隔震支座下支墩连接件分析

李文杰

摘要：由于高层建筑隔震层设计中要考虑承受更多的抗拉能力，传统螺栓套筒连接形式中套筒周围的混凝土发生压溃而使得连接件的受力性能无法充分发挥。本文通过对连接形式的改进，采用ABAQUS进行有限元模拟计算，对LRB支座施加相同的水平位移荷载，发现连接各部件的应力峰值出现明显下降，构件性能发挥更加充分。

关键词：隔震支墩；钢混连接；连接形式；受力

1引言

随着越来越多高度超限建筑在我国出现，对于高层建筑隔震的技术要求也随之提升，高层建筑在地震作用下产生较大的倾覆力和力矩，隔震层的设置时需要考虑这点，为提升隔震层的抗拉性能，不少学者提出了抗拉支座模型，但对于下支墩连接的设置研究还比较少，主要以传统螺栓套筒连接组件[1-4]为主，在地震荷载作用下，螺栓附近的混凝土由于压溃产生破坏而使得连接件的性能无法充分发挥，本文将提出一种新型连接方式进一步改善构件性能。

2有限元模型的建立

2.1单元选取和材料属性

本文采用ABAQUS进行有限元模拟计算，其中混凝土、螺栓、连接板、铅芯、螺栓套筒和上下封板采用C3D8R单元，橡胶超弹性材料采用C3D8RH单元，薄钢板采用C3D8RI单元，钢筋笼和加强箍筋则采用T3D2单元。本文采用的材料本构模型主要有六类，一混凝土选取ABAQUS中自带的混凝土塑性损伤模型，用《GB50010-2010 混凝土结构设计规范》[5]中的单轴受压和受拉应力应变关系来模拟非线性行为；二钢材选取弹塑性材料本构；三螺栓选用三折线本构模型[6]；四钢筋选取应用广泛的双折线模型；五橡胶材料选用Yeoh模型；六铅芯由于纯度较高，强化程度较低，选取理想双折线模型[7]。

2.2网格划分、边界条件和加载方式

为使有限元计算更加准确，在划分网格时通过给各部件进行有效分割区域，最终确定网格形式如下图1。为模拟地震荷载作用下的各部件受力情况，通过对隔震支座下支墩混凝土底面进行耦合于参考点RP1，再对RP2进行完全固定约束，支座的上封板表面耦合于RP1，在对RP1进行位移/转角约束，对方向施加循环往复荷载来模拟地震下的支座变形，方向施加12MPa的竖压静压，高强螺栓组施加20KN的螺栓预紧力进行紧固。

图1有限元模型

3有限元模拟分析

3.1应力云图分析

有限元计算后，对比传统螺栓套筒连接和新型连接件中高强螺栓和下连接板的应力分布。当铅芯橡胶支座发生相同水平变形时，传统螺栓套筒组件中高强螺栓的应力分布较为集中在下连接板和混凝土的交界处，而其下部应力变化不明显，说明构件所受内力较小，易在集中处发生破坏而使得构件的性能无法充分发挥。对比之下新型连接组件的应力下降明显，下连接板和混凝土交界处应力和其余部位的应力分布更加均匀，构件所受内力分布均匀，能承受更大的荷载作用。连接板的应力主要集中在螺栓预留孔洞附近，在新型连接组件中下连接板的应力下降明显，应力也不单集中于预留孔洞附近，结构出现整体受力效果更好，性能发挥更充分。

3.2不同工况下应力分析

b）高强螺栓应力                      c）下连接板应力

图3应力分布

分别对隔震支座进行100%、150%、200%、250%、300%和350%的水平位移加载，对比此时各部件的受力情况，应力发生发生大幅下降，高强螺栓的应力在相应位移荷载作用下分别下降53.68%、59.10%、63.16%、48.87%、29.01%和26.40%，下连接板的应力分别下降76.30%、74.52%、66.18%、53.06%、36.40%和4.69%。相同荷载作用下应力大幅的下降，构件所产生的内力较小，具有更好的耐疲劳性能，也能延长连接件的使用寿命，同时结构相较于之前能够抵抗更大的荷载作用。

4结束语

新型连接组件通过在传统螺栓套筒连接基础上进行简单改进，而使隔震支座与下支墩的连接构件整体性能发挥更充分，为提升高层和超高层建筑隔震层隔震装置于下支墩连接性能问题提供改善思路。

参考文献：

[1]邓烜,雷远德,郁银泉,蒋航军,周方圆.橡胶隔震支座安装螺栓受力特性的试验研究[J].建筑结构,2016,46(19):69-75.

[2]曹佃凯. 钢与混凝土组合结构螺栓连接件受剪性能研究[D].青岛理工大学,2021.

[3]潘晨,邢颖,郭琪,刘雁斌.拉剪复合作用下钢-混凝土组合梁高强螺栓连接件的力学性能研究[J/OL].建筑钢结构进展:1-10[2023-01-30].

[4]赵中伟,樊雄涛,吴刚.高强螺栓抗剪连接滑移数值模型[J].同济大学学报(自然科学版),2020,48(12):1707-1716.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50010—2010.  混凝土结构设计规范[S].  北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[6]陈俊,汪威,丁发兴,许福,龙士国,杨才千.钢-混凝土组合梁高强螺栓抗剪连接件受剪性能[J].铁道科学与工程学报,2019,16(10):2553-2561.

[7]白万帅. 连续梁桥用新型铅芯阻尼器性能研究[D].北京交通大学,2021.