泰达市民文化广场是天津滨海新区经济技术开发区的一艘商业旗舰,集酒店、 购物、 餐饮、娱乐为一体。其建筑面积约20万平米,外观宏伟、 大方,结构独特、 富有强烈的现代气息,特别是建筑外檐幕墙结构部分从节能、 生态、 环保等多角度考虑,将多项现代新技术应用在工程建设中,赋予了当代建筑幕墙以新的涵义,同时也给中国建筑史上写下厚重的一笔。
笔者作为该项目的负责人,有幸全程参与了外檐幕墙结构部分的方案制定、 设计过程和施工过程。其中,在设计过程中将弹簧减震支座在大型建筑维护结构中的应用,笔者认为是其中的一大亮点,现将设计过程中的理念和设计资料整理出来,以期对建筑幕墙的发展起到一定的参考和借鉴作用。
泰达市民文化广场主体结构设计时,没有考虑幕墙外维护结构的综合受力因素,若两立面结构与主体结构刚性连接,每个支点与主体结构的力都不一样,当采用传统连接方式时,在较大外力作用下,可能对主体结构造成破坏,为此,我们专门设计了三种9 2套 “ 双向抗拉(压)弹簧减震支座” ,作为外维护结构与主体结构的连接件。
1、弹簧减震支座的工作原理
当外力(正风压)通过垂直于幕墙安装的弹簧减震支座将力传递到建筑主体结构上时,弹簧减震支座内同轴安装的两组弹簧中的抗压弹簧开始作用,另一组弹簧不受力,处于自由状态,当抗压弹簧过载超过设计值时,通过支座两端的限位停止工作。当作用在幕墙上的外力为负风压时,另一组抗压弹簧开始作用,正风压工作的弹簧处于自由状态。即在正、负风压不同作用时,两组弹簧分别工作。由于弹簧工作时有一定的行程,外幕墙钢结构又是相对的刚性体,可以确保所有支点均受力,从而保证了主体结构的安全性。
2、 弹簧减震支座的位置编号、支座反力
Mq 1弹 簧支座编号:
Mq 2弹 簧支座编号:
MQ 1、2弹 簧支座反力(单位:N )
根据以上支座反力计算结果,我们汇总确定了三种弹簧轴向力进行支座设计,其中:ZZ1型弹支座轴向力F=136KN;ZZ2型弹簧支座轴向力Fz=254KN;ZZ1a型弹簧支座轴向力F=75444N。
3、 弹簧减震支座的设计图纸及参数
MQ 1、2弹 簧支座反力(单位:N )
(1)ZZ1型 弹簧支座图(数量74台 套):
Zz1型 弹簧支座设计参数:
弹簧支座轴向力:F=136KN
单弹簧刚度K=1800N/mm
弹簧中径D=180mm
钢丝直径d=45mm
一圈弹簧刚度Kd:6855N/mm
有效圈数n=3.81
总圈数n=5.31
节距p=(0.28~0.5)D=69.5mm
n1=n+1.5时,弹簧高度
H=pn+d=69.5x3.81+45=310mm
允许变形:+76
旋向:右旋
热处理后硬度:45~50HRC
端部形式:YI型 ,两端圈并紧,没端磨3/4圈 ;
螺旋角
a=arctanp/3.14D=arctan69.5/3.14x180=7.01 °
展开长度:
L=3.14Dn1/cosa=3.14x180x5.31/cos7.01°=3024mm
弹簧允许承受的xx载荷:147115N
最小套筒直径:234mm
(2)ZZ2型 弹簧支座(数量8台套):
Zz2型 弹簧支座设计参数:
单弹簧计算:
弹簧支座轴向力:Fz=254000N
弹簧支座刚度Kz=5000N/mm
单弹簧轴向力:Fz=127000N
单弹簧刚度K=5000/2=2500N/mm
弹簧中径D=195mm
钢丝直径d=45mm
一圈弹簧刚度
Kd=GD/8C4=78000X195/8(195/45)4=5392N/mm
弹簧刚度k=2500N/mm
有效圈数n=2.1568
总圈数n=4.21568
节距p = (0.28~0.5)D=73mm
n1=n+1.5时 ,
弹簧高度H=pn+d=73x2.1568+45=202mm
允许变形:±51
旋向:右旋
热处理后硬度:45~50HRC
端部形式:YI型 ,两端圈并紧,没端磨3/4圈 ;
螺旋角
a=arctanp/3.14D=arctan73/3.14x195=6.799°
展开长度:
L=3.14Dn1/cosa=3.14x195x4.1568/cos6.799°=2563mm
单弹簧允许承受的xx载荷:
Fs=3.14d³x740/8D=3.14X45³X740/8x195=135730N
最小套筒直径:250mm
(3)ZZ1a型弹簧支座(数量10台 套):
ZZ1a型 弹簧支座设计参数:
单弹簧计算:
弹簧支座轴向力:F=75444N
单弹簧刚度K=1800N/mm
弹簧中径D=195mm
钢丝直径d=45mm
一圈弹簧刚度
Kd=GD/8C4=78000X195/8(195/45)4=5392N/mm
有效圈数n=2.995
总圈数n=4.495
节距p=(0.28~0.5)D=68.5mm
n1=n+1.5时 ,
弹簧高度H=pn+d=68.5x2.995+45=250mm
允许变形:±42
旋向:右旋
热处理后硬度:45~50HRC
端部形式:YI型 ,两端圈并紧,没端磨3/4 圈;
螺旋角
a=arctanp/3.14D=arctan68.5/3.14x195=6.383°
展开长度:
L=3.14Dn1/cosa=3.14x195x4.495/cos6.383°=2770mm
单弹簧允许承受的xx载荷:
33Fs=3.14dx740/8D=3.14X45X740/8x195=135730N
最小套筒直径:250mm
4、 弹簧减震支座的实物安装
(1)单筒型(ZZ1型)弹 簧减震支座: