村鎮(zhèn)簡易隔震支座數(shù)值模擬及施工應(yīng)用*

張彧 李輝躍 白羽

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國抗震及隔震技術(shù)也日益進(jìn)步，疊層鋼板橡膠支座技術(shù)是其中較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種。疊層鋼板橡膠隔震支座雖然隔震性能優(yōu)異，但其受到體積較大[1]、施工需要起吊設(shè)備、經(jīng)濟(jì)性較差等因素的制約，很難在廣大農(nóng)村地區(qū)得到推廣。為克服這些困難，KELLY J M等[2]提出了用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替鋼板，并進(jìn)行了相關(guān)理論分析。隨著這種概念的提出，纖維增強(qiáng)支座的種類越來越豐富，如粘結(jié)纖維支座、無粘結(jié)纖維支座以及修改支撐幾何形狀的無黏結(jié)纖維支座等[3-5]。TSAI H C 等[6]、ANGELI P等[7]在對(duì)纖維增強(qiáng)支座基于不同假設(shè)的情況下進(jìn)行了相關(guān)理論分析。王斌等[8]用不飽和聚酯板材代替鋼板并進(jìn)行試驗(yàn)，譚平等[9]用工程塑料板代替鋼板，劉晗等[10]用聚碳酸酯代替鋼板并進(jìn)行了各向異性材料的理論分析,但因?yàn)樘娲牧闲阅艿南拗?，這些支座普遍存在剛度偏小、平整度較差、加工工藝不夠成熟等問題。針對(duì)這些問題，改變以往疊層鋼板橡膠隔震支座的制作工藝，依舊使用鋼板作為支座骨架，將支座尺寸調(diào)整至更適合農(nóng)村建筑。最先研制了170 mm×170 mm的支座并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[11]，為了更加適合農(nóng)村建筑，之后研制了240 mm×240 mm尺寸的簡易隔震支座，并對(duì)支座進(jìn)行了檢測(cè)。用ABAQUS對(duì)該種支座進(jìn)行模擬分析，并與檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，再將簡易隔震支座應(yīng)用在赤鷲鎮(zhèn)項(xiàng)目中，并對(duì)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。

1 簡易隔震支座建模

支座總平面尺寸為240 mm×240 mm，其中保護(hù)層厚度為5 mm，由于保護(hù)層對(duì)支座的力學(xué)性能影響不大，在建模時(shí)忽略支座的保護(hù)層，則支座的有效平面尺寸為230 mm×230 mm。其中，鋼板層每層厚為3 mm，共11層，總厚度為33 mm；橡膠層每層厚為4.58 mm，共12層，總厚度為55 mm；封板每層厚為16 mm，共32 mm；支座的有效高度為110 mm，總高度為120 mm。上下加載平臺(tái)以剛體進(jìn)行模擬，支座模型如圖1所示。

圖1 支座三維模型

由于支座的橡膠層會(huì)出現(xiàn)大變形，非線性較為明顯，因此橡膠不再采用楊氏模量和泊松比進(jìn)行模擬，而是使用應(yīng)變勢(shì)能來模擬橡膠的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用三階ogden超彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，鋼板彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，橡膠采用C3D8H雜交單元，其他使用C3D8R減縮積分單元。在檢測(cè)時(shí)，橡膠層和鋼板層并未分離，所以在模擬時(shí)，橡膠層與鋼板層使用綁定(Tie)接觸；支座在受壓時(shí)并未與加載平臺(tái)脫離，支座與加載平臺(tái)之間出現(xiàn)拉力時(shí)，二者自動(dòng)分開，因此支座與加載平臺(tái)之間采用切向罰接觸，豎向硬(Hard)接觸的方式。

1.1 支座豎向壓縮模擬

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(以下簡稱《抗規(guī)》)，外徑小于300 mm的橡膠支座，丙類建筑的壓應(yīng)力限制為10 MPa，當(dāng)支座的第二形狀系數(shù)S2<5時(shí)應(yīng)降低壓應(yīng)力限值，在4～5時(shí)降低20%。該支座S2=4.44，因此壓應(yīng)力限值降為8 MPa，在做豎向壓縮模擬時(shí)，將豎向壓應(yīng)力設(shè)置為8 MPa。支座的水平向正應(yīng)力S11和豎向正應(yīng)力S33如圖2所示。

(a)S11應(yīng)力

可以看出，在8 MPa豎向面壓情況下，支座的水平向拉應(yīng)力S11最大為20.09 MPa，出現(xiàn)在第11層鋼板中心，鋼板層主要承受拉力，并且拉力主要集中在中心處，沿板長方向朝四周逐漸遞減；支座豎向壓應(yīng)力最大為16.03 MPa，也出現(xiàn)在第11層鋼板的中心處，并且壓應(yīng)力也是朝四周遞減。第11層鋼板S11和S33應(yīng)力分布如圖3所示。

