碟形弹簧在开合屋盖建筑结构中的应用.pdf

第 43 卷 第 2 期 2013 年 1 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 2 Jan． 2013 碟形弹簧在开合屋盖建筑结构中的应用 邓伟平， 杨虎振， 陈国栋 长江精工钢结构股份有限公司， 上海 200233 ［摘要］碟形弹簧是压缩弹簧的一种， 由于其具有结构简单、 安装尺寸小、 承载能力大、 刚度可变等优点， 在工业产 品中应用相当广泛。主要阐述了碟形弹簧在大跨度可移动式建筑钢结构开合屋盖体系调节机构中的应用， 并结合 开合屋盖的荷载特点就碟形弹簧选型、 计算做了具体的分析探讨。 ［关键词］碟形弹簧;开合屋盖;调节机构;大跨度可移动式钢结构 中图分类号 TH12， TU393． 3文献标识码 A文章编号 1002- 848X 2013 02- 0048- 03 Application of disc spring in the retractable roof of architectural structure Deng Weiping，Yang Huzhen，Chen Guodong Changjiang Jinggong Steel Building GroupCo．，Ltd．，Shanghai 200233，China Abstract Disc spring is a type of compression spring，as its advantages of simple structure，small installation dimensions， large bearing capacity，and variable stiffness，disc spring has been used in industrial products widely． The application of disc spring in the adjustment mechanism of retractable roof for large-span movable steel structure was elaborated． The calculation and type selection of the disc spring were discussed combining with the load of retractable roof． Keywords disc spring;retractable roof;adjustment mechanism;large-span movable steel structure 作者简介 邓伟平， 工程师， Emaildengweiping jgsteel． cn。 0前言 开合屋盖是一种在较短的时间内实现部分或全 部结构开合的新颖建筑形式， 能根据实际需要使建 筑物处于打开和闭合两种不同的工作状态。开合屋 盖的设计集成了建筑结构、 机械和自动控制等多学 科技术， 屋盖开合动作由机械系统在控制系统的指 控和协调下完成， 而竖向、 纵向调节机构是开合屋盖 机械系统中比较关键的环节 ［1］。主要介绍碟形弹 簧在开合屋盖机械系统竖向、 纵向调节装置中的应 用， 并根据开合屋盖的实际使用要求对碟形弹簧的 设计计算做了相应的探讨。 1开合屋盖机械调节系统 开合屋盖主要由固定屋盖、 活动屋盖、 机械调节 系统等部分组成。机械调节系统是活动屋盖和固定 屋盖的中间连接体， 也是实现屋盖开合动作的主要 装置。活动屋盖除承受自重荷载外， 还可能受到风 荷载、 雪荷载、 地震荷载、 温度荷载及不均匀沉降引 起的附加荷载等作用， 使活动屋盖处于不同的空间 状态， 因而活动屋盖与固定屋盖间的相对位置不断 变化 ［2］。