袁 思

（湖南人豐建筑工程有限公司，湖南株洲412000）

1 球形支座概述

球形支座允許產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動，而不出現(xiàn)支座彎矩，比較適合于只需要限制豎向位移和限制某個方向的水平位移或限制所有方向的水平位移的場合，還可以應(yīng)用于只需要限制豎向位移和不限制任意方向的水平位移的場合。

球形支座分QZ 系列（通用）、DZQZ 系列（大轉(zhuǎn)角）等系列球形支座。QZ 系列球形支座嚴(yán)格執(zhí)行《球形支座技術(shù)條件》（GB/T 17955-2000），按照對水平位移的限制情況分為雙向活動球形支座（代號SX）、單向活動球形支座（代號DX）和固定球形支座（代號GD）三種形式。

雙向活動球形支座（代號SX）如圖1 所示。該支座形式由上支座板、下支座板、球形板和聚四氟乙烯滑板組成，聚四氟乙烯滑板包含平面板和球面板各1 塊。支座的轉(zhuǎn)動通過球形板與球面四氟滑板的滑動實現(xiàn)，支座的水平位移通過上支座板與平面四氟滑板的滑動實現(xiàn)。

圖1 雙向活動球形支座（代號SX）

通過在上支座板上增設(shè)導(dǎo)向槽或?qū)颦h(huán)可以限制一個方向或兩個方向的水平位移，若只對一個方向的水平位移進行限制則為單向活動球形支座（代號DX），若對兩個方向的水平位移均進行限制則為固定球形支座（代號GD），如圖2 所示。

圖2 單向活動球形支座（代號DX）和固定球形支座（代號GD）

球形支座常用于橋梁工程，在有些特殊情況，建筑工程中也會用到這種支座形式。

2 實踐應(yīng)用

某辦公樓為了立面效果需要，在辦公樓入口設(shè)計了4 根圓管型斜柱，斜柱從基礎(chǔ)開始直到4 層樓面標(biāo)高，斜柱垂直高差約14.50m，斜柱傾角約為70°。4 根斜柱拼接后成W 形，在頂部交于三點在平面內(nèi)與橫梁連成整體，在基礎(chǔ)標(biāo)高交于兩點，需設(shè)計2 個基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)計算時，斜柱頂部與梁設(shè)為剛接連接，斜柱底部與基礎(chǔ)設(shè)為鉸接連接。施工時若在斜柱底部采用焊接連接，準(zhǔn)確就位難度很大，焊縫質(zhì)量較難保證。經(jīng)與施工方協(xié)商確認(rèn)施工方案，W 形圓管型斜柱采用先拼裝后吊裝的施工方案，而不采用先吊裝后拼裝的施工方案。這樣既有利于減少高空作業(yè)，也有利于保證構(gòu)件的準(zhǔn)確就位，施工時將4 根圓管及頂部水平橫梁在工地水平拼裝成整體后再整體吊裝。

考慮到圓管長度很大，施工時會有一定變形，底部的兩個交點可能會出現(xiàn)少量的轉(zhuǎn)角及水平移位，每個基礎(chǔ)頂部決定布置1 個固定球型鉸支座，該鉸支座允許的轉(zhuǎn)角為0.03rad。為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的水平變形及保證斜柱與球型鉸支座可靠連接，在斜柱底部布置空心半球。同時，為了盡可能地保證W 形圓管底部兩點的位置盡可能準(zhǔn)確，在中間兩根斜管中間靠下的位置設(shè)置臨時的固定支撐，施工完后再將臨時固定支撐拆除。

為了保證固定球形支座能有效轉(zhuǎn)動，支座不能用混凝土封閉，同時為了保證鋼構(gòu)件的耐久性，支座不能埋在地面以下，因此支座與基礎(chǔ)之間需設(shè)計混凝土短柱進行過渡。斜柱底部與基礎(chǔ)上混凝土短柱的連接做法如圖3 所示。預(yù)埋件在短柱施工時與短柱澆筑成整體。固定球型鉸支座為工廠生產(chǎn)的成品鉸支座。由于是固定鉸支座，對兩個水平方向的位移均進行了限制，不允許產(chǎn)生水平方向的位移，只允許有少量轉(zhuǎn)動，施工時將固定球型鉸支座底部焊接在預(yù)埋件上?？招陌肭蛟诠S生產(chǎn)，運到現(xiàn)場后在起吊前與圓管柱焊接成整體，起吊就位后空心半球墊板的底邊與固定球型鉸支座的上支座板焊接?？招陌肭虻妮S側(cè)圖如圖4 所示。其中，①為空心半球的墊板，為了保證空心半球的剛度及豎向力傳遞的需要設(shè)置加勁板②、③，②為整片的加勁板（單片），③為拆分的加勁板（2 片），④為空心半球板。加勁板與空心半球鋼板焊接，加勁板與墊板刨平頂緊以傳遞豎向力。

圖3 斜柱底部節(jié)點圖

圖4 空心半球軸側(cè)圖

該支座形式不能傳遞彎矩，只能傳遞軸力和剪力。軸力傳力很可靠，在此不進行深入論述。剪力依靠角焊縫進行傳遞，現(xiàn)場焊接的角焊縫共有3 道：最上一道為空心半球與墊板間的角焊縫，焊縫呈圓形，焊縫總長度最小；最下一道為固定球型鉸支座與預(yù)埋件間的角焊縫，焊縫為矩形；中間一道為空心半球墊板與固定球型鉸支座間的角焊縫，焊縫為矩形。矩形角焊縫的設(shè)計方法較為普通。文章選取最上一道圓形角焊縫進行分析，該焊縫也是起控制作用的一道焊縫。

3 計算公式

焊縫的剪應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 焊縫剪應(yīng)力計算簡圖

可推知，在π ～2π 的弧長范圍內(nèi)的剪應(yīng)力總水平分力也為。從上述結(jié)論可知，半圓形的焊縫可以將焊縫向圓的直徑投影，受力效果與長度為直徑的直焊縫等效；若非完整半圓則不能這樣等效，只能進行積分以求得結(jié)果。

剪應(yīng)力的豎向分力自平衡，總合力為0。

4 公式應(yīng)用

該工程斜柱底部采用固定球型鉸支座，固定球型鉸支座上設(shè)置空心半球，空心半球半徑（外半徑）為375mm，鋼板厚度為40mm，鋼材為Q235B，焊條E43 型；結(jié)構(gòu)計算求得的兩斜柱柱腳剪力合力為V=494.8kN，求空心半球與墊板間需要的角焊縫最小計算厚度。

查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017），得角焊縫的強度設(shè)計值為=160N/mm2；圓形焊縫半徑偏安全地取空心半球鋼板厚度的中心r=375-20=355mm。

焊縫計算厚度遠(yuǎn)小于40mm，可以不采用全熔透焊縫。由于鋼板厚度較厚，需在鋼板上單側(cè)開坡口。

5 結(jié)束語

工程中的焊縫大多呈直線或折線，若焊縫為圓形焊縫，則沒有相應(yīng)的計算方法。文章論述了焊縫為圓形時的受剪承載力設(shè)計方法，對此種情況的焊縫設(shè)計有指導(dǎo)意義。若焊縫不是完整的圓或半圓，不能按照式（3）進行計算，而應(yīng)該按積分進行計算。此時若仍按式（3）進行計算，則偏安全與偏不安全均有可能出現(xiàn)。