(a)S11應(yīng)力

模擬結(jié)果顯示，在8 MPa豎向面壓下，支座的最大豎向變形為0.31 mm，支座承受的壓力為423.2 kN,支座的豎向剛度為1 365.16 kN/mm；而檢測(cè)結(jié)果顯示，在8 MPa豎向面壓下，支座的豎向剛度為1 500 kN/mm。模擬值與試驗(yàn)值相差8.89%，誤差原因可能是支座的保護(hù)層在一定程度上給支座提供了橫向約束，減小了支座的豎向變形。

1.2 支座剪壓模擬

在對(duì)支座進(jìn)行剪壓模擬時(shí)，探索了以下幾種工況：在8 MPa豎向面壓下，支座的剪應(yīng)變分別采用100%、200%、250%。

1.2.1100%剪應(yīng)變剪壓模擬

在100%剪應(yīng)變情況下，支座整體形態(tài)較好，沒有發(fā)生較大變形，與加載平臺(tái)之間并未出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，支座也并未出現(xiàn)翹曲。支座此時(shí)的水平向拉力S11最大值為128.5 MPa，是軸壓模擬情況下的6.15倍。此時(shí)支座的最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在支座的左上角和右下角位置，大部分鋼板層分布在16.82～35.43 MPa的拉應(yīng)力中，而橡膠層基本分布在1.78～20.39 MPa的壓應(yīng)力中。支座的豎向壓應(yīng)力S33最大值為19.44 MPa，與軸壓模擬時(shí)相差不大，此時(shí)支座的整體應(yīng)力分布與軸壓模擬時(shí)也相差不大，依舊是支座中心處壓應(yīng)力最大。但在100%剪應(yīng)變情況下，支座豎向出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為2.05 MPa，主要出現(xiàn)在支座的上下封板處，且呈對(duì)角線分布。100%剪應(yīng)變情況下支座的S11和S33應(yīng)力分布如圖4所示。

(a)S11應(yīng)力

1.2.2200%剪應(yīng)變剪壓模擬

在200%剪應(yīng)變情況下，支座開始發(fā)生翹曲，支座的左下角和右上角與加載平臺(tái)分離，支座的受壓區(qū)變小，支座水平應(yīng)力S11最大值為218.2 MPa,支座的應(yīng)力集中區(qū)域變大，并有連成一個(gè)區(qū)域的趨勢(shì)，而水平拉應(yīng)力和壓應(yīng)力出現(xiàn)在封板的兩側(cè)。在上封板中，與加載平臺(tái)接觸一側(cè)的最大拉應(yīng)力為210.5 MPa，遠(yuǎn)離加載平臺(tái)一側(cè)的最大壓應(yīng)力為225.1 MPa，與100%剪應(yīng)變情況相比，上封板的受拉區(qū)逐步左移，且最大拉應(yīng)力為42.67 MPa。之所以導(dǎo)致受拉集中區(qū)左移，是因?yàn)橹ёw發(fā)生翹曲，右側(cè)封板與加載平臺(tái)分開，承壓區(qū)集中在左側(cè)，剪應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)，封板受壓集中區(qū)左移較少，拉應(yīng)力基本集中在翹曲點(diǎn)處。

支座的豎向應(yīng)力分布也稱對(duì)角分布，因?yàn)橹ёl(fā)生翹曲，翹曲部位無法再承擔(dān)豎向壓力，所以受壓區(qū)集中在支座中部，壓應(yīng)力最大值為43.66 MPa，出現(xiàn)在封板的受壓區(qū)邊緣處，封板的翹曲部分則受拉，拉應(yīng)力為3.1 MPa，而支座豎向最大拉力為9.28 MPa，出現(xiàn)在鋼板層的第10層。200%剪應(yīng)變下支座的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分布如圖5所示。

(a)S11應(yīng)力

1.2.3250%剪應(yīng)變剪壓模擬

在250%剪應(yīng)變情況下，支座的翹曲現(xiàn)象變得異常明顯，橡膠層與封板接觸的受壓區(qū)出現(xiàn)不規(guī)則變形，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是隨著支座的翹曲加劇，支座承受豎向壓力的區(qū)域進(jìn)一步縮減，受壓區(qū)橡膠的豎向壓應(yīng)力急劇增大。模擬結(jié)果顯示，橡膠層最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在第1層和第12層橡膠處，豎向壓應(yīng)力分別為11.25、11.23 MPa，因?yàn)橄鹉z層在此處變形較大，鋼板層為了約束橡膠橫向變形，也承受了較大的水平拉力，支座的水平最大拉應(yīng)力為269 MPa,出現(xiàn)在第11層鋼板上，其約束了第12層橡膠的橫向變形；其次，第1層鋼板最大水平拉力為268.9 MPa，其約束了第1層橡膠的橫向變形。鋼板層水平拉力大不僅是因?yàn)樾枰s束橡膠的橫向變形，而且還由于支座的翹曲導(dǎo)致鋼板層整體發(fā)生較大變形變成S形，因受彎導(dǎo)致受拉邊應(yīng)力較大。支座鋼板層變形如圖6所示。

