胡宇新 夏俊勇 冷新云

(株洲時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)簡介

1.1 基礎(chǔ)隔震技術(shù)簡介

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^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)向剛度很小的振動控制裝置，它可以延長整個建筑物的振動周期，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)的變形類似于剛體的平動，地震反應(yīng)沒有放大現(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是一種最常見的FPB結(jié)構(gòu)形式，其主要由一個具有滑動凹球面的上支座板、一個具有雙凸球面的中間襯板和一個具有轉(zhuǎn)動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基礎(chǔ);中間襯板上凸球面與上支座板滑動面具有相同的曲率半徑，可與滑動面完全貼合，并使上支座板在支座滑動時始終保持水平;帶有轉(zhuǎn)動凹球面的下支座板能適應(yīng)中間襯板的轉(zhuǎn)動，而球面轉(zhuǎn)動摩擦副的轉(zhuǎn)動以及滑動摩擦副的滑動能為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動和滑移位移的能力。FPB通過在球面上滑動產(chǎn)生水平剛度K，通過滑動耐磨板的摩擦產(chǎn)生阻尼C［2，3］。由于具有對地震激勵頻率范圍的低敏感性和高穩(wěn)定性、較強的自限位、復(fù)位能力以及優(yōu)良的隔震和消能機制等綜合性能，近年來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

1)模塊化設(shè)計的概念。模塊化設(shè)計［6］是對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同顧客定制的產(chǎn)品，以滿足市場不同需求的一種設(shè)計方式。

圖2 雙球面FPB結(jié)構(gòu)示意圖

2)FPB的模塊化設(shè)計基礎(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在平時起活動型球型支座的作用，具有為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動和各向滑動位移的能力。在地震發(fā)生時，多向型FPB利用整體摩擦單擺的設(shè)計擺動周期來延長結(jié)構(gòu)的自振周期，減少地震引起的動力放大效應(yīng)，從而達到有效削減地震對上部結(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滑動，支座只具有轉(zhuǎn)動功能，沒有滑動位移功能。單向型FPB支座平時具有單向型球型支座的功能，即具有轉(zhuǎn)動和單一方向的滑動位移功能。在地震發(fā)生時，要求固定型FPB和單向型FPB中間襯板能在上支座板滑動球面上自由滑動，其功能恢復(fù)至與多向型FPB一致［7，8］，從而達到有效削減地震對上部結(jié)構(gòu)的水平剪力及能量輸入的目的。因此對于摩擦擺結(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，并通過增加相應(yīng)功能的限位模塊來實現(xiàn)平時工作狀態(tài)下的固定和單向活動功能，由于FPB結(jié)構(gòu)通用性強，完全符合模塊化設(shè)計理念，可以進行模塊化設(shè)計。

3)FPB模塊化設(shè)計的實現(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)可以劃分為滑動模塊、轉(zhuǎn)動模塊、錨碇模塊、導(dǎo)向模塊、限位模塊等?；瑒幽K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)提供滑動位移能力，同時還可以通過高摩擦系數(shù)摩擦副之間的摩擦耗散地震能量;轉(zhuǎn)動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平時的單向滑移位移能力;限位模塊包括限位環(huán)(塊)和剪力銷釘，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，主要由滑動模塊、轉(zhuǎn)動模塊、錨碇模塊組成。平時工作狀態(tài)下多向型FPB通過轉(zhuǎn)動模塊的轉(zhuǎn)動以及滑動模塊的滑動為上部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)動和滑移位移的能力;在地震發(fā)生時，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，實現(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，主要由滑動模塊、轉(zhuǎn)動模塊、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)生時要求固定型FPB具有多向型FPB的功能，因此固定型FPB滑動模塊、轉(zhuǎn)動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完全限制上、下支座板之間的滑動。如圖4所示固定型FPB限位模塊由剪力銷釘和限位環(huán)組成。在平常工作狀態(tài)時，由于球面轉(zhuǎn)動摩擦副的轉(zhuǎn)動和限位模塊的作用，固定型FPB只能為上部結(jié)構(gòu)提供承載和轉(zhuǎn)動功能，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地震對上部結(jié)構(gòu)的水平剪力大于剪力銷釘提供的剪力時，剪力銷釘被剪斷，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球面上自由滑動，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，主要由滑動模塊、轉(zhuǎn)動模塊、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)生時要求單向型FPB具有多向型FPB的功能，因此單向型FPB滑動模塊、轉(zhuǎn)動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限制上、下支座板之間只能單向滑動。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;限位模塊由剪力銷釘、限位塊組成。在平常工作狀態(tài)時，由于球面轉(zhuǎn)動摩擦副的轉(zhuǎn)動和導(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)動和單向滑移功能，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地震對上部結(jié)構(gòu)的水平剪力大于剪力銷釘提供的剪力時，剪力銷釘被剪斷，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球面上任意方向自由滑動。

從以上分析可知在進行FPB產(chǎn)品設(shè)計時可以很好的利用模塊化設(shè)計，設(shè)計步驟一般如下: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(見表1);2)建立完善的各標(biāo)準(zhǔn)模塊庫，此項工作可以通過以往類似產(chǎn)品設(shè)計工作不斷積累和完善;3)根據(jù)產(chǎn)品形式按表1進行標(biāo)準(zhǔn)模塊組合選擇;4)從各標(biāo)準(zhǔn)模塊庫中選擇已有的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)模塊。以我公司自主設(shè)計生產(chǎn)并應(yīng)用于某項目5 500 t FPB為例，當(dāng)時沒有采用模塊化設(shè)計使得多向型、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，雖然在某個具體的支座型號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的總和數(shù)。模塊化設(shè)計前后零件種數(shù)對比情況如表2所示。

圖5 單向活動型FPB

表1 各方向形式FPB模塊組成

表2 FPB模塊化設(shè)計前后零件種數(shù)對比

3 FPB模塊化設(shè)計對產(chǎn)品制造和生產(chǎn)組織的影響

模塊化設(shè)計不僅有利于FPB產(chǎn)品設(shè)計，同時給FPB產(chǎn)品的制造和生產(chǎn)組織也帶來很多效益，概況如下:1)可以更好的保證產(chǎn)品質(zhì)量。通過對多向型FPB的大量研究，其理論計算已經(jīng)完善，同時產(chǎn)品各項性能也完全通過試驗驗證。FPB的模塊化設(shè)計是以多向型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)計時我們可以省去固定型和單向型FPB設(shè)計的很多步驟和驗證過程，同時又可以確保產(chǎn)品性能滿足要求。模塊功能的獨立性和接口的一致性，使模塊研究更加專業(yè)和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高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。標(biāo)準(zhǔn)模塊和大量通用零部件的采用可以降低設(shè)計成本和生產(chǎn)組織難度;采用成熟的經(jīng)過驗證的標(biāo)準(zhǔn)模塊和通用零部件可以提高產(chǎn)品零部件采購和制造批量以及降低采購和制造種類，從而降低采購和制造成本;同時由于在新產(chǎn)品設(shè)計和制造時也大量采用了成熟的經(jīng)過驗證的標(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。

4 結(jié)語

FPB根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)特點可以很好的利用標(biāo)準(zhǔn)模塊進行模塊化設(shè)計，F(xiàn)PB模塊化設(shè)計可以大大提高設(shè)計效率，縮短FPB產(chǎn)品開發(fā)、試制時間，同時FPB模塊化設(shè)計大量采用標(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，從而提高FPB產(chǎn)品的市場競爭力，有利于FPB產(chǎn)品更好地推廣應(yīng)用。

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