摘 要：针对某建筑项目抗震所用的球铰关节结构，通过分析提出原有结构设计的不合理之处，进而对结构进行了优化设计，同时采用仿真分析手段验证了优化方案的合理性和可靠性。
关键词：球铰；关节轴承；抗震；结构优化
1 引言
球铰作为一种典型的运动副，具有3个转动自由度，可绕某一点的任意方向旋转，在并联机构中得到越来越多应用[1-2]。球铰可以采用滑动配合或者滚动配合。滚动球铰摩擦阻力小，局限性是承载能力差、额定载荷较低，因此在并联机构设计中仍然以滑动球铰为主[3]。目前，在建筑抗震设计中，常常使用球铰关节来释放建筑结构某些自由度，改善结构内部的应力分布，减少应力集中现象，确保建筑结构的安全。常见球铰结构有盆式橡胶支座、球型铰支座，它通过抗震构造和液压减震元件的缓冲，消化吸收了地震所带来的冲击能量，减轻地震对建筑结构的破坏性[4]。
因此，本文利用了球铰关节的抗震特点，设计并优化了某建筑项目所用到的球铰关节的结构。该球铰要求使用年限为50年，建筑钢结构安全等级为一级，建筑抗震设防为重点设防类。作为钢结构的铰接节点，该球铰结构主要承受拉力，设计载荷为1 000 kN，安全系数取1.5，极限载荷为1 500 kN，旋转摆动角±6°。为了解该球铰结构的受力情况，本文采用了有限元软件，对球铰关节进行仿真分析，通过对几何模型的边界条件设置、接触对设置、材料模型和网格划分等要素的设置，建立了球铰关节的仿真模型。为确保模型受力情况与节点实际受力一致，建模时将底座下部采用螺栓固定，受力杆件承受拉向的极限载荷，以此考察球铰关节的受力情况，评价结构的合理性和可靠性。
2 原始结构设计方案
2.1 初始设计结构
某建筑项目原有球铰结构设计方案如图1所示，主要部件包括球头杆、球铰底座、球铰盖板三部分，其中球铰底座和球铰盖板以螺纹连接方式锁固，球头杆的球头部分落在底座和盖板内表面所包围的球窝中，而球头杆柄部带有内螺纹与外部建筑杆件进行连接固定。
初始设计时，三个零件件均选用GCr15材料，热处理硬度要求为54HRC～60HRC。
图1 球铰关节的原始设计方案结构
2.2 结构仿真分析
通过有限元建模仿真分析，原球铰结构方案的极限载荷作用下的球头杆应力分布如图2所示，盖板应力分布如图3所示，底座应力分布如图4所示，位移分布如图5所示。
图2 球头杆应力分布
图3 盖板应力分布
图4 底座应力分布
图5 位移分布
从应力分布来看，球头杆最大等效应力为380.5 MPa，出现在球头杆柄部的内螺纹上，该零件应力较大区域主要在柄部和球面顶部；球铰盖板最大等效应力为321.0 MPa，出现在盖板的顶面开口内倒角处，而内螺纹上部也出现一定程度的应力集中；球铰底座最大等效应力为176.6 MPa，出现在外圆柱面与下部法兰的连接处。由图5可知，球铰的球头杆位移量最大，其数值最大为2.073 mm，而底座和盖板则变形较小，均在1.2 mm以下。
2.3 原结构存在问题
通过观察原结构设计方案，可以看出该方案存在以下问题：①原设计方案的球铰关节结构较为简单，在使用过程中内部球面滑动摩擦副会有磨损、黏合现象，润滑、防水、防尘与防腐蚀等问题会使产品寿命变短，无法保证50年的使用寿命。②球铰关节结构的轴向游隙无法精确调整，影响使用安装精度，容易造成过紧卡死或者过松窜动的现象。③结构受力时，零件内部的应力分布高低差别较大，球头杆内螺纹、盖板的顶部端口处存在较大应力集中现象，而整体结构的下部分基本处于低应力区，承载安全系数富裕度较大。④球铰关节各零件均采用GCr15材料，而零件的壁厚差别较大，在热处理过程中无法实现整体淬硬，存在表层硬度偏高、芯部硬度偏低现象，在壁厚差别较大的地方更容易引起淬火裂纹、变形不一致的问题，造成产品装配精度低和使用寿命短等问题。可见，原设计方案并不是最佳方案，需要进一步优化设计球铰关节节点的结构，改善内部受力和加工所存在的工艺问题。
