村镇简易隔震支座数值模拟及施工应用*

张彧 李辉跃 白羽

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

随着科学技术的发展，我国抗震及隔震技术也日益进步，叠层钢板橡胶支座技术是其中较为成熟、应用最为广泛的一种。叠层钢板橡胶隔震支座虽然隔震性能优异，但其受到体积较大[1]、施工需要起吊设备、经济性较差等因素的制约，很难在广大农村地区得到推广。为克服这些困难，KELLY J M等[2]提出了用纤维增强复合材料代替钢板，并进行了相关理论分析。随着这种概念的提出，纤维增强支座的种类越来越丰富，如粘结纤维支座、无粘结纤维支座以及修改支撑几何形状的无黏结纤维支座等[3-5]。TSAI H C 等[6]、ANGELI P等[7]在对纤维增强支座基于不同假设的情况下进行了相关理论分析。王斌等[8]用不饱和聚酯板材代替钢板并进行试验，谭平等[9]用工程塑料板代替钢板，刘晗等[10]用聚碳酸酯代替钢板并进行了各向异性材料的理论分析,但因为替代材料性能的限制，这些支座普遍存在刚度偏小、平整度较差、加工工艺不够成熟等问题。针对这些问题，改变以往叠层钢板橡胶隔震支座的制作工艺，依旧使用钢板作为支座骨架，将支座尺寸调整至更适合农村建筑。最先研制了170 mm×170 mm的支座并对其进行了力学性能试验和振动台试验[11]，为了更加适合农村建筑，之后研制了240 mm×240 mm尺寸的简易隔震支座，并对支座进行了检测。用ABAQUS对该种支座进行模拟分析，并与检测结果进行对比，再将简易隔震支座应用在赤鹫镇项目中，并对该项目结构进行建模分析。

1 简易隔震支座建模

支座总平面尺寸为240 mm×240 mm，其中保护层厚度为5 mm，由于保护层对支座的力学性能影响不大，在建模时忽略支座的保护层，则支座的有效平面尺寸为230 mm×230 mm。其中，钢板层每层厚为3 mm，共11层，总厚度为33 mm；橡胶层每层厚为4.58 mm，共12层，总厚度为55 mm；封板每层厚为16 mm，共32 mm；支座的有效高度为110 mm，总高度为120 mm。上下加载平台以刚体进行模拟，支座模型如图1所示。

图1 支座三维模型

由于支座的橡胶层会出现大变形，非线性较为明显，因此橡胶不再采用杨氏模量和泊松比进行模拟，而是使用应变势能来模拟橡胶的应力应变关系，采用三阶ogden超弹性本构模型进行模拟，钢板弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，橡胶采用C3D8H杂交单元，其他使用C3D8R减缩积分单元。在检测时，橡胶层和钢板层并未分离，所以在模拟时，橡胶层与钢板层使用绑定(Tie)接触；支座在受压时并未与加载平台脱离，支座与加载平台之间出现拉力时，二者自动分开，因此支座与加载平台之间采用切向罚接触，竖向硬(Hard)接触的方式。

1.1 支座竖向压缩模拟

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(以下简称《抗规》)，外径小于300 mm的橡胶支座，丙类建筑的压应力限制为10 MPa，当支座的第二形状系数S2<5时应降低压应力限值，在4～5时降低20%。该支座S2=4.44，因此压应力限值降为8 MPa，在做竖向压缩模拟时，将竖向压应力设置为8 MPa。支座的水平向正应力S11和竖向正应力S33如图2所示。

(a)S11应力

可以看出，在8 MPa竖向面压情况下，支座的水平向拉应力S11最大为20.09 MPa，出现在第11层钢板中心，钢板层主要承受拉力，并且拉力主要集中在中心处，沿板长方向朝四周逐渐递减；支座竖向压应力最大为16.03 MPa，也出现在第11层钢板的中心处，并且压应力也是朝四周递减。第11层钢板S11和S33应力分布如图3所示。

