劉 波,牛忠榮

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,合肥230009)

0 引 言

支座隔震是一種被動控制技術[1],結構被動控制技術將傳統(tǒng)的依靠結構自身強度和剛度來增強結構抗力的設計方法轉變?yōu)槔每刂蒲b置吸收并耗散振動能量,是結構抗震防災的一種積極有效的設計手段.聚四氟乙烯滑動支座采用的是摩擦滑移隔震,屬于摩擦耗能支座.在地震作用下支座裝置允許上部結構在摩擦面產生滑動,從而控制下部結構傳遞到上部結構的最大地震力為支座滑移面的最大摩擦力,并通過摩擦做功消耗大量的地震能量,以此降低結構的地震響應.由于應用前景廣泛,國內外學者對隔震支座做了大量的研究工作,文獻[2]～[8]對支座的相關性能進行了試驗分析和數(shù)值分析.本文主要對該支座的抗壓性能、抗拔性能、滯回性能及地震位移響應進行了有限元分析,為實際工程提供理論依據(jù).

1 支座的構造和工作原理

本文研究支座由底板、聚四氟乙烯板、圓鋼板、支座底板、預埋件擋板以及內外筒構成,見圖1.上部結構通過螺栓球與內筒焊接起來,預埋件擋板是用來控制筒體沿徑向滑動位移的,起限制位移作用.內筒內表面上粘接一層聚四氟乙烯板然后與支座的圓鋼板焊接成一體,然后把底部的圓形聚四氟乙烯板粘接在圓鋼板上,聚四氟乙烯板厚為3 mm.在外筒外表面上粘接一層聚四氟乙烯板然后套在內筒外,兩筒可以相互轉動.以上這幾部分組成筒體,放在底部鋼板上,筒體下圓形聚四氟乙烯板與底部鋼板組成一對滑動摩擦副.當結構受到較小地震作用時,摩擦接觸面不發(fā)生滑移,由靜摩擦阻力阻止上部結構滑動,使建筑物保持穩(wěn)定;當?shù)卣鹱饔贸^某一限值時,隔震層所受水平地震作用超過最大靜摩擦力,滑動面開始發(fā)生滑移,可以顯著地發(fā)揮摩擦滑移支座的隔震作用.滑動過程中,支座通過這兩層聚四氟乙烯之間的摩擦力做功來消耗地震波能量.內外筒之間的兩層聚四氟乙烯板對隔震沒有影響,根據(jù)實際情況采取的構造措施.

圖1 座構造圖

2 滑動隔震支座有限元分析前處理

2.1 支座材料定義

本支座中所用的鋼板均采用Q235鋼,彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比 μ=0.3;聚四氟乙烯E=400 MPa,泊松比μ=0.42;兩種材料均按彈性材料考慮.

2.2 支座的網格劃分

采用ABAQUS通用有限元軟件進行支座的有限元分析,考慮到支座分析時涉及到接觸分析,網格單元采用六面體線性減縮積分單元C3D8R,這種單元非常適合進行接觸分析.支座整體網格劃分如圖2所示.

圖2 支座整體網格劃分

2.3 支座接觸面定義

接觸界面條件主要涉及兩部分,其中之一就是法向接觸條件,法向接觸條件是判定物體是否進入接觸以及已經進入接觸該遵守的條件,此條件包括運動學條件和動力學條件兩個方面.接觸運動學方面的條件是指物體A和物體B在接觸分析過程中不允許相互貫入,即不可貫入性;接觸動力學方面的條件是指在不考慮接觸面間的粘附或冷焊的情況下,物體A和物體B之間的法向接觸力只有可能是壓力.其中之二就是切向接觸條件,切向接觸條件是判斷已進入接觸的兩個物體的接觸面的具體接觸狀態(tài),以及它們各自應服從的條件.實際上切向接觸條件在有限元分析中就是判斷相互接觸的兩個物體之間是否存在摩擦的問題.在做接觸分析時,一般都先定義一個分析步或者幾個施加很小的荷載,讓各個零部件之間的接觸關系平穩(wěn)地建立起來,之后再建立一個或多個分析步把全部荷載施加到求解模型上.一般在定義兩個接觸面時,網格較粗的面作為主面,網格較細的面作為從面.網格疏密的建立主要看實際的接觸模型,考慮接觸面上每個接觸方向上單元的數(shù)量,如果主從表面的網格密度大致相等,那么柔性材料的表面應該作為從面[9].