为适应开合屋盖这一特点， 机械调节系统 须设有调节装置， 包括线性位移调整和角度调整装 置， 以避免机械调节系统出现竖向过载受损和纵向 卡轨现象， 本文主要讨论线性位移的调整。 开合屋盖机械调节系统的特点 1 承载能力 大， 由于活动屋盖刚性结构庞大， 自重荷载大， 一片 屋盖常以百吨甚至千吨计， 就需要调节系统装置具 备足够的承载能力; 2 变形范围大， 活动屋盖与固 定屋盖变形量从几毫米到几百毫米， 同时考虑经济 性和空间结构尺寸的要求， 这就决定需以不同类型 的调整装置来适应较大的调整量和调整范围; 3 运 行速度低， 活动屋盖的移动速度慢， 通常为 3m/min 左右; 4 可靠性要求高、 使用寿命长， 建筑结构要求 机械系统能安全可靠地运行， 同时又尽可能地减少 维护频次， 以保证其足够的使用寿命。 2碟形弹簧的特点 碟形弹簧， 又称贝氏弹簧， 是一种非线性的减 震、 缓冲元件。在石油、 化工、 矿山和冶金等行业的 低速重载设备中得到了广泛应用。其自身的特点 1 刚度大、 缓冲吸振能力强， 能以小变形承受大载 荷， 经常用在轴向安装尺寸较小的场合; 2 具有变 刚度特性， 且有很广范围的非线性特性; 3 同样的 碟簧采用不同的组合方式能使弹簧特性在很大范围 内变化， 可采用对合、 叠合和复合等组合方式。碟形 弹簧有普通螺旋弹簧无可替代的优势和特点， 能很 好地适应开合屋盖系统重载、 大变形工况， 满足机械 调节系统的使用要求， 在机械调节系统中被当成减 震缓冲、 调节阻尼元件使用。 3机械调节系统中碟形弹簧的应用形式 3. 1 纵向调整机构 国内以往的实际开合屋盖工程项目中， 碟形弹 第 43 卷 第 2 期邓伟平， 等． 碟形弹簧在开合屋盖建筑结构中的应用 簧被较多地应用于行走台车的纵向调整机构， 如南 通体育场和鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖项目， 均 采用了将碟形弹簧和液压油缸组合为一体进行调节 的结构形式 ［3］。当系统要求的纵向调整量在某一较 小的范围内时， 碟形弹簧充当阻尼元件， 自动地根据 纵向负载的大小调整变形量， 从而限制台车的自由滑 移; 当系统要求的纵向调整量超过了预先设定的弹簧 变形调整范围时， 液压油缸工作， 进行主动调整。 南通体育场项目中某一种行走台车的结构简图 如 1 所示。碟形弹簧安装在拉杆连接座内， 纠偏油 缸缸体与台车车架、 主轴固接， 推拉轴与纠偏油缸活 塞杆固接， 拉杆与关节座、 拉杆连接座固接， 关节座 与活动屋盖固接。当系统要求的纵向调整量较小 时， 油缸不工作， 台车相对于关节座 活动屋盖 左 右滑移， 此时左右两侧碟形弹簧充当台车滑移的阻 尼; 当系统要求的纵向调整量超出了弹簧调整量的 设定值时 由控制系统根据导向轮处的卡轨压力反 馈信号确定 ， 纠偏油缸开始工作， 进行大位移量的 纵向调整。 图 1南通体育场开合屋盖台车简图 鄂尔多斯体育场开合屋盖纵向调整机构结构形 式与南通体育场项目相类似， 台车结构简图如图 2 所示。将碟形弹簧装配在与台车车架固接的安装座 内， 纠偏油缸缸体与关节座固接， 纠偏油缸活塞杆与 推拉轴固接， 关节座与活动屋盖固接。当系统要求 的纵向调整量较小时， 油缸不工作， 台车相对于关节 座 活动屋盖 纵向滑移 图 2 中的上下方向 ， 此时 两侧的碟形弹簧充当台车滑移的阻尼; 当系统要求 的纵向调整量超出了弹簧调整量的设定值时 由控 制系统根据导向轮处的卡轨压力反馈信号确定 ， 纠偏油缸开始工作， 进行大位移量的纵向调整。 3. 