FRP板橡膠支座與鋼板橡膠支座壓縮性能數值模擬比較分析

李 琨

（廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363021）

0 引言

減隔震設計方法是在建筑基礎上增設減隔震支座，用以隔離和耗散地震能量。這種方法在保持原有結構強度的基礎上，可保證結構在地震作用下處于彈性范圍工作狀態，具有較強的實用性和經濟型，得到了不斷的發展。

減隔震支座最初形式為天然普通橡膠支座和阻尼器組合的方法，但其阻尼耗能很小，效果不明顯。為解決這一問題，眾多學者采用橡膠層+鋼板層相間黏著布置，充分利用了鋼板材料很高豎向剛度與撓曲剛度（在正常受力時變形較小），同時在承受水平地震剪力時又具有和橡膠相同的彈塑性能（允許支座發生水平變形，實現耗能的目的）。劉文光等[1]進行了鉛芯疊層橡膠支座力學性能研究，莊學真等[2]通過實驗研究了高阻尼橡膠支座力學性能，劉海卿[3]研究分析了SMA 絞線—疊層復合橡膠支座力學性能。這些隔震（振）橡膠支座較好改善了耗能能力，但這些減隔震支座制作都存在各種缺陷，如鋼板橡膠支座須經加熱加壓使橡膠墊硫化，制作復雜。1999 年Kelly[4]等首次提出用FRP（纖維增強復合材料Fiber-reinforced polymer）板替代傳統天然橡膠支座中的鋼板，并開發出FRP 板橡膠支座。該方法解決了之前減隔震支座構造復雜、切割困難、自重過大、價格昂貴的缺點，在經濟欠發達地區具有很強的實際應用價值。

1 受力分析

由于Kelly 等人開發的FRP 板橡膠支座具有較強的實用性，各國學者對其從不同角度和采用不同方法進行了各種分析研究，其中黃俊智和林育民[5]等人把FRP 加勁板和橡膠層模擬為各向同性材料；張華等[6]將FRP 板視為復合材料模式，用Mooney-Rivlin 模型模擬橡膠材料進行分析。譚平等[7]則分析了壓剪情況下支座橡膠層應力大小和分布情況。

本文采用通用有限元程序ANSYS，考慮FRP 復合材料的特殊性和橡膠隔層材料的大變形和不可壓縮性，對FRP 橡膠支座和傳統層疊鋼板橡膠支座，在正常工作狀態下的豎向荷載力學性能進行數值模擬，對比兩者的應力情況，為實際工程應用提供一定的參考。

1.1 有限元模型尺寸

為保證分析模型參數的客觀性和可行性，本文分析的支座尺寸與王斌等[8]的試驗尺寸相同，為220mm×220mm×93mm（11 層5mm 厚橡膠層，10 層3mm 厚FRP 加勁板以及頂、底面各8mm 厚保護層橡膠，每片纖維布層為0°與90°交錯疊合而成）的有限元模型，如圖1 所示。作為比較參照的橡膠鋼板支座，則用同等尺寸的鋼板對FRP 加勁板進行替換。

圖1 FRP 加勁板（鋼板）橡膠隔震支座尺寸圖

1.2 材料的參數設定

用ANSYS 有限元分析軟件建立三維有限元模型，將FRP 材料簡化為彈性模量為17.50x103MPa，泊松比為0.40MPa 彈性體材料，用SHELL181 單元進行模擬。而橡膠是超彈性材料，為了考慮該材料的大變形和材料非線性，采用實體8 節點SOLID185 單元對橡膠材料進行模擬。材料取常用的兩參數Mooney-Rivin 模型，減隔震橡膠支座中常用硬度為60 的橡膠，參數為C10=0.4947MPa，C01=0.0639MPa。鋼板材料為理想彈性體，選用較為簡單的SHELL63 單元，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3 的彈性體。

為了模擬FRP 板層（鋼板層）和橡膠層之間的滑移，建模時假設FRP板（鋼板）與橡膠接觸面為理想黏結，以共節點形式進行考慮，建立參考點來控制其加載豎向面荷載的傳遞。因僅考慮支座豎向加載分析，為了節省計算時間，提高計算機運算效率，本文建模時取方形支座的四分之一對稱結構進行分析。網格劃分并施加約束情況見如圖2。