3 优化设计后方案
3.1 优化后结构
根据上面所述的结构问题，对原有球铰关节的结构进行了调整，优化后的结构方案如图6所示。此结构引入了一种关节轴承的新型球铰结构，零件包括销轴、底座、底板、两套带自润滑材料角接触关节轴承和一套防护装置（包括O形密封圈、环形紧箍圈、不锈钢波纹管密封罩、内六角螺钉、压板等组成）。
新旧结构对比，主要变化如下：原有球头杆零件变为销轴和关节轴承内圈3个零件，壁厚均匀性较为一致，热处理变形小、硬度分布更为均匀。球铰底座和盖板变为底座、底板和关节轴承外圈4个零件，各零件的壁厚较为一致，热处理变形小、硬度分布更为均匀。底板与底座采用螺纹连接结构，可起到调整轴承径向游隙作用，待轴承游隙调整好后，可对底板进行点焊加固，防止螺纹松懈造成游隙变大，从而防止结构受冲击时带来的轴向窜动。两套角接触关节轴承外圈和内圈材料为钢/钢，内圈外球面镶嵌固体自润滑材料，可有效保证结构的自润滑作用，从而实现免维护并延长使用寿命。新结构考虑了防水、防尘、防腐蚀因素，增加了顶部的防护罩等装置，可防止外部杂物进入内部造成轴承卡死损坏，从而延长产品的使用寿命。新结构的外形尺寸做了适当减小，使结构更加紧凑，内部受力更加合理，质量由原来的350 kg减少至310 kg，减去约11%。
此外，新方案的销轴可实现360°周向转动、±10°摆动，能承受轴向和侧向高载荷的静载或动载作用，用在普通建筑的抗震结构中，可承受一般地震冲击和外部激励交变载荷的频繁作用。总之，新结构方案设计易于维护，维护成本低，使用寿命更长。
图6 优化的球铰关节设计方案结构
3.2 结构仿真分析
同理，新结构方案的球铰关节，在轴向极限载荷为1 500 kN作用下，其主要承载零件的等效应力分布及位移分布分别如图7～图12所示。
图7 销轴应力分布
图8 上、下轴承外圈应力分布
图9 上、下轴承内圈应力分布
图10 底座应力分布
图11 底板应力分布
图12 位移分布
从图7～图11可看出，销轴最大等效应力为409.2 MPa，发生在中部凸台与销轴连接过渡圆角处；外圈最大等效应力为317.9 MPa，出现在上轴承外圈，而下轴承外圈受力很小；内圈最大等效应力为262.5 MPa，同样出现在上轴承内圈；底座最大等效应力为345.5 MPa，出现在底部台阶与外圆柱面过渡圆角上；底板最大等效应力为129.8 MPa，出现在螺纹的最下部。
由图12可知，球铰结构的最大位移量为3.049 mm，比原结构位移量2.073 mm略大，但此位移属于弹性变形量，载荷卸除时可恢复原状态，不影响节点的使用。由此可得，各零件的最大等效应力均低于材料的屈服强度，不仅能够满足设计承载载荷要求，而且内部应力分布更加合理、均匀。
4 结论
球铰结构的原设计方案构造简单，在润滑、防水、防尘与防腐蚀方面并未考虑，而且承载时内部应力分布不是非常合理。新优化设计的球铰关节结构更加紧凑，各零件的壁厚分布更加均匀，内部受力更加合理，而且解决了防水、防尘、防腐蚀和润滑等问题。优化后的球铰结构质量比原来的减轻了40 kg，所减质量比例达到了11%。