2 竖向调整机构 开合屋盖机械系统中， 竖向荷载是其最主要的 荷载， 由于碟形弹簧能通过不同的组合方式来实现 较大轴向承载力和较大变形量， 因而在竖向调整机 构中也被采用。 开合屋盖应用碟形弹簧的竖向调整机构如图 3 图 2鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖台车简图 所示， 其中上连接法兰与活动屋盖固接， 关节座通过 轴承与台车连接。在活动屋盖移动的过程中， 随着 竖向荷载的变化， 碟形弹簧Ⅰ调整自身变形量以适 应开合屋盖体系竖向变形要求。根据实际工程项目 的工况及荷载要求， 此机构通过匹配相应零部件的 尺寸， 设定了碟形弹簧Ⅰ的预紧力、 最大轴向荷载及 最大的竖向调整量。这样碟形弹簧既能减震、 缓冲， 又能实时调整活动屋盖竖向位移; 同时该机构能防 止碟形弹簧过载。 3. 3 螺纹预紧与防松装置 由于碟形弹簧刚度大及轴向尺寸小的特性， 在 工程实践中， 碟形弹簧常被制成开槽碟形弹簧、 波形 弹簧等结构形式， 当作预紧、 防松元件使用。图 3 中 连接件和关节座采用了螺纹连接， 螺纹的预紧和防松 是通过普通碟形弹簧并辅以螺纹防松厌氧胶的方式 图 3竖向调整机构简图 来实现 的。此 机 构 需 合理地选择碟形弹簧Ⅱ 的刚度， 刚度太小则预 紧力小， 达不到防松的 效果; 刚度过大又可能 会导致螺纹达到屈服 极限而破坏。另外， 当 已确定了碟形弹簧Ⅱ的 规格型号时， 可通过改 变调整垫片的厚度来 调整螺纹预紧力。 4碟形弹簧的选型与设计计算实例 碟形弹簧以往较多地应用于开合屋盖行走台车 的纵向调整机构， 下面将探讨碟形弹簧在绍兴市某 开合屋盖体育场项目机械调节系统竖向调整装置中 的应用设计与计算。该项目中， 与台车连接支点竖 向荷载为 0 ～ 1 350kN， 竖向变形量为 30mm， 碟形 弹簧的 安 装 空 间 尺 寸 最 大 为 500mm 500mm 600mm， 需设计满足上述要求的台车竖向调整机构。 竖向调整装置总体结构与图 3 所示的结构相类 94 建筑结构2013 年 图 4碟簧的特性曲线 似， 开合屋盖竖向承载 部件为图 3 所示的刚性 结构以及碟形弹簧。根 据实际工况， 设定碟形 弹簧竖向荷载最小值为 490kN， 最大值为 980kN; 碟形弹簧材料采 用 50CrVA， 根据文［ 4］ 选用 A 系列第 3 类有支承面 二级精度的碟形弹簧， 规格代号为 420 212 22 31-C2; 采用复合组合的形式， 两片相同规格的碟 形弹簧叠合为一组， 多组对合。碟形弹簧的尺寸及 承载参数如表 1 所示， 其特性曲线如图 4 所示， 外形 及计算应力截面位置见图 5。 碟形弹簧尺寸及参数表 1 D /mm d /mm t /mm h0 /mm H0 /mm 变形量 f≈0． 75h0时 P/Nf/mm H0－ f/mmσⅡ或 σⅢ/MPa 42021222931548 3086. 7524. 251 118 注 D， d， t 分别为碟形弹簧外径、 内径、 厚度; h0为碟形弹簧压平 时变形量计算值; H0为碟形弹簧自由高度; P 为碟形弹簧承受的荷 载; f 为碟形弹簧对应荷载 P 的变形量; σⅡ ， σ Ⅲ为截面Ⅱ， Ⅲ处的应 力 图 5 。 图 5碟形弹簧外形及计算应力的截面位置 碟形弹簧压平时的荷载 Pc 4E 1 － μ 2 t3h0 K1D2 K2 4 1 式中 弹性模量 E 2. 06 105MPa; 泊松比 μ 0． 3; 碟 形弹簧减薄后的厚度 t 20． 25mm; 压平时变形量 h0 H0－ t; K4－ C1/2 C1/2 2 C 槡槡 2， 其中 C1 t t 2 1 4 H0 t － t t 3 4 5 8 H0 t － t t 3 8 C2 C1 t t 3 5 32 H0 t － 1 2 [] 1 将 t 20． 