滑动支座隔震性能的有限元分析

刘 波,牛忠荣

(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥230009)

0 引 言

支座隔震是一种被动控制技术[1],结构被动控制技术将传统的依靠结构自身强度和刚度来增强结构抗力的设计方法转变为利用控制装置吸收并耗散振动能量,是结构抗震防灾的一种积极有效的设计手段.聚四氟乙烯滑动支座采用的是摩擦滑移隔震,属于摩擦耗能支座.在地震作用下支座装置允许上部结构在摩擦面产生滑动,从而控制下部结构传递到上部结构的最大地震力为支座滑移面的最大摩擦力,并通过摩擦做功消耗大量的地震能量,以此降低结构的地震响应.由于应用前景广泛,国内外学者对隔震支座做了大量的研究工作,文献[2]～[8]对支座的相关性能进行了试验分析和数值分析.本文主要对该支座的抗压性能、抗拔性能、滞回性能及地震位移响应进行了有限元分析,为实际工程提供理论依据.

1 支座的构造和工作原理

本文研究支座由底板、聚四氟乙烯板、圆钢板、支座底板、预埋件挡板以及内外筒构成,见图1.上部结构通过螺栓球与内筒焊接起来,预埋件挡板是用来控制筒体沿径向滑动位移的,起限制位移作用.内筒内表面上粘接一层聚四氟乙烯板然后与支座的圆钢板焊接成一体,然后把底部的圆形聚四氟乙烯板粘接在圆钢板上,聚四氟乙烯板厚为3 mm.在外筒外表面上粘接一层聚四氟乙烯板然后套在内筒外,两筒可以相互转动.以上这几部分组成筒体,放在底部钢板上,筒体下圆形聚四氟乙烯板与底部钢板组成一对滑动摩擦副.当结构受到较小地震作用时,摩擦接触面不发生滑移,由静摩擦阻力阻止上部结构滑动,使建筑物保持稳定;当地震作用超过某一限值时,隔震层所受水平地震作用超过最大静摩擦力,滑动面开始发生滑移,可以显著地发挥摩擦滑移支座的隔震作用.滑动过程中,支座通过这两层聚四氟乙烯之间的摩擦力做功来消耗地震波能量.内外筒之间的两层聚四氟乙烯板对隔震没有影响,根据实际情况采取的构造措施.

图1 座构造图

2 滑动隔震支座有限元分析前处理

2.1 支座材料定义

本支座中所用的钢板均采用Q235钢,弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比 μ=0.3;聚四氟乙烯E=400 MPa,泊松比μ=0.42;两种材料均按弹性材料考虑.

2.2 支座的网格划分

采用ABAQUS通用有限元软件进行支座的有限元分析,考虑到支座分析时涉及到接触分析,网格单元采用六面体线性减缩积分单元C3D8R,这种单元非常适合进行接触分析.支座整体网格划分如图2所示.

图2 支座整体网格划分

2.3 支座接触面定义

接触界面条件主要涉及两部分,其中之一就是法向接触条件,法向接触条件是判定物体是否进入接触以及已经进入接触该遵守的条件,此条件包括运动学条件和动力学条件两个方面.接触运动学方面的条件是指物体A和物体B在接触分析过程中不允许相互贯入,即不可贯入性;接触动力学方面的条件是指在不考虑接触面间的粘附或冷焊的情况下,物体A和物体B之间的法向接触力只有可能是压力.其中之二就是切向接触条件,切向接触条件是判断已进入接触的两个物体的接触面的具体接触状态,以及它们各自应服从的条件.实际上切向接触条件在有限元分析中就是判断相互接触的两个物体之间是否存在摩擦的问题.在做接触分析时,一般都先定义一个分析步或者几个施加很小的荷载,让各个零部件之间的接触关系平稳地建立起来,之后再建立一个或多个分析步把全部荷载施加到求解模型上.一般在定义两个接触面时,网格较粗的面作为主面,网格较细的面作为从面.网格疏密的建立主要看实际的接触模型,考虑接触面上每个接触方向上单元的数量,如果主从表面的网格密度大致相等,那么柔性材料的表面应该作为从面[9].