本支座模型定義中,選取底部鋼板上表面為主面,圓形聚四氟乙烯板下表面為從面.接觸對為定義為面對面(surface to surface);接觸屬性采用罰函數(shù)摩擦模型(penalty friction),接觸面間的摩擦系數(shù)值的大小按不同的情況進行考慮,方向性為各向同性[10][11].

圖2 和圖3是前處理中相關定義示意圖.

圖3 支座構件接觸面定義

3 滑動支座在徑向位移激勵下滯回性能的有限元分析

支座承受豎向荷載設計值為260 k N,水平位移激勵下滯回性能的有限元分析,豎向施加載荷為300 kN,豎向壓力轉換為均布荷載施加在支座內筒上.對支座中的筒體部分施加徑向位移激勵 S=Asin(2πft),其中 A為振幅,其中振幅 A=150 mm,周期T=2 s,總時間為12 s.在支座底部對其所有自由度進行約束.圖4和圖5是相關示意圖.

從細觀上看,由于不銹鋼表面與聚四氟乙烯板表面細微的波形與不平整性,使得兩接觸面的真實接觸面積比表觀面積小,摩擦力實際上是挖啃效果和粘性效果共同作用的產物,摩擦學的近期研究表明,粘性影響在摩擦力的產生過程中是起主導性作用的,它與實際接觸面積成正比.另外,研究表明摩擦系數(shù)與正應力呈反比關系.在不同的壓力作用下,摩擦系數(shù)會發(fā)生變化.

分析時分別取豎向壓力P=90 kN,120 kN,150 kN,位移大小相等為150 mm.不同壓力時,摩擦系數(shù)的選取如表1[4].

表1 豎向荷載與摩擦系數(shù)關系

圖6 至圖8是支座在相同位移激勵不同豎向壓力下的滯回曲線,該支座的滯回曲線近似于平行四邊形.隨著豎向壓力的增大,支座的滯回耗能能力呈增大趨勢.支座承受的豎向壓力增大使滑移面摩擦力增大,是導致耗能能力提高的根本原因,可以保證支座在豎向較大壓力作用下工作性能良好.

4 地震激勵作用下支座位移響應的有限元分析

當發(fā)生地震時,在地震激勵作用下,筒體部分和預埋擋板在徑向方向會發(fā)生相對運動,為了避免筒體和擋板在徑向方向發(fā)生碰撞,他們之間要預留一定的間隙,初步設計值為150 mm.為此,進行地震位移響應的有限元分析,驗算間隙為150 mm時,是否能避免發(fā)生構件碰撞.

在地震激勵作用下的位移響應有限元時,豎向施加P=300 k N的壓力,徑向方向輸入地震激勵,且僅考慮單向地震作用.根據(jù)工程實際使用情況,分析時采用南北向的天津波,在進行位移響應分析,加速度峰值采用8°區(qū)罕遇地震400 cm/s2和7°區(qū)罕遇地震220 cm/s2.地震波轉化為加速度施加與支座鋼板底部.圖9和圖10給出了支座在天津波作用時,支座構件在徑向的相對位移與時間的關系.

從分析結果中可以得到,當加速度峰值為220 cm/s2時構件的相對位移最大值為95.2 mm,當加速度峰值為400 cm/s2時構件的相對位移最大值為111.5 mm.由此可以得出,支座在地震激勵作用下,支座徑向方向構件的間隙為150 mm時,構件不會發(fā)生相互碰撞.

5 結 論

(1)所研究的滑動支座在相同位移激勵不同豎向壓力作用下,支座的滯回曲線近似平行四邊形.豎向壓力越大,支座的滯回耗能能力越好.支座承受豎向壓力的增大使得滑移面的摩擦力也隨之增大,是耗能能力提高的根本原因.

(2)在地震激勵作用下,支座在徑向方向的相對位移隨著加速度峰值的增大而增大.由于該支座沒有復位裝置,支座滑動后有殘留位移,為了避免發(fā)生碰撞,在實際使用時要根據(jù)實際情況預留足夠的徑向凈間距.

(3)建議使用該支座時,增加復位裝置或者一部分支座采用此類滑動支座,一部分支座采用橡膠隔震支座.

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