圖6 250%剪應(yīng)變下鋼板層拉應(yīng)力分布

在支座的水平剛度模擬中，在100%剪應(yīng)變情況下，支座的水平作用力為69.86 kN，水平剛度為1.27 kN/mm,與檢測(cè)結(jié)果1.15 kN/mm相差10.43%；在200%剪應(yīng)變情況下，支座的水平作用力為156.22 kN,水平剛度為1.42 kN/mm，與檢測(cè)結(jié)果1.15kN/mm相差23.48%；在250%剪應(yīng)變情況下，支座的水平作用力為156.78 kN/mm,水平剛度為1.14 kN/mm，與檢測(cè)結(jié)果1.20 kN/mm相差5.00%。在檢測(cè)結(jié)果中，隨著剪應(yīng)變的增加，支座并未發(fā)生剛度退化，模擬結(jié)果也未體現(xiàn)明顯的剛度退化現(xiàn)象，只是剪應(yīng)變由200%至250%時(shí)，剛度降低了24.56%。而170 mm×170 mm支座的試驗(yàn)水平剛度與模擬水平剛度都發(fā)生了明顯的退化，兩種支座的模擬剛度和試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 8 MPa下不同剪應(yīng)變支座的水平剛度

2 工程案例

2.1 工程簡介

本工程位于昆明市富民縣赤鷲鎮(zhèn)，設(shè)防烈度為7度，基本加速度峰值為0.15g，地震分組為第三組，Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期為0.45 s。樓層為3層，主體高度為9 m，寬度為7.5 m，長度為10.5 m，高寬比為1.2，共12棟建筑。隔震支座的布置如圖8所示，其中2號(hào)、5號(hào)、8號(hào)支座處布置2個(gè)支座。

圖8 結(jié)構(gòu)支座布置

通過計(jì)算，4號(hào)、7號(hào)、11號(hào)3個(gè)支座的壓應(yīng)力分別為8.69、8.26、8.14 MPa，其余支座的豎向壓應(yīng)力都小于8 MPa，水平向減震系數(shù)β為0.582，大于0.4，所以結(jié)構(gòu)依舊按照當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防設(shè)計(jì)，可計(jì)算隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1，結(jié)果為0.082。

式中，β為水平向減震系數(shù)；αmax為非隔震水平地震影響系數(shù)最大值，取0.12；Ψ為調(diào)整系數(shù)，取0.85。

支座在罕遇地震作用下的位移最大值為82.54 mm，在4號(hào)和7號(hào)支座的y向；x向最大位移為82.53 mm，出現(xiàn)在1號(hào)支座上。支座的最大位移如圖9所示。根據(jù)《抗規(guī)》，隔震支座的水平位移小于支座有效直徑的0.55倍和橡膠層總厚度3倍的較小值，簡易隔震支座符合要求。

圖9 支座在罕遇地震下的最大位移

2.2 隔震層施工

簡易隔震支座相較于普通橡膠隔震支座，在施工便利性方面得到了很大提升，支座不再需要吊裝設(shè)備，施工精度要求也有所降低，無需再為支座建立支墩。

施工時(shí)，先挖地圈梁槽，槽挖好后綁扎圈梁鋼筋，再將支座鋼筋固定在圈梁鋼筋上，如圖10所示，最后支圈梁模，澆筑混凝土。

圖10 簡易隔震支座施工

在下圈梁施工完畢后，在圈梁上砌一層燒結(jié)磚，燒結(jié)磚與隔震支座留有空隙，防止支座在地震作用中移動(dòng)受限。在空隙中填充泡沫，既能保證支座在地震作用中有足夠的位移空間，也能避免一些小動(dòng)物鉆進(jìn)空隙中對(duì)支座進(jìn)行破壞。燒結(jié)磚施工如圖11所示。

圖11 燒結(jié)磚施工

上述施工完成后，將圈梁內(nèi)部的雜土挖去，再回填土、砂，直至與燒結(jié)磚持平，再將彩布條鋪在砂墊層上。砂墊層施工如圖12所示。隔震層施工完畢后，在其上澆筑上圈梁，修建上部主體結(jié)構(gòu)。簡易隔震支座隔震層施工相比傳統(tǒng)隔震支座隔震層施工更方便，對(duì)施工人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較低，適合在農(nóng)村地區(qū)推廣。

圖12 砂墊層施工

3 結(jié)論

通過使用ABAQUS對(duì)支座進(jìn)行建模模擬并將支座運(yùn)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，得到以下結(jié)論：

(1) 簡易隔震支座有足夠的承載力，在豎向面壓8 MPa下，豎向剛度為1 365.16 kN/mm,在剪應(yīng)變逐漸增加至200%的情況下，支座的水平剛度也未發(fā)生退化。在250%剪應(yīng)變時(shí)，支座剛度退化較大，但實(shí)際項(xiàng)目中允許的支座最大剪應(yīng)變?yōu)?50%。

(2) 經(jīng)過計(jì)算，簡易隔震支座能滿足現(xiàn)行的抗震規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)采用支座后隔震效果明顯。

(3) 簡易隔震支座大大降低了傳統(tǒng)隔震支座的施工難度，對(duì)工人的要求更低，有利于支座在農(nóng)村地區(qū)推廣。