極低溫度下LRB力學(xué)性能及對(duì)高層結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響

劉文光，秦皇婷，何文福，馮德民，王惠強(qiáng)

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072;2.藤田技術(shù)中心 厚木，214－0125;3.無錫圣豐減震器廠，無錫 214199)

我國幅員遼闊，南北距離遠(yuǎn)，地理因素十分復(fù)雜。由于處于太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震頻發(fā)。為抵御地震災(zāi)害，隔震建筑得到了較多應(yīng)用，其原理是通過隔震支座將基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)隔開，從而達(dá)到避免或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸?shù)哪康?。在眾多的隔震支座中，橡膠隔震支座由于其在價(jià)格、安裝和力學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)而得到了較多的應(yīng)用，自1994年起，我國開始應(yīng)用橡膠隔震支座，對(duì)其力學(xué)性能等有許多研究［1－3］。但是由于地域特點(diǎn)，與其它處在相同緯度的地區(qū)相比，我國的這些地區(qū)冬季的雨雪冰凍、積冰積雪現(xiàn)象嚴(yán)重的多。為使支座在不同溫度下能穩(wěn)定工作，研究支座溫度的相關(guān)性是必要的。莊學(xué)真等［4］對(duì)大直徑建筑疊層橡膠做了溫度相關(guān)性的研究，得出了溫度對(duì)疊層橡膠隔震支座的豎向剛度、水平剛度和屈服力具有一定影響的結(jié)論。劉文光等［5－7］對(duì)橡膠支座的溫度性能做了研究，提出了支座屈服后剛度及屈服荷載的溫度修正方程和設(shè)計(jì)建議;李慧等［8］對(duì)疊層橡膠支座做了低溫往復(fù)試驗(yàn)，指出在低溫環(huán)境下疊層橡膠隔震支座阻尼比略有降低;尹維祥［9］研究了橡膠支座在低溫環(huán)境下的變化規(guī)律。Itoh［10］對(duì)天然橡膠支座溫度變化等條件下的衰老特性進(jìn)行了研究，選擇在60℃、70℃及80℃等高溫范圍。杜永峰等［11］對(duì)疊層橡膠支座分別在－20℃、－35℃、－50℃的低溫下進(jìn)行了壓剪組合狀態(tài)下的往復(fù)試驗(yàn)。

雖然這些文獻(xiàn)都對(duì)橡膠支座的溫度相關(guān)性做了一些研究，但是一般都是在－20℃ ～40℃或較高溫度的范圍內(nèi)做的研究，而對(duì)于極低氣溫環(huán)境下橡膠隔震支座力學(xué)性能的研究卻很少見。規(guī)范［12］中也僅列出了在最低氣溫為－20℃的試驗(yàn)條件下的溫度相關(guān)性的試驗(yàn)方法，但是在北方地區(qū)冬季十分寒冷，哈爾濱冬季均溫在－30℃左右，全國的極端最低氣溫達(dá)到了－51.5℃，因此規(guī)范給定的隔震支座力學(xué)性能的溫度變化范圍顯然不適合北方低溫地區(qū)應(yīng)用隔震技術(shù)的需要。本文對(duì)鉛芯橡膠支座在 40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、－20℃、－40℃條件下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)研究，探究在極低氣溫下支座力學(xué)性能的變化。

1 試驗(yàn)試件

為研究不同規(guī)格鉛芯橡膠支座在不同溫度下的力學(xué)性能，試驗(yàn)采用直徑為600 mm的三組試件，分別用G1、G2和G3表示三個(gè)不同的鉛芯橡膠支座，第1、第2形狀系數(shù)分別為30、5，三個(gè)試件的詳細(xì)規(guī)格參見表1。加載裝置采用液壓伺服加載設(shè)備。

表1 隔震支座詳細(xì)規(guī)格Tab.1 Detailed specification of LRB

2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)研究工況包括:豎向加載、水平位移、循環(huán)次數(shù)及溫度變化等。具體研究為在豎向壓應(yīng)力3000 kN、剪切應(yīng)變 ±100%、溫度變化范圍 －40℃ ～40℃情況下鉛芯橡膠支座力學(xué)性能的溫度相關(guān)性，如表2。

表2 溫度相關(guān)性研究的試驗(yàn)工況Tab.2 Test conditions of the temperature correlation

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 基本力學(xué)性能

基本力學(xué)性能主要包括:試件的屈服后剛度、等效剛度、屈服荷載及等效阻尼比值。各試件的基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可知，屈服后剛度的變化范圍在4.5%以內(nèi)，等效剛度的變化范圍在20%以內(nèi)，屈服荷載的變化范圍在3.5%以內(nèi)，等效阻尼比的變化范圍在3.5%以內(nèi)，由此看出，三種試件都具有相近的力學(xué)性能。

