FPB 的模塊化設計

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 基礎隔震技術及FPB結構簡介

1.1 基礎隔震技術簡介

基礎隔震技術是目前工程中應用最多的一種地震反應控制技術，它是20世紀60年代出現的一項新技術。目前采用的隔震技術多指基底隔震［1］，如圖1所示?；赘粽鹜ㄟ^設置于建筑物底部與基礎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構的加速度和層間位移，從而大大減少上部結構的地震反應。大量研究結果表明，采用隔震技術，上部結構的變形類似于剛體的平動，地震反應沒有放大現象。

圖1 基底隔震系統示意圖

1.2 FPB 結構簡介

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結構形式，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動凹球面的下支座板組成，具體結構如圖2所示。FPB上支座板主要是提供中間襯板的滑動基礎;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;帶有轉動凹球面的下支座板能適應中間襯板的轉動，而球面轉動摩擦副的轉動以及滑動摩擦副的滑動能為上部結構提供轉動和滑移位移的能力。FPB通過在球面上滑動產生水平剛度K，通過滑動耐磨板的摩擦產生阻尼C［2，3］。由于具有對地震激勵頻率范圍的低敏感性和高穩定性、較強的自限位、復位能力以及優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展前景的隔震支座，已大量應用于高地震區公路、鐵路、市政工程橋梁。

2 FPB的模塊化設計

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

圖2 雙球面FPB結構示意圖

2)FPB的模塊化設計基礎。FPB根據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，具有為上部結構提供轉動和各向滑動位移的能力。在地震發生時，多向型FPB利用整體摩擦單擺的設計擺動周期來延長結構的自振周期，減少地震引起的動力放大效應，從而達到有效削減地震對上部結構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，即具有轉動和單一方向的滑動位移功能。在地震發生時，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，其功能恢復至與多向型FPB一致［7，8］，從而達到有效削減地震對上部結構的水平剪力及能量輸入的目的。因此對于摩擦擺結構部分，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，并通過增加相應功能的限位模塊來實現平時工作狀態下的固定和單向活動功能，由于FPB結構通用性強，完全符合模塊化設計理念，可以進行模塊化設計。

3)FPB模塊化設計的實現。根據以上分析以及結合支座功能，FPB整體結構可以劃分為滑動模塊、轉動模塊、錨碇模塊、導向模塊、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摩擦副，主要是為上部結構提供滑動位移能力，同時還可以通過高摩擦系數摩擦副之間的摩擦耗散地震能量;轉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摩擦副，主要是為上部結構提供轉動能力;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構的聯接能力;導向模塊主要包括導向滑塊與導軌，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(塊)和剪力銷釘，主要提供固定型FPB和單向型FPB在正常工作狀態下限制支座滑移的能力。

多向型FPB結構如圖3所示，主要由滑動模塊、轉動模塊、錨碇模塊組成。平時工作狀態下多向型FPB通過轉動模塊的轉動以及滑動模塊的滑動為上部結構提供轉動和滑移位移的能力;在地震發生時，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，實現隔震消能功能。

圖3 多向型FPB

固定型FPB結構如圖4所示，主要由滑動模塊、轉動模塊、錨碇模塊、限位模塊組成。平常工作狀態下固定型FPB起著固定型球型支座的功能，在地震發生時要求固定型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完全相同的結構模塊，在此基礎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組成。在平常工作狀態時，由于球面轉動摩擦副的轉動和限位模塊的作用，固定型FPB只能為上部結構提供承載和轉動功能，當地震發生時，地震對上部結構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，其功能恢復至與多向型FPB一致。

圖4 固定型FPB

單向型FPB結構如圖5所示，主要由滑動模塊、轉動模塊、錨碇模塊、導向模塊、限位模塊組成。平常工作狀態下單向型FPB起著單向型球型支座的功能，在地震發生時要求單向型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完全相同的結構模塊，在此基礎上增加導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導向模塊由限位塊和導向塊組成;限位模塊由剪力銷釘、限位塊組成。在平常工作狀態時，由于球面轉動摩擦副的轉動和導向模塊、限位模塊的作用，單向型FPB只能為上部結構提供承載、轉動和單向滑移功能，當地震發生時，地震對上部結構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產品設計時可以很好的利用模塊化設計，設計步驟一般如下:1)根據產品的功能，科學合理地劃分標準模塊，建立完善的各方向形式FPB模塊組合表(見表1);2)建立完善的各標準模塊庫，此項工作可以通過以往類似產品設計工作不斷積累和完善;3)根據產品形式按表1進行標準模塊組合選擇;4)從各標準模塊庫中選擇已有的產品標準模塊。以我公司自主設計生產并應用于某項目5 500 t FPB為例，當時沒有采用模塊化設計使得多向型、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，如果采用模塊化設計，雖然在某個具體的支座型號上增加了零件的種數，但卻大大提高了通用零件種數，減少了三種方向形式支座所用零件種類的總和數。模塊化設計前后零件種數對比情況如表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模塊化設計前后零件種數對比

3 FPB模塊化設計對產品制造和生產組織的影響

模塊化設計不僅有利于FPB產品設計，同時給FPB產品的制造和生產組織也帶來很多效益，概況如下:1)可以更好的保證產品質量。通過對多向型FPB的大量研究，其理論計算已經完善，同時產品各項性能也完全通過試驗驗證。FPB的模塊化設計是以多向型FPB結構為基礎，固定型和單向型FPB結構在多向型FPB結構基礎上增加了限位模塊和導向模塊，因此在產品設計時我們可以省去固定型和單向型FPB設計的很多步驟和驗證過程，同時又可以確保產品性能滿足要求。模塊功能的獨立性和接口的一致性，使模塊研究更加專業和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高FPB產品的整體性能和可靠性。2)可以提高生產效率和有效降低產品制造成本，降低新產品制造的難度和風險。標準模塊和大量通用零部件的采用可以降低設計成本和生產組織難度;采用成熟的經過驗證的標準模塊和通用零部件可以提高產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;同時由于在新產品設計和制造時也大量采用了成熟的經過驗證的標準模塊和通用零部件，降低了新產品制造工藝難度，降低了制造過程中工裝模具的投入，降低了新產品試制難度，減少了新產品的試制、制造對生產系統的影響，從而降低了新產品制造的難度和風險。

4 結語

FPB根據其功能結構特點可以很好的利用標準模塊進行模塊化設計，FPB模塊化設計可以大大提高設計效率，縮短FPB產品開發、試制時間，同時FPB模塊化設計大量采用標準模塊和通用零部件，可以大大提高FPB產品的生產效率，可以有效降低產品制造成本和新產品制造的難度和風險，從而提高FPB產品的市場競爭力，有利于FPB產品更好地推廣應用。

［1］攸青言.摩擦擺基礎隔震結構地震反應影響因素分析［D］.鄭州:鄭州大學，2010.

［2］黨 育，杜永峰，李 慧.基礎隔震結構設計及施工指南［M］.北京:中國水利水電出版社，中國知識產權出版社，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、長昆線TJGZ-FPB摩擦擺式支座審查文件［R］.北京:中國中鐵二院工程集團有限責任公司，2010.

［5］龔 健，周 云.摩擦擺隔震技術研究和應用的回顧與前瞻Ⅰ——摩擦擺隔震支座的類型與性能［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.設計規則: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］.