FPB 的模塊化設(shè)計(jì)

胡宇新 夏俊勇 冷新云

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)及FPB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)簡(jiǎn)介

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是目前工程中應(yīng)用最多的一種地震反應(yīng)控制技術(shù)，它是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。目前采用的隔震技術(shù)多指基底隔震［1］，如圖1所示?；赘粽鹜ㄟ^(guò)設(shè)置于建筑物底部與基礎(chǔ)頂面之間的隔震消能裝置，吸收并耗散地震能量。這些隔震消能裝置是一種側(cè)向剛度很小的振動(dòng)控制裝置，它可以延長(zhǎng)整個(gè)建筑物的振動(dòng)周期，使地震所引起的建筑物變形集中到隔震裝置上，隔斷大部分地震能量的上傳，這在很大程度上減少了地震時(shí)上部結(jié)構(gòu)的加速度和層間位移，從而大大減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。大量研究結(jié)果表明，采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)的變形類(lèi)似于剛體的平動(dòng)，地震反應(yīng)沒(méi)有放大現(xiàn)象。

圖1 基底隔震系統(tǒng)示意圖

1.2 FPB 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

FPB(摩擦擺支座)是隔震消能裝置的一種，而雙球面FPB是一種最常見(jiàn)的FPB結(jié)構(gòu)形式，其主要由一個(gè)具有滑動(dòng)凹球面的上支座板、一個(gè)具有雙凸球面的中間襯板和一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)凹球面的下支座板組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。FPB上支座板主要是提供中間襯板的滑動(dòng)基礎(chǔ);中間襯板上凸球面與上支座板滑動(dòng)面具有相同的曲率半徑，可與滑動(dòng)面完全貼合，并使上支座板在支座滑動(dòng)時(shí)始終保持水平;帶有轉(zhuǎn)動(dòng)凹球面的下支座板能適應(yīng)中間襯板的轉(zhuǎn)動(dòng)，而球面轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)以及滑動(dòng)摩擦副的滑動(dòng)能為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移位移的能力。FPB通過(guò)在球面上滑動(dòng)產(chǎn)生水平剛度K，通過(guò)滑動(dòng)耐磨板的摩擦產(chǎn)生阻尼C［2，3］。由于具有對(duì)地震激勵(lì)頻率范圍的低敏感性和高穩(wěn)定性、較強(qiáng)的自限位、復(fù)位能力以及優(yōu)良的隔震和消能機(jī)制等綜合性能，近年來(lái)FPB逐漸成為一種頗具發(fā)展前景的隔震支座，已大量應(yīng)用于高地震區(qū)公路、鐵路、市政工程橋梁。

2 FPB的模塊化設(shè)計(jì)

1)模塊化設(shè)計(jì)的概念。模塊化設(shè)計(jì)［6］是對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同顧客定制的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足市場(chǎng)不同需求的一種設(shè)計(jì)方式。

圖2 雙球面FPB結(jié)構(gòu)示意圖

2)FPB的模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。FPB根據(jù)功能不同可分為固定型、多向型和單向型等幾種支座形式。多向型FPB在平時(shí)起活動(dòng)型球型支座的作用，具有為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動(dòng)和各向滑動(dòng)位移的能力。在地震發(fā)生時(shí)，多向型FPB利用整體摩擦單擺的設(shè)計(jì)擺動(dòng)周期來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期，減少地震引起的動(dòng)力放大效應(yīng)，從而達(dá)到有效削減地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的水平剪力及能量輸入的目的。固定型FPB在平時(shí)具有固定型球型支座的功能，限制支座上下座板之間的相對(duì)滑動(dòng)，支座只具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能，沒(méi)有滑動(dòng)位移功能。單向型FPB支座平時(shí)具有單向型球型支座的功能，即具有轉(zhuǎn)動(dòng)和單一方向的滑動(dòng)位移功能。在地震發(fā)生時(shí)，要求固定型FPB和單向型FPB中間襯板能在上支座板滑動(dòng)球面上自由滑動(dòng)，其功能恢復(fù)至與多向型FPB一致［7，8］，從而達(dá)到有效削減地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的水平剪力及能量輸入的目的。因此對(duì)于摩擦擺結(jié)構(gòu)部分，由于功能的同一性，固定型FPB和單向型FPB都可以通用多向型FPB的模塊，并通過(guò)增加相應(yīng)功能的限位模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)平時(shí)工作狀態(tài)下的固定和單向活動(dòng)功能，由于FPB結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，完全符合模塊化設(shè)計(jì)理念，可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