表3 試件基本力學(xué)性能Tab.3 Basic mechanical properties of test specimens

3.2 溫度相關(guān)性

圖1為不同溫度下試件的屈服后剛度、屈服荷載、等效阻尼比及剪切變形等效剛度的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示，溫度對(duì)支座的屈服后剛度、屈服荷載影響明顯。在－40℃的情況下，三個(gè)支座的屈服后剛度與20℃的值相比上升了24.73%，屈服荷載與20℃的值相比平均提高了42.97%，等效阻尼比與20℃的值相比平均提高了13.07%，等效剛度提高了30.49%。

圖1 溫度相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of the temperature correlation

文獻(xiàn)［7］中溫度對(duì)隔震支座屈服剛度及屈服荷載的影響采用指數(shù)函數(shù)近似表示如下:

屈服荷載:

屈服后剛度:

式中:T為試驗(yàn)溫度(℃)，T0為常溫20℃。

從圖1看出，文獻(xiàn)［7］中屈服后剛度與屈服荷載在常溫及較高溫度情況下與實(shí)驗(yàn)值較符合，在低溫，尤其在－40℃極低溫度條件下與實(shí)驗(yàn)值相差較大，達(dá)19.88%與15.05%。為更好地描述極低溫度下溫度對(duì)支座屈服后剛度和屈服荷載的影響，本研究基于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果經(jīng)回歸后提出以下函數(shù)反映其性能變化:

屈服荷載:

屈服后剛度:

圖2為支座在剪切變形100%時(shí)的屈服后剛度、屈服荷載與溫度關(guān)系的試驗(yàn)曲線及設(shè)計(jì)值曲線。圖2(a)為支座在剪切變形100%時(shí)屈服荷載與設(shè)計(jì)值的對(duì)比，從圖中看出其總體的發(fā)展趨勢(shì)是一致的，經(jīng)過重新擬合修正后，與設(shè)計(jì)值比較:在 －40℃時(shí)相差2.41%，－20℃時(shí)相差3.83%，40℃時(shí)相差 －1.48%。圖2(b)為支座在剪切變形100%時(shí)的屈服后荷載與設(shè)計(jì)值的對(duì)比情況:－40℃ 時(shí)相差 －0.10%，－20℃ 時(shí)相差1.67%，40℃時(shí)相差 －0.28%。

圖2 屈服后剛度和屈服荷載與溫度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of stiffness after yielding and temperature and relation curve of yield force and temperature

圖3為不同溫度下剪切變形與水平力的關(guān)系曲線，曲線中顯示溫度對(duì)屈服力、耗能能力均影響顯著。

圖3 水平力與水平位移滯回曲線Fig.3 Herstersis loop of horizontal force and displacement

4 設(shè)計(jì)取值建議及算例分析

4.1 設(shè)計(jì)取值建議

考慮到不同溫度對(duì)橡膠支座的影響，在對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，橡膠支座的屈服強(qiáng)度、等效剛度和屈服荷載應(yīng)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，按如表4不同溫度下隔震支座力學(xué)性能修正參考值與圖4我國各地區(qū)溫度修正分類，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析，以掌握隔震結(jié)構(gòu)在不同溫度段的響應(yīng)特征。

圖4 我國各地區(qū)溫度修正分類Fig.4 Temperature correction of China

表4 不同溫度下隔震支座力學(xué)性能修正取值建議Tab.4 Reference correction value of mechanical properties of LRB under different temperatures

4.2 算例分析

為進(jìn)一步研究溫度對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的影響，用算例說明:某22層框架建筑結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)總重為78000 t，隔震后第一周期為3.71 s。隔震層采用鉛芯橡膠支座，為簡化計(jì)算，將此結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)點(diǎn)系模型，如圖5所示，結(jié)構(gòu)上部力學(xué)模型視為彈性及剪切變形結(jié)構(gòu)。圖中mi為各層質(zhì)量，ki為各層剛度。隔震支座力學(xué)性能采用雙線性力學(xué)模型，如圖6所示，圖中Ku為初始剛度、Kd為屈服后剛度、Qd為屈服力。

圖5 模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of isolation structure model

利用 SAP2000軟件對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析。選取3條經(jīng)典地震波:Hachinohe波、蘭州波和 Taft波，并按照八度二類場地計(jì)算，加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為 400 Gal，且為X，Y雙向地震作用。隔震層剛度按溫度劃分為四種工況，分別為:－40℃，－10℃，20℃，40℃對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

圖7為該隔震結(jié)構(gòu)在四種工況下峰值加速度對(duì)比圖。從圖中看出，在－40℃下頂層最大加速度比其他工況大。與20℃時(shí)最大加速度相比，Hachinohe波－40℃最大加速度為5.72 mm/s2，變化率為50.53%，40℃最大加速度為2.77 mm/s2，變化率為 －2.13%;蘭州波 －40℃ 最大加速度為 4.91 mm/s2，變化率為47.25%，40℃ 最大加速度為 2.43 mm/s2，變化率為－6.05%;Taft波 －40℃最大加速度為6.92 mm/s2，變化率為48.58%，40℃最大加速度為 3.21 mm/s2，變化率為 －9.78%。