圖2 隔震支座有限元模型圖

2 有限元分析結果對比

2.1 有限元模型加載

本文主要分析對比兩種支座在豎向加載作用下的力學性能，以及壓力與變形（剛度）的關系，加載方式參照《公路橋梁板式橡膠支座》（JT/T4-2019）中“公路板式橡膠支座極限抗壓承載力試驗測試規定”中的規定，對支座連續緩慢加載至70MPa 的壓應力，然后比較分析FRP 板橡膠支座和鋼板橡膠支座的變形、剛度變形情況。

2.2 FRP 橡膠支座應力情況分析

由于橡膠材料為超彈性體，在豎向作用下將發生較大側向膨脹，由此引起豎向變形很大，若無加勁板的水平約束作用，將超過橋梁或建筑結構對支座性能的要求。當FRP 板（或鋼板）和橡膠層有可靠黏結時，將有效的約束橡膠層的側向變形，提高支座整體的豎向承載力。而FRP 板（鋼板）在水平面內將受到較大的拉伸作用，正好發揮了FRP（或鋼板）抗拉強度高的特點，很好的將兩種材料結合起來。

因FRP 板在平面內兩個相互正交方向纖維，具有較高的抗拉強度和剛度，在支座受力過程中主要起約束橡膠層水平變形的作用。而FRP 纖維在豎向為層間分布，層間強度較小，對支座受壓不起主要支撐作用。所以在分析時，主要考慮FRP 板面在水平方向的應力情況。

支座中橡膠層和FRP 板層（鋼板層）交錯疊合粘結布置，為了更好的考察支座內部受力情況，在ANSYS 計算結果中，取中間層（第5 層）板面應力分布情況進行分析。支座在達到設計極限壓應力值70MPa 時，中間層FRP板（鋼板）應力分布情況分別見圖3、圖4。應力云圖顯示無論是FRP 板面還是鋼板面，應力分布規律基本相同，即板面中心處的應力最大，向四周邊緣呈圓弧狀擴散時應力也逐漸減小。主要原因是各橡膠夾層越靠近四周邊緣，受豎向力擠壓時發生的側向膨脹累積變形越大，從而對FRP 纖維（鋼板）的約束作用越小。

圖3 中間層FRP 板面x 方向應力分布云圖

圖4 中間層鋼板板面x方向應力分布云圖

模擬分析結果可以看出，支座在最大豎向壓應力70MPa 作用下，中間層FRP 板面中心產生的最大應力為116.36MPa，與同等條件下鋼板面的應力89.15MPa 相差不大，并且FRP 板面x方向最大拉應力仍遠小于FRP 材料的抗拉強度，完全可以替代層疊鋼板滿足支座受力要求。

2.3 支座變形情況比較分析

將兩種支座的豎向變形隨著壓力增大的變化曲線進行對比（如圖5）。初始階段豎向壓應力較小，從0 增加到25MPa 時橡膠和FRP 板（鋼板）都處于彈性狀態，支座豎向變形和壓應力成等比例線性增加。隨著壓應力繼續增大，橡膠層水平膨脹，豎向變形呈現加速狀態，兩種支座的變形都比壓應力增加速度快，應力-變形曲線快速上揚。當壓應力較大，超過45MPa 之后，橡膠層的超彈性壓縮變形逐漸趨于穩定，支座的整體變形曲線也逐漸趨于平緩。

圖5 FRP 加勁板（鋼板）橡膠隔震支座豎向變形對比

對比兩種支座變形，因FRP 層為多層纖維正交粘貼而成，而鋼板材料豎向為致密性結構，彈性模量比FRP 材料很多大，故鋼板在壓力下的豎向變形也相對小一些。兩者變形相差最大位于壓應力接近40MPa 時，此時兩者僅相差14.35%。結果表明，雖然FRP 橡膠支座剛度略小，但完全能滿足豎向承載力的要求。

3 結論

本文介紹了FRP 橡膠支座的特點和發展過程，用ANSYS 有限元分析軟件對FRP 橡膠支座和鋼板橡膠支座在豎向力作用下板面的變形和應力進行了數值模擬，并比較了兩種支座應力和變形情況。模擬分析結果表明，各層板面應力分布從中心往外圍逐漸減小，在測試實驗規定中最大壓應力70MPa作用下，FRP 板最大水平拉應力為116.36MPa，略大于鋼板面應力，但完全滿足FRP 材料抗拉強度要求。對比FRP 板橡膠支座和傳統疊層鋼板橡膠支座的豎向剛度，因鋼板的彈性模量較大，鋼板支座比FRP 板支座豎向變形稍小，但兩者的剛度相差不大。綜合考慮FRP 橡膠支座的其他優點，在豎向壓力作用下，用FRP 板替代傳統疊層鋼板的橡膠支座是可行和可靠的。