李 琨

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363021）

0 引言

減隔震設(shè)計方法是在建筑基礎(chǔ)上增設(shè)減隔震支座，用以隔離和耗散地震能量。這種方法在保持原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可保證結(jié)構(gòu)在地震作用下處于彈性范圍工作狀態(tài)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)型，得到了不斷的發(fā)展。

減隔震支座最初形式為天然普通橡膠支座和阻尼器組合的方法，但其阻尼耗能很小，效果不明顯。為解決這一問題，眾多學(xué)者采用橡膠層+鋼板層相間黏著布置，充分利用了鋼板材料很高豎向剛度與撓曲剛度（在正常受力時變形較?。瑫r在承受水平地震剪力時又具有和橡膠相同的彈塑性能（允許支座發(fā)生水平變形，實(shí)現(xiàn)耗能的目的）。劉文光等[1]進(jìn)行了鉛芯疊層橡膠支座力學(xué)性能研究，莊學(xué)真等[2]通過實(shí)驗(yàn)研究了高阻尼橡膠支座力學(xué)性能，劉海卿[3]研究分析了SMA 絞線—疊層復(fù)合橡膠支座力學(xué)性能。這些隔震（振）橡膠支座較好改善了耗能能力，但這些減隔震支座制作都存在各種缺陷，如鋼板橡膠支座須經(jīng)加熱加壓使橡膠墊硫化，制作復(fù)雜。1999 年Kelly[4]等首次提出用FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Fiber-reinforced polymer）板替代傳統(tǒng)天然橡膠支座中的鋼板，并開發(fā)出FRP 板橡膠支座。該方法解決了之前減隔震支座構(gòu)造復(fù)雜、切割困難、自重過大、價格昂貴的缺點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 受力分析

由于Kelly 等人開發(fā)的FRP 板橡膠支座具有較強(qiáng)的實(shí)用性，各國學(xué)者對其從不同角度和采用不同方法進(jìn)行了各種分析研究，其中黃俊智和林育民[5]等人把FRP 加勁板和橡膠層模擬為各向同性材料；張華等[6]將FRP 板視為復(fù)合材料模式，用Mooney-Rivlin 模型模擬橡膠材料進(jìn)行分析。譚平等[7]則分析了壓剪情況下支座橡膠層應(yīng)力大小和分布情況。

本文采用通用有限元程序ANSYS，考慮FRP 復(fù)合材料的特殊性和橡膠隔層材料的大變形和不可壓縮性，對FRP 橡膠支座和傳統(tǒng)層疊鋼板橡膠支座，在正常工作狀態(tài)下的豎向荷載力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，對比兩者的應(yīng)力情況，為實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的參考。

1.1 有限元模型尺寸

為保證分析模型參數(shù)的客觀性和可行性，本文分析的支座尺寸與王斌等[8]的試驗(yàn)尺寸相同，為220mm×220mm×93mm（11 層5mm 厚橡膠層，10 層3mm 厚FRP 加勁板以及頂、底面各8mm 厚保護(hù)層橡膠，每片纖維布層為0°與90°交錯疊合而成）的有限元模型，如圖1 所示。作為比較參照的橡膠鋼板支座，則用同等尺寸的鋼板對FRP 加勁板進(jìn)行替換。

圖1 FRP 加勁板（鋼板）橡膠隔震支座尺寸圖

1.2 材料的參數(shù)設(shè)定

用ANSYS 有限元分析軟件建立三維有限元模型，將FRP 材料簡化為彈性模量為17.50x103MPa，泊松比為0.40MPa 彈性體材料，用SHELL181 單元進(jìn)行模擬。而橡膠是超彈性材料，為了考慮該材料的大變形和材料非線性，采用實(shí)體8 節(jié)點(diǎn)SOLID185 單元對橡膠材料進(jìn)行模擬。材料取常用的兩參數(shù)Mooney-Rivin 模型，減隔震橡膠支座中常用硬度為60 的橡膠，參數(shù)為C10=0.4947MPa，C01=0.0639MPa。鋼板材料為理想彈性體，選用較為簡單的SHELL63 單元，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3 的彈性體。

為了模擬FRP 板層（鋼板層）和橡膠層之間的滑移，建模時假設(shè)FRP板（鋼板）與橡膠接觸面為理想黏結(jié)，以共節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行考慮，建立參考點(diǎn)來控制其加載豎向面荷載的傳遞。因僅考慮支座豎向加載分析，為了節(jié)省計算時間，提高計算機(jī)運(yùn)算效率，本文建模時取方形支座的四分之一對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。網(wǎng)格劃分并施加約束情況見如圖2。

圖2 隔震支座有限元模型圖

2 有限元分析結(jié)果對比

2.1 有限元模型加載

本文主要分析對比兩種支座在豎向加載作用下的力學(xué)性能，以及壓力與變形（剛度）的關(guān)系，加載方式參照《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T4-2019）中“公路板式橡膠支座極限抗壓承載力試驗(yàn)測試規(guī)定”中的規(guī)定，對支座連續(xù)緩慢加載至70MPa 的壓應(yīng)力，然后比較分析FRP 板橡膠支座和鋼板橡膠支座的變形、剛度變形情況。

