料參數(shù)見表3。環(huán)索經(jīng)過索撐節(jié)點(diǎn)與軸承接觸部分彎曲形狀與軸承外壁曲線曲率一致,經(jīng)過軸承的接觸面后,BC段為直線段(見圖7),索體與軸承外壁初始狀態(tài)為剛剛接觸。根據(jù)設(shè)計(jì)值施加的荷載分別有徑向斜拉索拉力和環(huán)索軸力,對(duì)與撐桿連接的面施加了撐桿方向的位移約束。其分析模型、有限元?jiǎng)澐?、接觸單元及接觸分析結(jié)果如圖11～15所示。通過計(jì)算,當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.03時(shí),環(huán)索兩端的軸力之差為0.083kN,即經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失為0.550%;當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.15時(shí),環(huán)索兩端的軸力之差為0.352kN,即經(jīng)過此節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失為2.347%;當(dāng)摩擦系數(shù)取μ=0.30時(shí),環(huán)索兩端的軸力之差為0.950kN,即經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失為6.336%。除按設(shè)計(jì)荷載加載外,還進(jìn)行了承載力模擬計(jì)算。加載方案:單根索索力為0～100kN,分10級(jí)加載,每級(jí)加載10kN。經(jīng)過反復(fù)試算,得到了節(jié)點(diǎn)的極限荷載,即在單根索力80kN的試驗(yàn)荷載作用下,部分區(qū)域(主要為接觸區(qū)域)應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限,其中中軸最不利截面約有1/3進(jìn)入塑性區(qū),可以認(rèn)為該截面己破壞或即將破壞。按經(jīng)典摩擦理論計(jì)算,索力與預(yù)應(yīng)力損失的大小無關(guān),在圖15中為水平直線。但實(shí)際加載過程中,索力傳遞到軸承,軸承會(huì)產(chǎn)生變形。隨著變形的增大,轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大,從而增大了預(yù)應(yīng)力損失。索力在20kN以下時(shí),索力值的變化對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響不大,當(dāng)索力超過20kN后,隨著索力的增大,預(yù)應(yīng)力損失率有了顯著增加。3在索屋頂結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中，索支撐節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)損失的數(shù)據(jù)分析3.1拉索結(jié)構(gòu)模型本試驗(yàn)以內(nèi)蒙古全民伊旗健身體育中心工程為背景,制作索穹頂縮尺模型,幾何縮尺比例為1∶10。該肋環(huán)型索穹頂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕勺云胶庵纹脚_(tái)、撐桿和拉索等三部分組成,其中拉索包括脊索、斜索和環(huán)索,結(jié)構(gòu)模型見圖16?？s尺后模型第1圈環(huán)索半徑很小,考慮到試驗(yàn)的加工制作難度,因此把實(shí)際結(jié)構(gòu)中的第1圈環(huán)索簡(jiǎn)化縮尺為剛性的拉力環(huán)。3.2測(cè)點(diǎn)與斜索點(diǎn)布置肋環(huán)型索穹頂模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,從理論上講,由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性只需測(cè)定一組對(duì)稱面的索力即可,但考慮到實(shí)際模型的誤差及非對(duì)稱荷載試驗(yàn)內(nèi)容的需要,各組對(duì)稱面的索力分布不可能完全對(duì)稱均勻,因此環(huán)索測(cè)點(diǎn)與斜索測(cè)點(diǎn)采用十字形布置方式,拉力傳感器布置如圖17所示。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸灿蠬S2、HS3-1、HS3-2、HS3-3等4道環(huán)向索,其中環(huán)索HS3-1、HS3-2、HS3-3通過同一個(gè)索撐節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)采用同時(shí)張拉環(huán)向索的方案,每道索分別設(shè)有4個(gè)張拉點(diǎn)(圖16a),張拉裝置為花籃螺栓,通過旋擰花籃螺栓使環(huán)向索縮短的辦法施加索力,為了準(zhǔn)確測(cè)得施加的索力,在緊靠花籃螺栓處將索截?cái)?串聯(lián)拉力傳感器,可直接讀取索力,以控制張拉階段施加索力的大小,其布置和實(shí)物如圖17、18所示。3.3試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)分為以下五步:張拉成形、施加恒荷載、施加1/4跨活荷載、施加1/2跨活荷載、施加全跨活荷載。張拉階段采用同時(shí)張拉環(huán)向索的方案,并對(duì)不同荷載工況下的摩擦力進(jìn)行了對(duì)比。第2圈環(huán)索HS2為單根鋼索,環(huán)索HS2、斜索XS2試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。第3圈環(huán)索由3根鋼索(HS3-1、HS3-2、HS3-3)組成,3根鋼索穿過同一個(gè)索撐節(jié)點(diǎn),3根環(huán)索的合力及對(duì)應(yīng)的斜索拉力值如表5所示。由表4、5可以看出各圈環(huán)索的傳力效果很顯著,受力比較均勻,最大差值不超過5%。3.4節(jié)點(diǎn)張拉過程預(yù)應(yīng)力損失索撐節(jié)點(diǎn)的一端通過拉力傳感器可直接測(cè)得相應(yīng)索力,另一端通過斜索索力可推算出相應(yīng)的環(huán)索拉力。比較索撐節(jié)點(diǎn)兩端拉力值的差值,即可算出預(yù)應(yīng)力損失值。斜索力與環(huán)索力的關(guān)系式為:Τ環(huán)索=cosγ2sin(180°-θ2)F斜索式中,γ為斜索與水平面的夾角,θ為兩段相鄰環(huán)索的夾角。通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及上述計(jì)算式的推導(dǎo)計(jì)算得到各圈環(huán)索的預(yù)應(yīng)力損失,詳見表6、7。試驗(yàn)結(jié)果表明:節(jié)點(diǎn)各部分零件在施工過程中安裝方便快捷,可大大加快施工進(jìn)度。張拉結(jié)束后,通過對(duì)索撐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行敲擊和輕微晃動(dòng),可有效減小摩擦損失,促進(jìn)索力的傳遞,使結(jié)構(gòu)受力更加均勻。節(jié)點(diǎn)在張拉成形階段及多種荷載工況下,各部分零件強(qiáng)度均滿足要求,未發(fā)生屈曲變形,內(nèi)部軸承工作狀態(tài)良好。通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并利用經(jīng)典庫(kù)倫摩擦理論反算得到軸承的摩擦系數(shù)取值范圍為0.20～0.27?？紤]到節(jié)點(diǎn)加工和安裝精度的誤差影響,建議索撐節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失設(shè)計(jì)取值為3%～4%。4有限元分析驗(yàn)證(1)采用環(huán)索張拉成形的索穹頂結(jié)構(gòu)通過經(jīng)典摩擦理論計(jì)算及有限元模擬計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)中軸承的摩擦系數(shù)、軸承內(nèi)外徑比對(duì)預(yù)應(yīng)力損失影響顯著,建議在實(shí)際工程中通過加入潤(rùn)滑劑來減小摩擦、利用高強(qiáng)材料軸承減小軸承內(nèi)外徑比,可以進(jìn)一步降低摩擦損失。(2)模型試驗(yàn)中新型索撐節(jié)點(diǎn)在張拉成形階段及多種荷載工況下,各部分零件強(qiáng)度均滿足要求,未發(fā)生屈曲變形,內(nèi)部軸承工作良好,滿足模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求