3)FPB模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上分析以及結(jié)合支座功能，F(xiàn)PB整體結(jié)構(gòu)可以劃分為滑動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、錨碇模塊、導(dǎo)向模塊、限位模塊等?；瑒?dòng)模塊包括上支座板與中間襯板以及它們之間的高摩擦系數(shù)摩擦副，主要是為上部結(jié)構(gòu)提供滑動(dòng)位移能力，同時(shí)還可以通過(guò)高摩擦系數(shù)摩擦副之間的摩擦耗散地震能量;轉(zhuǎn)動(dòng)模塊包括中間襯板與下支座板以及它們之間的低摩擦系數(shù)摩擦副，主要是為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動(dòng)能力;錨碇模塊包括錨碇鋼棒和錨固螺栓，主要提供支座與上下部結(jié)構(gòu)的聯(lián)接能力;導(dǎo)向模塊主要包括導(dǎo)向滑塊與導(dǎo)軌，主要提供單向型FPB平時(shí)的單向滑移位移能力;限位模塊包括限位環(huán)(塊)和剪力銷(xiāo)釘，主要提供固定型FPB和單向型FPB在正常工作狀態(tài)下限制支座滑移的能力。

多向型FPB結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由滑動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、錨碇模塊組成。平時(shí)工作狀態(tài)下多向型FPB通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)以及滑動(dòng)模塊的滑動(dòng)為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移位移的能力;在地震發(fā)生時(shí)，支座中間襯板在地震水平剪力作用下在上支座板凹球面上大幅滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隔震消能功能。

圖3 多向型FPB

固定型FPB結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由滑動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、錨碇模塊、限位模塊組成。平常工作狀態(tài)下固定型FPB起著固定型球型支座的功能，在地震發(fā)生時(shí)要求固定型FPB具有多向型FPB的功能，因此固定型FPB滑動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊以及錨碇模塊都可以采用與多向型FPB完全相同的結(jié)構(gòu)模塊，在此基礎(chǔ)上增加限位模塊在平時(shí)完全限制上、下支座板之間的滑動(dòng)。如圖4所示固定型FPB限位模塊由剪力銷(xiāo)釘和限位環(huán)組成。在平常工作狀態(tài)時(shí)，由于球面轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)和限位模塊的作用，固定型FPB只能為上部結(jié)構(gòu)提供承載和轉(zhuǎn)動(dòng)功能，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的水平剪力大于剪力銷(xiāo)釘提供的剪力時(shí)，剪力銷(xiāo)釘被剪斷，限位模塊失效，固定型FPB支座中間襯板可以在上支座板凹滑動(dòng)球面上自由滑動(dòng)，其功能恢復(fù)至與多向型FPB一致。

圖4 固定型FPB

單向型FPB結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由滑動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、錨碇模塊、導(dǎo)向模塊、限位模塊組成。平常工作狀態(tài)下單向型FPB起著單向型球型支座的功能，在地震發(fā)生時(shí)要求單向型FPB具有多向型FPB的功能，因此單向型FPB滑動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊以及錨碇模塊都可以采用與多向型FPB完全相同的結(jié)構(gòu)模塊，在此基礎(chǔ)上增加導(dǎo)向模塊和限位模塊在平時(shí)限制上、下支座板之間只能單向滑動(dòng)。如圖5所示單向型FPB導(dǎo)向模塊由限位塊和導(dǎo)向塊組成;限位模塊由剪力銷(xiāo)釘、限位塊組成。在平常工作狀態(tài)時(shí)，由于球面轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦副的轉(zhuǎn)動(dòng)和導(dǎo)向模塊、限位模塊的作用，單向型FPB只能為上部結(jié)構(gòu)提供承載、轉(zhuǎn)動(dòng)和單向滑移功能，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的水平剪力大于剪力銷(xiāo)釘提供的剪力時(shí)，剪力銷(xiāo)釘被剪斷，限位模塊失效，單向型FPB支座中間襯板可以在上支座板凹滑動(dòng)球面上任意方向自由滑動(dòng)。