2.2 FRP 橡膠支座應(yīng)力情況分析

由于橡膠材料為超彈性體，在豎向作用下將發(fā)生較大側(cè)向膨脹，由此引起豎向變形很大，若無加勁板的水平約束作用，將超過橋梁或建筑結(jié)構(gòu)對支座性能的要求。當(dāng)FRP 板（或鋼板）和橡膠層有可靠黏結(jié)時，將有效的約束橡膠層的側(cè)向變形，提高支座整體的豎向承載力。而FRP 板（鋼板）在水平面內(nèi)將受到較大的拉伸作用，正好發(fā)揮了FRP（或鋼板）抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，很好的將兩種材料結(jié)合起來。

因FRP 板在平面內(nèi)兩個相互正交方向纖維，具有較高的抗拉強(qiáng)度和剛度，在支座受力過程中主要起約束橡膠層水平變形的作用。而FRP 纖維在豎向?yàn)閷娱g分布，層間強(qiáng)度較小，對支座受壓不起主要支撐作用。所以在分析時，主要考慮FRP 板面在水平方向的應(yīng)力情況。

支座中橡膠層和FRP 板層（鋼板層）交錯疊合粘結(jié)布置，為了更好的考察支座內(nèi)部受力情況，在ANSYS 計算結(jié)果中，取中間層（第5 層）板面應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。支座在達(dá)到設(shè)計極限壓應(yīng)力值70MPa 時，中間層FRP板（鋼板）應(yīng)力分布情況分別見圖3、圖4。應(yīng)力云圖顯示無論是FRP 板面還是鋼板面，應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，即板面中心處的應(yīng)力最大，向四周邊緣呈圓弧狀擴(kuò)散時應(yīng)力也逐漸減小。主要原因是各橡膠夾層越靠近四周邊緣，受豎向力擠壓時發(fā)生的側(cè)向膨脹累積變形越大，從而對FRP 纖維（鋼板）的約束作用越小。

圖3 中間層FRP 板面x 方向應(yīng)力分布云圖

圖4 中間層鋼板板面x方向應(yīng)力分布云圖

模擬分析結(jié)果可以看出，支座在最大豎向壓應(yīng)力70MPa 作用下，中間層FRP 板面中心產(chǎn)生的最大應(yīng)力為116.36MPa，與同等條件下鋼板面的應(yīng)力89.15MPa 相差不大，并且FRP 板面x方向最大拉應(yīng)力仍遠(yuǎn)小于FRP 材料的抗拉強(qiáng)度，完全可以替代層疊鋼板滿足支座受力要求。

2.3 支座變形情況比較分析

將兩種支座的豎向變形隨著壓力增大的變化曲線進(jìn)行對比（如圖5）。初始階段豎向壓應(yīng)力較小，從0 增加到25MPa 時橡膠和FRP 板（鋼板）都處于彈性狀態(tài)，支座豎向變形和壓應(yīng)力成等比例線性增加。隨著壓應(yīng)力繼續(xù)增大，橡膠層水平膨脹，豎向變形呈現(xiàn)加速狀態(tài)，兩種支座的變形都比壓應(yīng)力增加速度快，應(yīng)力-變形曲線快速上揚(yáng)。當(dāng)壓應(yīng)力較大，超過45MPa 之后，橡膠層的超彈性壓縮變形逐漸趨于穩(wěn)定，支座的整體變形曲線也逐漸趨于平緩。

圖5 FRP 加勁板（鋼板）橡膠隔震支座豎向變形對比

對比兩種支座變形，因FRP 層為多層纖維正交粘貼而成，而鋼板材料豎向?yàn)橹旅苄越Y(jié)構(gòu)，彈性模量比FRP 材料很多大，故鋼板在壓力下的豎向變形也相對小一些。兩者變形相差最大位于壓應(yīng)力接近40MPa 時，此時兩者僅相差14.35%。結(jié)果表明，雖然FRP 橡膠支座剛度略小，但完全能滿足豎向承載力的要求。

3 結(jié)論

本文介紹了FRP 橡膠支座的特點(diǎn)和發(fā)展過程，用ANSYS 有限元分析軟件對FRP 橡膠支座和鋼板橡膠支座在豎向力作用下板面的變形和應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并比較了兩種支座應(yīng)力和變形情況。模擬分析結(jié)果表明，各層板面應(yīng)力分布從中心往外圍逐漸減小，在測試實(shí)驗(yàn)規(guī)定中最大壓應(yīng)力70MPa作用下，F(xiàn)RP 板最大水平拉應(yīng)力為116.36MPa，略大于鋼板面應(yīng)力，但完全滿足FRP 材料抗拉強(qiáng)度要求。對比FRP 板橡膠支座和傳統(tǒng)疊層鋼板橡膠支座的豎向剛度，因鋼板的彈性模量較大，鋼板支座比FRP 板支座豎向變形稍小，但兩者的剛度相差不大。綜合考慮FRP 橡膠支座的其他優(yōu)點(diǎn)，在豎向壓力作用下，用FRP 板替代傳統(tǒng)疊層鋼板的橡膠支座是可行和可靠的。