圖8為該隔震結(jié)構(gòu)在四種工況下峰值水平位移對(duì)比圖。從圖中看出，在－40℃水平位移相對(duì)較小。與20℃時(shí)峰值水平位移相比，Hachinohe波－40℃最大水平位移為256.66 mm，變化率為－15.25%，40℃最大水平位移為312.64 mm，變化率為3.14%;蘭州波－40℃最大水平位移為174.3 mm，變化率為－3.83%，40℃最大水平位移為181.56 mm，變化率為0.17%;Taft波 －40℃最大水平位移為187.28 mm，變化率為－2.56%，40℃最大水平位移為191.42 mm，變化率為 －0.4%。

圖6 隔震層雙線性模型Fig.6 Bi-linear model of isolator

圖9 不同工況下層間剪力曲線圖Fig.9 Curve diagram of storey shear of different conditions

圖9、圖10為該隔震結(jié)構(gòu)在四種工況下層間剪力對(duì)比圖。從圖中看出，在－40℃隔最大層間剪力較其他工況大。與20℃時(shí)的隔震層層間剪力相比，Hachinohe波－40℃隔震層層間位移為78883.41 kN，變化率為48.72%，40℃隔震層層間剪力為 51571.34 kN，變化率為－2.77%;蘭州波－40℃隔震層層間剪力為61062.92 kN，變化率為47.11%，40℃隔震層層間剪力為38952.34 kN，變化率為 －6.16%;Taft波 －40℃隔震層層間剪力為61861.20 kN，變化率為59.59%，40℃隔震層層間剪力為36069.26 kN，變化率為－6.95%。

圖11為該隔震結(jié)構(gòu)在四種工況下層間位移對(duì)比圖。從圖中看出，在－40℃隔震層位移比其他工況小。與20℃時(shí)隔震層層間位移相比，Hachinohe波－40℃隔震層層間位移為371.89 mm，變化率為 －23.02%，40℃隔震層層間位移為517.10 mm，變化率為6.58%;蘭州波－40℃隔震層層間位移為247.30 mm，變化率為 －17.73%，40℃隔震層層間位移為303.14 mm，變化率為0.84%;Taft波－40℃隔震層層間位移為259.74 mm，變化率為 －14.03%，40℃ 隔震層層間位移為304.10 mm，變化率為 0.65%。

圖10 不同工況下各層層間剪力曲線圖Fig.10 Curve diagram of storey shear of different conditions

圖11 不同工況下各層層間位移曲線圖Fig.11 Curve diagram of storey deformation of different conditions

由上述算例看出，在極低氣溫下，結(jié)構(gòu)的水平位移與層間位移減小，加速度與層間剪力增長較大?？梢姷蜏赜绊懥酥ё母黜?xiàng)力學(xué)基本性能，影響了隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果。在隔震設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮溫度的影響。

5 結(jié)論

通過對(duì)隔震結(jié)構(gòu)用鉛芯橡膠支座在極低溫度下的屈服荷載、屈服后剛度等力學(xué)性能的試驗(yàn)和算例分析，結(jié)果表明鉛芯橡膠支座在溫度－40℃至40℃范圍內(nèi)變化時(shí)，屈服后剛度、屈服荷載、等效阻尼比及等效剛度(γ=100%)都有不同的變化，特別是在－40℃的極低氣溫下，與正常氣溫相比，其力學(xué)性能指標(biāo)變化程度顯著。鉛芯橡膠支座基于溫度影響的力學(xué)性能變化范圍為:

(1)屈服荷載在測(cè)試溫度范圍內(nèi)的變化率為－46%～+13%;

(2)屈服后剛度在測(cè)試溫度范圍內(nèi)的變化率為－25%～+5%;

(3)等效阻尼比在測(cè)試溫度范圍內(nèi)的變化率為－14%～+7%;

(4)等效剛度在測(cè)試溫度范圍內(nèi)(γ=100%)的變化率為－30% ～+5%。

研究依據(jù)鉛芯橡膠支座溫度測(cè)試結(jié)果，提出了考慮極低溫度影響的溫度修正方程及我國不同區(qū)域隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的力學(xué)參數(shù)取值建議。文中考慮溫度影響的隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響算例分析結(jié)果表明溫度對(duì)強(qiáng)震下隔震結(jié)構(gòu)的隔震層位移、上部結(jié)構(gòu)層間剪力及上部結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)影響顯著，在對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算時(shí)宜增加考慮溫度影響后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)算，以確保隔震結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)的安全性。

致謝:本文研究得到了無錫圣豐建筑新材料有限公司的產(chǎn)品和試驗(yàn)支持，同時(shí)也得到了上海教委科研創(chuàng)新(11ZZ86)的資助，在此表示衷心的謝意。

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