FPB 的模块化设计

胡宇新 夏俊勇 冷新云

(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

1 基础隔震技术及FPB结构简介

1.1 基础隔震技术简介

基础隔震技术是目前工程中应用最多的一种地震反应控制技术，它是20世纪60年代出现的一项新技术。目前采用的隔震技术多指基底隔震［1］，如图1所示。基底隔震通过设置于建筑物底部与基础顶面之间的隔震消能装置，吸收并耗散地震能量。这些隔震消能装置是一种侧向刚度很小的振动控制装置，它可以延长整个建筑物的振动周期，使地震所引起的建筑物变形集中到隔震装置上，隔断大部分地震能量的上传，这在很大程度上减少了地震时上部结构的加速度和层间位移，从而大大减少上部结构的地震反应。大量研究结果表明，采用隔震技术，上部结构的变形类似于刚体的平动，地震反应没有放大现象。

图1 基底隔震系统示意图

1.2 FPB 结构简介

FPB(摩擦摆支座)是隔震消能装置的一种，而双球面FPB是一种最常见的FPB结构形式，其主要由一个具有滑动凹球面的上支座板、一个具有双凸球面的中间衬板和一个具有转动凹球面的下支座板组成，具体结构如图2所示。FPB上支座板主要是提供中间衬板的滑动基础;中间衬板上凸球面与上支座板滑动面具有相同的曲率半径，可与滑动面完全贴合，并使上支座板在支座滑动时始终保持水平;带有转动凹球面的下支座板能适应中间衬板的转动，而球面转动摩擦副的转动以及滑动摩擦副的滑动能为上部结构提供转动和滑移位移的能力。FPB通过在球面上滑动产生水平刚度K，通过滑动耐磨板的摩擦产生阻尼C［2，3］。由于具有对地震激励频率范围的低敏感性和高稳定性、较强的自限位、复位能力以及优良的隔震和消能机制等综合性能，近年来FPB逐渐成为一种颇具发展前景的隔震支座，已大量应用于高地震区公路、铁路、市政工程桥梁。

2 FPB的模块化设计

1)模块化设计的概念。模块化设计［6］是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同顾客定制的产品，以满足市场不同需求的一种设计方式。

图2 双球面FPB结构示意图

2)FPB的模块化设计基础。FPB根据功能不同可分为固定型、多向型和单向型等几种支座形式。多向型FPB在平时起活动型球型支座的作用，具有为上部结构提供转动和各向滑动位移的能力。在地震发生时，多向型FPB利用整体摩擦单摆的设计摆动周期来延长结构的自振周期，减少地震引起的动力放大效应，从而达到有效削减地震对上部结构的水平剪力及能量输入的目的。固定型FPB在平时具有固定型球型支座的功能，限制支座上下座板之间的相对滑动，支座只具有转动功能，没有滑动位移功能。单向型FPB支座平时具有单向型球型支座的功能，即具有转动和单一方向的滑动位移功能。在地震发生时，要求固定型FPB和单向型FPB中间衬板能在上支座板滑动球面上自由滑动，其功能恢复至与多向型FPB一致［7，8］，从而达到有效削减地震对上部结构的水平剪力及能量输入的目的。因此对于摩擦摆结构部分，由于功能的同一性，固定型FPB和单向型FPB都可以通用多向型FPB的模块，并通过增加相应功能的限位模块来实现平时工作状态下的固定和单向活动功能，由于FPB结构通用性强，完全符合模块化设计理念，可以进行模块化设计。

3)FPB模块化设计的实现。根据以上分析以及结合支座功能，FPB整体结构可以划分为滑动模块、转动模块、锚碇模块、导向模块、限位模块等。滑动模块包括上支座板与中间衬板以及它们之间的高摩擦系数摩擦副，主要是为上部结构提供滑动位移能力，同时还可以通过高摩擦系数摩擦副之间的摩擦耗散地震能量;转动模块包括中间衬板与下支座板以及它们之间的低摩擦系数摩擦副，主要是为上部结构提供转动能力;锚碇模块包括锚碇钢棒和锚固螺栓，主要提供支座与上下部结构的联接能力;导向模块主要包括导向滑块与导轨，主要提供单向型FPB平时的单向滑移位移能力;限位模块包括限位环(块)和剪力销钉，主要提供固定型FPB和单向型FPB在正常工作状态下限制支座滑移的能力。

多向型FPB结构如图3所示，主要由滑动模块、转动模块、锚碇模块组成。平时工作状态下多向型FPB通过转动模块的转动以及滑动模块的滑动为上部结构提供转动和滑移位移的能力;在地震发生时，支座中间衬板在地震水平剪力作用下在上支座板凹球面上大幅滑动，实现隔震消能功能。