(a)S11应力

模拟结果显示，在8 MPa竖向面压下，支座的最大竖向变形为0.31 mm，支座承受的压力为423.2 kN,支座的竖向刚度为1 365.16 kN/mm；而检测结果显示，在8 MPa竖向面压下，支座的竖向刚度为1 500 kN/mm。模拟值与试验值相差8.89%，误差原因可能是支座的保护层在一定程度上给支座提供了横向约束，减小了支座的竖向变形。

1.2 支座剪压模拟

在对支座进行剪压模拟时，探索了以下几种工况：在8 MPa竖向面压下，支座的剪应变分别采用100%、200%、250%。

1.2.1100%剪应变剪压模拟

在100%剪应变情况下，支座整体形态较好，没有发生较大变形，与加载平台之间并未出现脱离现象，支座也并未出现翘曲。支座此时的水平向拉力S11最大值为128.5 MPa，是轴压模拟情况下的6.15倍。此时支座的最大拉应力主要出现在支座的左上角和右下角位置，大部分钢板层分布在16.82～35.43 MPa的拉应力中，而橡胶层基本分布在1.78～20.39 MPa的压应力中。支座的竖向压应力S33最大值为19.44 MPa，与轴压模拟时相差不大，此时支座的整体应力分布与轴压模拟时也相差不大，依旧是支座中心处压应力最大。但在100%剪应变情况下，支座竖向出现拉应力，最大值为2.05 MPa，主要出现在支座的上下封板处，且呈对角线分布。100%剪应变情况下支座的S11和S33应力分布如图4所示。

(a)S11应力

1.2.2200%剪应变剪压模拟

在200%剪应变情况下，支座开始发生翘曲，支座的左下角和右上角与加载平台分离，支座的受压区变小，支座水平应力S11最大值为218.2 MPa,支座的应力集中区域变大，并有连成一个区域的趋势，而水平拉应力和压应力出现在封板的两侧。在上封板中，与加载平台接触一侧的最大拉应力为210.5 MPa，远离加载平台一侧的最大压应力为225.1 MPa，与100%剪应变情况相比，上封板的受拉区逐步左移，且最大拉应力为42.67 MPa。之所以导致受拉集中区左移，是因为支座整体发生翘曲，右侧封板与加载平台分开，承压区集中在左侧，剪应变为200%时，封板受压集中区左移较少，拉应力基本集中在翘曲点处。

支座的竖向应力分布也称对角分布，因为支座发生翘曲，翘曲部位无法再承担竖向压力，所以受压区集中在支座中部，压应力最大值为43.66 MPa，出现在封板的受压区边缘处，封板的翘曲部分则受拉，拉应力为3.1 MPa，而支座竖向最大拉力为9.28 MPa，出现在钢板层的第10层。200%剪应变下支座的水平应力和竖向应力分布如图5所示。

(a)S11应力

1.2.3250%剪应变剪压模拟

在250%剪应变情况下，支座的翘曲现象变得异常明显，橡胶层与封板接触的受压区出现不规则变形，出现这种现象的原因可能是随着支座的翘曲加剧，支座承受竖向压力的区域进一步缩减，受压区橡胶的竖向压应力急剧增大。模拟结果显示，橡胶层最大压应力出现在第1层和第12层橡胶处，竖向压应力分别为11.25、11.23 MPa，因为橡胶层在此处变形较大，钢板层为了约束橡胶横向变形，也承受了较大的水平拉力，支座的水平最大拉应力为269 MPa,出现在第11层钢板上，其约束了第12层橡胶的横向变形；其次，第1层钢板最大水平拉力为268.9 MPa，其约束了第1层橡胶的横向变形。钢板层水平拉力大不仅是因为需要约束橡胶的横向变形，而且还由于支座的翘曲导致钢板层整体发生较大变形变成S形，因受弯导致受拉边应力较大。支座钢板层变形如图6所示。