本支座模型定义中,选取底部钢板上表面为主面,圆形聚四氟乙烯板下表面为从面.接触对为定义为面对面(surface to surface);接触属性采用罚函数摩擦模型(penalty friction),接触面间的摩擦系数值的大小按不同的情况进行考虑,方向性为各向同性[10][11].

图2 和图3是前处理中相关定义示意图.

图3 支座构件接触面定义

3 滑动支座在径向位移激励下滞回性能的有限元分析

支座承受竖向荷载设计值为260 k N,水平位移激励下滞回性能的有限元分析,竖向施加载荷为300 kN,竖向压力转换为均布荷载施加在支座内筒上.对支座中的筒体部分施加径向位移激励 S=Asin(2πft),其中 A为振幅,其中振幅 A=150 mm,周期T=2 s,总时间为12 s.在支座底部对其所有自由度进行约束.图4和图5是相关示意图.

从细观上看,由于不锈钢表面与聚四氟乙烯板表面细微的波形与不平整性,使得两接触面的真实接触面积比表观面积小,摩擦力实际上是挖啃效果和粘性效果共同作用的产物,摩擦学的近期研究表明,粘性影响在摩擦力的产生过程中是起主导性作用的,它与实际接触面积成正比.另外,研究表明摩擦系数与正应力呈反比关系.在不同的压力作用下,摩擦系数会发生变化.

分析时分别取竖向压力P=90 kN,120 kN,150 kN,位移大小相等为150 mm.不同压力时,摩擦系数的选取如表1[4].

表1 竖向荷载与摩擦系数关系

图6 至图8是支座在相同位移激励不同竖向压力下的滞回曲线,该支座的滞回曲线近似于平行四边形.随着竖向压力的增大,支座的滞回耗能能力呈增大趋势.支座承受的竖向压力增大使滑移面摩擦力增大,是导致耗能能力提高的根本原因,可以保证支座在竖向较大压力作用下工作性能良好.

4 地震激励作用下支座位移响应的有限元分析

当发生地震时,在地震激励作用下,筒体部分和预埋挡板在径向方向会发生相对运动,为了避免筒体和挡板在径向方向发生碰撞,他们之间要预留一定的间隙,初步设计值为150 mm.为此,进行地震位移响应的有限元分析,验算间隙为150 mm时,是否能避免发生构件碰撞.

在地震激励作用下的位移响应有限元时,竖向施加P=300 k N的压力,径向方向输入地震激励,且仅考虑单向地震作用.根据工程实际使用情况,分析时采用南北向的天津波,在进行位移响应分析,加速度峰值采用8°区罕遇地震400 cm/s2和7°区罕遇地震220 cm/s2.地震波转化为加速度施加与支座钢板底部.图9和图10给出了支座在天津波作用时,支座构件在径向的相对位移与时间的关系.

从分析结果中可以得到,当加速度峰值为220 cm/s2时构件的相对位移最大值为95.2 mm,当加速度峰值为400 cm/s2时构件的相对位移最大值为111.5 mm.由此可以得出,支座在地震激励作用下,支座径向方向构件的间隙为150 mm时,构件不会发生相互碰撞.

5 结 论

(1)所研究的滑动支座在相同位移激励不同竖向压力作用下,支座的滞回曲线近似平行四边形.竖向压力越大,支座的滞回耗能能力越好.支座承受竖向压力的增大使得滑移面的摩擦力也随之增大,是耗能能力提高的根本原因.

(2)在地震激励作用下,支座在径向方向的相对位移随着加速度峰值的增大而增大.由于该支座没有复位装置,支座滑动后有残留位移,为了避免发生碰撞,在实际使用时要根据实际情况预留足够的径向净间距.

(3)建议使用该支座时,增加复位装置或者一部分支座采用此类滑动支座,一部分支座采用橡胶隔震支座.

[1]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997:5-8.

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[3]CONSTANTINOU M,MOKHA A,REINHORN A M.Teflon Bearing in Base IsolationⅡ:Testing[J].Journal of Structural Engineering,ASCE.1990,116(2):455-474.

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