25， 表 1 中 H0， t 值 代 入 上 式 得 C1 13. 85， C2 18． 25， 则 K4 1． 1。 K1 1 π C － 1 C C 1 C － 1 － 2 lnC 其中 C D/d 2， 则 K1 0. 69。 K1～ K4， C， C1， C2均为计算系数。则碟形弹簧 压平时荷载 Pc 803． 5kN。 由于采用的是由两片碟形弹簧叠合再对合的复 合组合的形式， 单片碟形弹簧的最小荷载为 P1 245kN， 最大荷载为 P2 490kN， 则 P1/Pc 0． 30， P2/Pc 0． 61。 由文［ 4］ 单片碟形弹簧的特性曲线图查得 A 系 列 当 K4h0 /t 0． 583 及 P1/Pc 0． 30， P2/Pc 0. 61 时， f1/h0 0． 26， f2/h0 0． 56， 则单片碟形弹 簧在最 小 和 最 大 荷 载 时 的 变 形 量 分 别 为 f1 0. 26h0≈2． 80mm， f2 0． 56h0≈6． 02mm。 复合组合的组数 i fz/f2 60 /6． 02 9． 97， 取 10 组， 即取 i 10， 共 20 片， fz为该项目中竖向调整 机构要求的最大变形量。 未受载时碟形弹簧组的总自由高度为 Hz i H0n－ 1[]t 512． 5mm， 其中碟形弹簧叠合片 数 n 2。当荷载为 490kN 和 980kN 时， 复合碟形弹 簧组高度分别为 H1 Hz－ if1 484． 5mm; H2 Hz－ if2 452． 3mm。 台车竖向调整机构相关结构构件的尺寸需根据 碟形弹簧组承受的最小和最大荷载时的总自由高度 调整。 由 C 2， K4h0 /t 0． 583， 根据文［ 4］ ， 可确定 该碟形弹簧疲劳破坏关键部位为过渡区Ⅱ或Ⅲ处， 首先计算Ⅱ处应力 σⅡ － 4E 1 － μ 2 t2 K1D2 K4 f t K4K2 h0 t － f 2 t － K [] 3 2 式中 K1 0． 69; K4 1． 1; K2 6 π C － 1 /lnC － 1 lnC 1． 22; K3 3 π C － 1 lnC 1． 38。 代入式 2 得 f1 2． 80mm 时， σⅡ 352． 5MPa σⅡmin f2 6． 02mm 时， σⅡ 866． 6MPa σⅡmax 则碟形弹簧Ⅱ处的应力幅为 σ aⅡ σ Ⅱmax － σ Ⅱmin 514． 1MPa 同理由Ⅲ处应力公式 σⅢ － 4E 1 － μ 2 t2 K1D2 1 C f [ t K4 K2－ 2K3 h0 t － f 2 t － K ] 3 可得碟形弹簧Ⅲ处的应力 下转第 59 页 05 第 43 卷 第 2 期杜永峰， 等． 近断层地震作用下隔震结构基底碰撞响应分析及倾覆倒塌模拟 程， 如图 8 所示。当结构在 16. 34s 时隔震层与基坑 挡墙发生碰撞， 隔震支座开始破坏; 随着隔震层的破 坏结构开始倾覆， 由于抗倾覆力矩大于倾覆力矩， 在 17. 84s 时结构停止倾覆， 继而产生向下的位移而发 生倒塌。 图 8碰撞作用下结构倒塌过程 5结论 1 近场地震作用下隔震层发生较大位移， 相 比远场地震下隔震结构与周围挡墙更易发生碰撞。 2 随构造间距的增大， 碰撞作用减弱， 结构层 间位移相应减小。 3 碰撞作用使隔震结构层间位移和绝对加速 度显著增加， 引起倾覆力矩的增大， 可使隔震结构发 生倾覆倒塌。 4 基于非线性弹簧的碰撞模型能较真实地反 映结构的碰撞作用。 