從以上分析可知在進(jìn)行FPB產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以很好的利用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟一般如下:1)根據(jù)產(chǎn)品的功能，科學(xué)合理地劃分標(biāo)準(zhǔn)模塊，建立完善的各方向形式FPB模塊組合表(見(jiàn)表1);2)建立完善的各標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)，此項(xiàng)工作可以通過(guò)以往類(lèi)似產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作不斷積累和完善;3)根據(jù)產(chǎn)品形式按表1進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模塊組合選擇;4)從各標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)中選擇已有的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)模塊。以我公司自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)并應(yīng)用于某項(xiàng)目5 500 t FPB為例，當(dāng)時(shí)沒(méi)有采用模塊化設(shè)計(jì)使得多向型、固定型和單向型FPB除錨碇組件、中間襯板與摩擦副中的部分可以通用外其余零部件并不通用，如果采用模塊化設(shè)計(jì)，雖然在某個(gè)具體的支座型號(hào)上增加了零件的種數(shù)，但卻大大提高了通用零件種數(shù)，減少了三種方向形式支座所用零件種類(lèi)的總和數(shù)。模塊化設(shè)計(jì)前后零件種數(shù)對(duì)比情況如表2所示。

圖5 單向活動(dòng)型FPB

表1 各方向形式FPB模塊組成

表2 FPB模塊化設(shè)計(jì)前后零件種數(shù)對(duì)比

3 FPB模塊化設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品制造和生產(chǎn)組織的影響

模塊化設(shè)計(jì)不僅有利于FPB產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)給FPB產(chǎn)品的制造和生產(chǎn)組織也帶來(lái)很多效益，概況如下:1)可以更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)對(duì)多向型FPB的大量研究，其理論計(jì)算已經(jīng)完善，同時(shí)產(chǎn)品各項(xiàng)性能也完全通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。FPB的模塊化設(shè)計(jì)是以多向型FPB結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，固定型和單向型FPB結(jié)構(gòu)在多向型FPB結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了限位模塊和導(dǎo)向模塊，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)我們可以省去固定型和單向型FPB設(shè)計(jì)的很多步驟和驗(yàn)證過(guò)程，同時(shí)又可以確保產(chǎn)品性能滿(mǎn)足要求。模塊功能的獨(dú)立性和接口的一致性，使模塊研究更加專(zhuān)業(yè)和深入，可以不斷通過(guò)升級(jí)自身性能來(lái)提高FPB產(chǎn)品的整體性能和可靠性。2)可以提高生產(chǎn)效率和有效降低產(chǎn)品制造成本，降低新產(chǎn)品制造的難度和風(fēng)險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)模塊和大量通用零部件的采用可以降低設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)組織難度;采用成熟的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)模塊和通用零部件可以提高產(chǎn)品零部件采購(gòu)和制造批量以及降低采購(gòu)和制造種類(lèi)，從而降低采購(gòu)和制造成本;同時(shí)由于在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造時(shí)也大量采用了成熟的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)模塊和通用零部件，降低了新產(chǎn)品制造工藝難度，降低了制造過(guò)程中工裝模具的投入，降低了新產(chǎn)品試制難度，減少了新產(chǎn)品的試制、制造對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，從而降低了新產(chǎn)品制造的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

FPB根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以很好的利用標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，F(xiàn)PB模塊化設(shè)計(jì)可以大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短FPB產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、試制時(shí)間，同時(shí)FPB模塊化設(shè)計(jì)大量采用標(biāo)準(zhǔn)模塊和通用零部件，可以大大提高FPB產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，可以有效降低產(chǎn)品制造成本和新產(chǎn)品制造的難度和風(fēng)險(xiǎn)，從而提高FPB產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于FPB產(chǎn)品更好地推廣應(yīng)用。

［1］攸青言.摩擦擺基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響因素分析［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2010.

［2］黨 育，杜永峰，李 慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2007.

［3］Zayas V，Low S S，Mahin S A.A simple pendulum technique for achieving seismic isolation［J］.Earthquake Spectra，1990(6):317-333.

［4］新建鐵路云桂線(xiàn)、長(zhǎng)昆線(xiàn)TJGZ-FPB摩擦擺式支座審查文件［R］.北京:中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2010.

［5］龔 健，周 云.摩擦擺隔震技術(shù)研究和應(yīng)用的回顧與前瞻Ⅰ——摩擦擺隔震支座的類(lèi)型與性能［J］.工程抗震與加固改造，2010，32(3):7-8.

［6］凱利斯·鮑德溫，金·克拉克.設(shè)計(jì)規(guī)則:模塊化的力量［M］.北京:中信出版社，2006.

［7］EN 15129:Anti-seismic devices［Z］.2009.

［8］GB/T 17955-2009，橋梁球型支座［S］.