图6 250%剪应变下钢板层拉应力分布

在支座的水平刚度模拟中，在100%剪应变情况下，支座的水平作用力为69.86 kN，水平刚度为1.27 kN/mm,与检测结果1.15 kN/mm相差10.43%；在200%剪应变情况下，支座的水平作用力为156.22 kN,水平刚度为1.42 kN/mm，与检测结果1.15kN/mm相差23.48%；在250%剪应变情况下，支座的水平作用力为156.78 kN/mm,水平刚度为1.14 kN/mm，与检测结果1.20 kN/mm相差5.00%。在检测结果中，随着剪应变的增加，支座并未发生刚度退化，模拟结果也未体现明显的刚度退化现象，只是剪应变由200%至250%时，刚度降低了24.56%。而170 mm×170 mm支座的试验水平刚度与模拟水平刚度都发生了明显的退化，两种支座的模拟刚度和试验结果如图7所示。

图7 8 MPa下不同剪应变支座的水平刚度

2 工程案例

2.1 工程简介

本工程位于昆明市富民县赤鹫镇，设防烈度为7度，基本加速度峰值为0.15g，地震分组为第三组，Ⅱ类场地，特征周期为0.45 s。楼层为3层，主体高度为9 m，宽度为7.5 m，长度为10.5 m，高宽比为1.2，共12栋建筑。隔震支座的布置如图8所示，其中2号、5号、8号支座处布置2个支座。

图8 结构支座布置

通过计算，4号、7号、11号3个支座的压应力分别为8.69、8.26、8.14 MPa，其余支座的竖向压应力都小于8 MPa，水平向减震系数β为0.582，大于0.4，所以结构依旧按照当地抗震设防设计，可计算隔震后水平地震影响系数最大值αmax1，结果为0.082。

式中，β为水平向减震系数；αmax为非隔震水平地震影响系数最大值，取0.12；Ψ为调整系数，取0.85。

支座在罕遇地震作用下的位移最大值为82.54 mm，在4号和7号支座的y向；x向最大位移为82.53 mm，出现在1号支座上。支座的最大位移如图9所示。根据《抗规》，隔震支座的水平位移小于支座有效直径的0.55倍和橡胶层总厚度3倍的较小值，简易隔震支座符合要求。

图9 支座在罕遇地震下的最大位移

2.2 隔震层施工

简易隔震支座相较于普通橡胶隔震支座，在施工便利性方面得到了很大提升，支座不再需要吊装设备，施工精度要求也有所降低，无需再为支座建立支墩。

施工时，先挖地圈梁槽，槽挖好后绑扎圈梁钢筋，再将支座钢筋固定在圈梁钢筋上，如图10所示，最后支圈梁模，浇筑混凝土。

图10 简易隔震支座施工

在下圈梁施工完毕后，在圈梁上砌一层烧结砖，烧结砖与隔震支座留有空隙，防止支座在地震作用中移动受限。在空隙中填充泡沫，既能保证支座在地震作用中有足够的位移空间，也能避免一些小动物钻进空隙中对支座进行破坏。烧结砖施工如图11所示。

图11 烧结砖施工

上述施工完成后，将圈梁内部的杂土挖去，再回填土、砂，直至与烧结砖持平，再将彩布条铺在砂垫层上。砂垫层施工如图12所示。隔震层施工完毕后，在其上浇筑上圈梁，修建上部主体结构。简易隔震支座隔震层施工相比传统隔震支座隔震层施工更方便，对施工人员的专业素养要求较低，适合在农村地区推广。

图12 砂垫层施工

3 结论

通过使用ABAQUS对支座进行建模模拟并将支座运用到实际工程项目中，得到以下结论：

(1) 简易隔震支座有足够的承载力，在竖向面压8 MPa下，竖向刚度为1 365.16 kN/mm,在剪应变逐渐增加至200%的情况下，支座的水平刚度也未发生退化。在250%剪应变时，支座刚度退化较大，但实际项目中允许的支座最大剪应变为150%。

(2) 经过计算，简易隔震支座能满足现行的抗震规范要求，结构采用支座后隔震效果明显。

(3) 简易隔震支座大大降低了传统隔震支座的施工难度，对工人的要求更低，有利于支座在农村地区推广。