参考文献 ［1］MALHOTRA P K． Dynamics of seismic impacts in base- isolatedbuildings ［J］．EarthquakeEngineering＆ Structural Dynamics，1997，26 8 797- 813． ［2］TSAI H C． Dynamic analysis of base-isolated shear beams bumping against stops［J］．Earthquake Engineering ＆ Structural Dynamics，1997，26 5 515- 528． ［3］叶昆，李黎． LRB 基础隔震结构在近断层脉冲型地震 作用下的动力响应研究［J］． 工程抗震与加固改造， 2009，31 2 32- 39． ［4］叶昆，李黎． 改进的 Kelvin 碰撞分析模型［J］． 工程力 学，2009，26 SⅡ 245- 248． ［5］叶献国，谢一可，李康宁． 基础隔震结构在侧向碰撞 下的地震反应分析［J］． 地震工程与工程振动，2008， 28 4 161- 167． ［6］符蓉， 叶昆， 李黎． LRB 基础隔震结构在近断层脉冲型 地震作 用 下 的 碰 撞 响 应［J］． 工 程 力 学， 2010， 27 S Ⅱ 298- 302． ［7］樊剑，刘铁，魏俊杰． 近断层地震下摩擦型隔震结构 与限位装置碰撞反应及防护措施研究［J］． 土木工程 学报，2007，40 5 10- 16． ［8］叶昆，李黎． 近断层脉冲地震作用下偏心基础隔震结 构的地震反应研究［J］． 工程力学， 2009， 26 7 163- 169． ［9］杜永峰， 李慧． 双向地震激励下隔震结构抗倾覆特性的数 值分析［ J］ ． 计算机辅助工程， 2011， 20 1 42- 46． 上接第 50 页 f1 2． 80mm 时， σⅢ 455MPa σⅢmin f2 6． 02mm 时， σⅢ 918． 2MPa σⅢmax 则碟形弹簧Ⅲ处的应力幅 σ aⅢ σ Ⅲmax － σ Ⅲmin 463． 2MPa 可见碟形弹簧Ⅱ处的应力幅较大， 故校核Ⅱ处的疲 劳强度。根据 σⅡmin 352． 5MPa， 由文［ 4］得， 碟形 弹簧寿命为 N 5 105时， σⅡmax 900MPa， 疲劳应 力 σraⅡ 900 － 352． 5 547． 5MPa ＞ σ aⅡ， 故该碟形 弹簧的疲劳寿命约为 5 105次， 满足开合屋盖低频 使用的需要。 5结论 1 通过对开合屋盖机械系统工况、 荷载特性 和碟形弹簧特点分析可知 碟形弹簧承载能力大及 可变刚度的特性能很好地适应建筑结构开合屋盖机 械系统在低速、 重载工况下运行时对调节机构和承 载系统的要求。 2 在开合屋盖纵向调节结构中应用碟形弹簧 作为被动调节机构， 充当缓冲、 减震元件， 能满足开 合屋盖移动过程中荷载和变形实时变化的要求， 且 能简化结构， 缩小空间尺寸。 3 对应用于开合屋盖系统的碟形弹簧， 应根 据实际工程项目中荷载组合和工况组合进行选型与 计算校核， 采用合理的组合方式， 以满足其变形量和 承载力要求， 避免碟形弹簧过载和疲劳失效。 参考文献 ［1］吴强， 郭呈周， 袁海龙． 碟形弹簧对结构物隔振作用的 计算研究［J］． 特种机构， 2006， 23 4 17- 20． ［2］张凤文， 刘锡良． 开合屋盖结构行走机构的应用研究 ［J］． 建筑结构， 2002， 32 9 29- 32． ［3］刘魁， 陈以一， 王澄君， 等． 南通体育会展中心体育场开 合屋盖机械结构综合技术应用研究［J］． 建筑结构， 2008， 38 9 16- 19． ［4］成大先主编． 机械设计手册［M］． 北京 化学工业出版 社， 2008． 95