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摘要：文章主要是分析了球型支座构造设计，在此基础上讲解了球型支座在水平力作用下转动灵活性减弱的缺点，最后对传统球型支座形式提出了可行性的解决方案，望可以为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：球型支座；设计；复杂应力状态
前 言；当前我国经济水平的不断发展，同时也推动了建筑行业的发展进程，建筑结构球型支座设计水平也随之而不断提升。建筑结构中的球型支座与公路桥梁的球型支座受力形态存在一定的差异，其需要承受更大的水平荷载，传统的球型支座在承受水平力时，转动能力较差，为此文章主要是对以往传统的球型支座形式提出了可行性的改进方式。
1 球型支座工作原理及构造设计
常规球型支座的位移是由支座顶板与平面四氟板之间的滑动来实现的。其工作原理与盆式橡胶支座完全相同。通过在支座顶板上设置导向块或导向环来约束支座的单向或多向位移，可以制成球型单向活动支座和固定支座。球型支座的转动则是由球冠钢衬板与球面四氟板之间的滑动来实现的。在水平力的作用下，常规球型支座的转动能力较差，以传递竖向荷载为主。对此，在普通球型钢支座的基础上进行改进：建筑用球型支座的水平力和上拔力由支座顶板、支撑体和支座底板共同承担；水平位移由支撑体相对于支座底板滑动实现；通过将支座顶板盆腔内壁加工成球面状，底板支撑体凸缘外侧也加工成球面状，使得底板支撑体凸缘外球面与支座顶板盆腔内球面平滑接触，支座在水平力的作用下可以转动。支座顶板盆腔凸缘与支座底板钢衬板凸缘相互配合，结构紧凑，安装方便，钢材耗量很小。支座顶板盆腔内壁上有三个齿轮状凸缘，支座底板钢衬板上有三个齿轮状凸缘。在组装过程中将顶板放入底板上并旋转60°。使得顶板和底板之间的凸缘可以重合以便传递力，防止个零部件分离。
2 主要材料物理机械性能
支座顶板，支撑体和支座底板由ZG20MnMo铸造制成。其化学成分和热处理机械性能符合JB∕T 6402-2018 《大型低合金钢铸件》 技术条件。不锈钢板采用符合GB/T3280-2015冷轧不锈钢板和条带的不锈钢板表面处理的8#要求。滑板力学性能符合JT/T901中聚四氟乙烯滑板的有关规定。润滑硅脂用5201-2硅脂，其为乳白色或淡灰色半透明脂状物，其性能符合HG/T 2502一等品的规定。支座材料的设计强度是：ZG20MnMo铸钢在正火+回火热处理后其屈服强度为295MPa，抗拉强度不低于490MPa；焊接强度的设计价值是FW =35MPa，PTFE强度的设计值是FS=30MPa。
3 关键零部件强度校核
在球型支座设计中，聚四氟乙烯滑板是关键设计零部件，当支座在承受竖向荷载时，聚四氟乙烯滑板是最薄弱的环节，因此，对聚四氟乙烯滑板进行强度校核是至关重要的。支座竖向承载力的大小决定了聚四氟乙烯滑板的几何尺寸。
平面和球面聚四氟乙烯滑板的尺寸计算应符合：
FV/APTFE=FS （1）
式中：FV为支座竖向承载力；APTFE为滑板受力面积或水平投影面积；FS为聚四氟乙烯滑板平均压应力。按照工程经验，球型支座球面聚四氟乙烯的圆心角α不应大于40°，球面半径通常为水平投影直径的1.5-2.8倍。聚四氟乙烯球面滑板的球面半径的尺寸决定了支座转动力矩和竖向承载力传递的情况。球面半径越大，竖向承载力传递越均匀，但转动力矩越大；球面半径越小，竖向荷载压力越集中，转动力矩越小。欧洲EN1337-7对球型支座的离心率计算做了详细规定，为可以确保球面始终处于工作状态，滑动表面的总偏心e需要小于或等于L/8（L是PTFE滑块的直径），由于欧标的设计是按破坏极限状态进行的，作用的荷载乘以相应的荷载系数（约为1.35～1.5之间），按照破坏极限状态所取的设计强度，远大于我国允许的应力方法设计的材料强度。因此，在球型支座的设计中，可以忽略曲滑动表面偏心矩影响，球面聚四氟乙烯滑板的直径可以按照垂直载荷的平均应力直接计算。，其方法简单安全。
4 试验
4.1 支座竖向承载力试验
支座在电液伺服控制测试系统进行试验，支座检验荷载为支座竖向设计承载力的1.5倍，并将检验荷载均分10级，逐级对支座加载。并通过安装在支座顶、底板间对称安装四个百分表测试其竖向压缩变形。在竖向荷载作用下，支座各零部件之间没有分离，外观正常，并且垂直载荷和垂直压缩变形曲线在加载过程中基本呈线性关系。在加压过程中由于聚四氟乙烯表面硅脂被逐渐挤压，及各零部件之间间隙被压实，使得初始变形变大，随着荷载增大，竖向压缩变形曲线基本呈线性增大。在第一次加载后，第二次的第三次的压缩变形小于第一次加载的变形量。第二次和第三次加载的竖向压缩变形非常接近，压缩变形不超过支座总高度的1%，满足设计要求。
4.2 摩擦因数
支座的竖向设计荷载以连续均匀的速度增加到设计值的1.0倍，水平力通过水平加载设备连续均匀地施加。一旦支座滑动，停止水平力的施加，计算出此时支座的初始静摩擦系数。试验连续进行了五次，试验数据初始摩擦系数算术平均值均小于0.03，支座外观正常，满足设计的要求。
结束语
由上可知，在设计过程中将支座顶板的盆腔内壁加工成球面，同时也可以将支座底板支撑体凸缘外侧加工成球面，从而使得底板上凸缘外侧球面与盆腔内壁的球面能够光滑接触，在水平力的作用下能够实现支座的转动。
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