图3 多向型FPB

固定型FPB结构如图4所示，主要由滑动模块、转动模块、锚碇模块、限位模块组成。平常工作状态下固定型FPB起着固定型球型支座的功能，在地震发生时要求固定型FPB具有多向型FPB的功能，因此固定型FPB滑动模块、转动模块以及锚碇模块都可以采用与多向型FPB完全相同的结构模块，在此基础上增加限位模块在平时完全限制上、下支座板之间的滑动。如图4所示固定型FPB限位模块由剪力销钉和限位环组成。在平常工作状态时，由于球面转动摩擦副的转动和限位模块的作用，固定型FPB只能为上部结构提供承载和转动功能，当地震发生时，地震对上部结构的水平剪力大于剪力销钉提供的剪力时，剪力销钉被剪断，限位模块失效，固定型FPB支座中间衬板可以在上支座板凹滑动球面上自由滑动，其功能恢复至与多向型FPB一致。

图4 固定型FPB

单向型FPB结构如图5所示，主要由滑动模块、转动模块、锚碇模块、导向模块、限位模块组成。平常工作状态下单向型FPB起着单向型球型支座的功能，在地震发生时要求单向型FPB具有多向型FPB的功能，因此单向型FPB滑动模块、转动模块以及锚碇模块都可以采用与多向型FPB完全相同的结构模块，在此基础上增加导向模块和限位模块在平时限制上、下支座板之间只能单向滑动。如图5所示单向型FPB导向模块由限位块和导向块组成;限位模块由剪力销钉、限位块组成。在平常工作状态时，由于球面转动摩擦副的转动和导向模块、限位模块的作用，单向型FPB只能为上部结构提供承载、转动和单向滑移功能，当地震发生时，地震对上部结构的水平剪力大于剪力销钉提供的剪力时，剪力销钉被剪断，限位模块失效，单向型FPB支座中间衬板可以在上支座板凹滑动球面上任意方向自由滑动。

从以上分析可知在进行FPB产品设计时可以很好的利用模块化设计，设计步骤一般如下:1)根据产品的功能，科学合理地划分标准模块，建立完善的各方向形式FPB模块组合表(见表1);2)建立完善的各标准模块库，此项工作可以通过以往类似产品设计工作不断积累和完善;3)根据产品形式按表1进行标准模块组合选择;4)从各标准模块库中选择已有的产品标准模块。以我公司自主设计生产并应用于某项目5 500 t FPB为例，当时没有采用模块化设计使得多向型、固定型和单向型FPB除锚碇组件、中间衬板与摩擦副中的部分可以通用外其余零部件并不通用，如果采用模块化设计，虽然在某个具体的支座型号上增加了零件的种数，但却大大提高了通用零件种数，减少了三种方向形式支座所用零件种类的总和数。模块化设计前后零件种数对比情况如表2所示。

图5 单向活动型FPB

表1 各方向形式FPB模块组成

表2 FPB模块化设计前后零件种数对比

3 FPB模块化设计对产品制造和生产组织的影响

模块化设计不仅有利于FPB产品设计，同时给FPB产品的制造和生产组织也带来很多效益，概况如下:1)可以更好的保证产品质量。通过对多向型FPB的大量研究，其理论计算已经完善，同时产品各项性能也完全通过试验验证。FPB的模块化设计是以多向型FPB结构为基础，固定型和单向型FPB结构在多向型FPB结构基础上增加了限位模块和导向模块，因此在产品设计时我们可以省去固定型和单向型FPB设计的很多步骤和验证过程，同时又可以确保产品性能满足要求。模块功能的独立性和接口的一致性，使模块研究更加专业和深入，可以不断通过升级自身性能来提高FPB产品的整体性能和可靠性。2)可以提高生产效率和有效降低产品制造成本，降低新产品制造的难度和风险。标准模块和大量通用零部件的采用可以降低设计成本和生产组织难度;采用成熟的经过验证的标准模块和通用零部件可以提高产品零部件采购和制造批量以及降低采购和制造种类，从而降低采购和制造成本;同时由于在新产品设计和制造时也大量采用了成熟的经过验证的标准模块和通用零部件，降低了新产品制造工艺难度，降低了制造过程中工装模具的投入，降低了新产品试制难度，减少了新产品的试制、制造对生产系统的影响，从而降低了新产品制造的难度和风险。

4 结语

FPB根据其功能结构特点可以很好的利用标准模块进行模块化设计，FPB模块化设计可以大大提高设计效率，缩短FPB产品开发、试制时间，同时FPB模块化设计大量采用标准模块和通用零部件，可以大大提高FPB产品的生产效率，可以有效降低产品制造成本和新产品制造的难度和风险，从而提高FPB产品的市场竞争力，有利于FPB产品更好地推广应用。

［1］攸青言.摩擦摆基础隔震结构地震反应影响因素分析［D］.郑州:郑州大学，2010.

［2］党 育，杜永峰，李 慧.基础隔震结构设计及施工指南［M］.北京:中国水利水电出版社，中国知识产权出版社，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］新建铁路云桂线、长昆线TJGZ-FPB摩擦摆式支座审查文件［R］.北京:中国中铁二院工程集团有限责任公司，2010.

［5］龚 健，周 云.摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻Ⅰ——摩擦摆隔震支座的类型与性能［J］.工程抗震与加固改造，2010，32(3):7-8.

［6］凯利斯·鲍德温，金·克拉克.设计规则:模块化的力量［M］.北京:中信出版社，2006.

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

［8］GB/T 17955-2009，桥梁球型支座［S］.