滑動(dòng)支座隔震性能的有限元分析

劉 波,牛忠榮

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥230009)

0 引 言

支座隔震是一種被動(dòng)控制技術(shù)[1],結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制技術(shù)將傳統(tǒng)的依靠結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度和剛度來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)槔每刂蒲b置吸收并耗散振動(dòng)能量,是結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)的一種積極有效的設(shè)計(jì)手段.聚四氟乙烯滑動(dòng)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(jié)構(gòu)在摩擦面產(chǎn)生滑動(dòng),從而控制下部結(jié)構(gòu)傳遞到上部結(jié)構(gòu)的最大地震力為支座滑移面的最大摩擦力,并通過(guò)摩擦做功消耗大量的地震能量,以此降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng).由于應(yīng)用前景廣泛,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隔震支座做了大量的研究工作,文獻(xiàn)[2]～[8]對(duì)支座的相關(guān)性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析和數(shù)值分析.本文主要對(duì)該支座的抗壓性能、抗拔性能、滯回性能及地震位移響應(yīng)進(jìn)行了有限元分析,為實(shí)際工程提供理論依據(jù).

1 支座的構(gòu)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(yù)埋件擋板以及內(nèi)外筒構(gòu)成,見(jiàn)圖1.上部結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓球與內(nèi)筒焊接起來(lái),預(yù)埋件擋板是用來(lái)控制筒體沿徑向滑動(dòng)位移的,起限制位移作用.內(nèi)筒內(nèi)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(nèi)筒外,兩筒可以相互轉(zhuǎn)動(dòng).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(duì)滑動(dòng)摩擦副.當(dāng)結(jié)構(gòu)受到較小地震作用時(shí),摩擦接觸面不發(fā)生滑移,由靜摩擦阻力阻止上部結(jié)構(gòu)滑動(dòng),使建筑物保持穩(wěn)定;當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^(guò)某一限值時(shí),隔震層所受水平地震作用超過(guò)最大靜摩擦力,滑動(dòng)面開(kāi)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(dòng)過(guò)程中,支座通過(guò)這兩層聚四氟乙烯之間的摩擦力做功來(lái)消耗地震波能量.內(nèi)外筒之間的兩層聚四氟乙烯板對(duì)隔震沒(méi)有影響,根據(jù)實(shí)際情況采取的構(gòu)造措施.

圖1 座構(gòu)造圖

2 滑動(dòng)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(wǎng)格劃分

采用ABAQUS通用有限元軟件進(jìn)行支座的有限元分析,考慮到支座分析時(shí)涉及到接觸分析,網(wǎng)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(jìn)行接觸分析.支座整體網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 支座整體網(wǎng)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(jìn)入接觸以及已經(jīng)進(jìn)入接觸該遵守的條件,此條件包括運(yùn)動(dòng)學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件兩個(gè)方面.接觸運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的條件是指物體A和物體B在接觸分析過(guò)程中不允許相互貫入,即不可貫入性;接觸動(dòng)力學(xué)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(jìn)入接觸的兩個(gè)物體的接觸面的具體接觸狀態(tài),以及它們各自應(yīng)服從的條件.實(shí)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(gè)物體之間是否存在摩擦的問(wèn)題.在做接觸分析時(shí),一般都先定義一個(gè)分析步或者幾個(gè)施加很小的荷載,讓各個(gè)零部件之間的接觸關(guān)系平穩(wěn)地建立起來(lái),之后再建立一個(gè)或多個(gè)分析步把全部荷載施加到求解模型上.一般在定義兩個(gè)接觸面時(shí),網(wǎng)格較粗的面作為主面,網(wǎng)格較細(xì)的面作為從面.網(wǎng)格疏密的建立主要看實(shí)際的接觸模型,考慮接觸面上每個(gè)接觸方向上單元的數(shù)量,如果主從表面的網(wǎng)格密度大致相等,那么柔性材料的表面應(yīng)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(duì)為定義為面對(duì)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(jìn)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(guān)定義示意圖.

圖3 支座構(gòu)件接觸面定義

3 滑動(dòng)支座在徑向位移激勵(lì)下滯回性能的有限元分析

支座承受豎向荷載設(shè)計(jì)值為260 k N,水平位移激勵(lì)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(zhuǎn)換為均布荷載施加在支座內(nèi)筒上.對(duì)支座中的筒體部分施加徑向位移激勵(lì) S=Asin(2πft),其中 A為振幅,其中振幅 A=150 mm,周期T=2 s,總時(shí)間為12 s.在支座底部對(duì)其所有自由度進(jìn)行約束.圖4和圖5是相關(guān)示意圖.

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

分析時(shí)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(shí),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(guān)系

圖6 至圖8是支座在相同位移激勵(lì)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(shì).支座承受的豎向壓力增大使滑移面摩擦力增大,是導(dǎo)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(lì)作用下支座位移響應(yīng)的有限元分析

當(dāng)發(fā)生地震時(shí),在地震激勵(lì)作用下,筒體部分和預(yù)埋擋板在徑向方向會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),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(yù)留一定的間隙,初步設(shè)計(jì)值為150 mm.為此,進(jìn)行地震位移響應(yīng)的有限元分析,驗(yàn)算間隙為150 mm時(shí),是否能避免發(fā)生構(gòu)件碰撞.

在地震激勵(lì)作用下的位移響應(yīng)有限元時(shí),豎向施加P=300 k N的壓力,徑向方向輸入地震激勵(lì),且僅考慮單向地震作用.根據(jù)工程實(shí)際使用情況,分析時(shí)采用南北向的天津波,在進(jìn)行位移響應(yīng)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(zhuǎn)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(shí),支座構(gòu)件在徑向的相對(duì)位移與時(shí)間的關(guān)系.

從分析結(jié)果中可以得到,當(dāng)加速度峰值為220 cm/s2時(shí)構(gòu)件的相對(duì)位移最大值為95.2 mm,當(dāng)加速度峰值為400 cm/s2時(shí)構(gòu)件的相對(duì)位移最大值為111.5 mm.由此可以得出,支座在地震激勵(lì)作用下,支座徑向方向構(gòu)件的間隙為150 mm時(shí),構(gòu)件不會(huì)發(fā)生相互碰撞.

5 結(jié) 論

(1)所研究的滑動(dòng)支座在相同位移激勵(lì)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(lì)作用下,支座在徑向方向的相對(duì)位移隨著加速度峰值的增大而增大.由于該支座沒(méi)有復(fù)位裝置,支座滑動(dòng)后有殘留位移,為了避免發(fā)生碰撞,在實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況預(yù)留足夠的徑向凈間距.

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

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