橡膠隔震支座夾層橡膠墊豎向性能研究

劉 明 雨

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)主要目的是減震耗能，是在結(jié)構(gòu)某些位置附加一些隔震裝置，或是將結(jié)構(gòu)的支撐、連接件等裝置設(shè)置為隔震構(gòu)件，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，隔震裝置能夠通過自身運(yùn)動(dòng)周期或者位移來消耗一部分地震能量，減少傳入建筑上部結(jié)構(gòu)的地震能量，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，避免或者減少主體結(jié)構(gòu)的損傷，是一種很有效的減震措施，目前應(yīng)用也比較廣泛[1]。在這些消能減震裝置中會(huì)加橡膠隔震支座來提高隔震耗能能力，橡膠隔震支座夾層橡膠墊的豎向性能是主要影響因素。

1 基礎(chǔ)隔震支座的發(fā)展現(xiàn)狀

幾十年來，中國學(xué)者開始關(guān)注基礎(chǔ)隔震理論。李立教授[2]在1962年開展了隔震研究，并在20世紀(jì)70年代中后期采用礫石隔離技術(shù)建造了幾座采用礫石隔離技術(shù)的磚混結(jié)構(gòu)房屋。1992年，在河南安陽唐家祥教授、李黎教授等建成一座綜合樓,隔震方案是使用無粘結(jié)疊層橡膠支座。廣州大學(xué)周福霖在云南等地，已經(jīng)將隔震橡膠隔震支座用于基礎(chǔ)或柱底部隔震裝置中。建安研究院和西安城市建設(shè)開發(fā)總公司地震研究所也對(duì)摩擦滑移隔震技術(shù)進(jìn)行了研究。在技術(shù)成熟之后，西安已經(jīng)建立了幾個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目[3-7]。

2 剛度定義

剛度是指該構(gòu)件或材料受到豎向力作用時(shí)在沒有發(fā)生水平變形的承載能力。橡膠墊承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，橡膠墊需滿足上部結(jié)構(gòu)承載能力的要求。疊層橡膠墊具有較大的軸向承載能力，這是設(shè)計(jì)或選擇夾層橡膠墊的關(guān)鍵考慮因素之一。豎向剛度是橡膠墊在豎向壓力作用下發(fā)生豎向位移所施加的力。剛度是結(jié)構(gòu)或材料在彈性范圍內(nèi)與變形和力之間的關(guān)系，即是單元變形條件下所需的力，如圖1所示，即：

其中，Kv為夾層橡膠墊垂直剛度，N/mm;P為夾層橡膠墊受到的垂直壓力，N;δv為夾層橡膠墊垂直壓縮變形，mm。

影響夾層橡膠墊豎向剛度Kv的因素有如下幾種：

橡膠本身材料性能：軟質(zhì)材料的橡膠豎向剛度相應(yīng)的較弱，反之硬性材料的橡膠豎向剛度越大；豎向軸壓應(yīng)力大小的影響：當(dāng)豎向作用力在橡膠材料承載范圍內(nèi)得到的剛性就是有效的；水平剪切力的影響：橡膠材料在沒有水平剪切力和變形的情況下時(shí)，該橡膠材料的豎向承載力較大，因此在材料允許的范圍內(nèi)承受的豎向力越大其豎向剛度越大。夾層橡膠墊的形狀系數(shù)的影響：第一形狀因子S1是指每個(gè)橡膠的有效承受荷載的面積與橡膠的自由表面面積之比。即：第一形狀因子S1(式(2))代表鋼板對(duì)橡膠層的約束能力，當(dāng)S1值越大，鋼板對(duì)橡膠層的約束能力越強(qiáng)，整體橡膠墊的承載能力越大，垂直剛度越大。一般來講，當(dāng)S1數(shù)值大于15時(shí)，橡膠墊的極限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到100 MPa～120 MPa。第二形狀因子S2(式(3))被定義為橡膠軸承的有效直徑與橡膠總厚度之比。第二，形狀因子S2表示橡膠墊壓力材料的縱橫比，這反映了橡膠墊在受壓時(shí)的穩(wěn)定性。也就是說，當(dāng)橡膠墊越厚時(shí)，其受壓縮的時(shí)候穩(wěn)定性越好，臨界狀態(tài)時(shí)受到的載荷越大。但是，形狀系數(shù)S2越大，即受壓斷面的直徑與厚度的比值越大夾層橡膠墊的水平剛度越大，水平極限變形能力越低。所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及研究現(xiàn)狀一般取S2=3～6[8]。

夾層橡膠墊的豎向剛度是指橡膠墊在豎向壓力下垂直位移所產(chǎn)生的垂直力，記錄為Kv。

3 夾層橡膠墊豎向剛度的確定

3.1 試驗(yàn)方法

1)擬動(dòng)力試驗(yàn)：是模擬動(dòng)力做的試驗(yàn)，讓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受到模擬地震作用的慣性力，在這兩種加載環(huán)境下：非線性力學(xué)特性與實(shí)際結(jié)構(gòu)下使結(jié)構(gòu)受力過程相一致。但這種試驗(yàn)是用靜載荷代替振動(dòng)進(jìn)行的，因此稱為擬動(dòng)力試驗(yàn)。這種試驗(yàn)解決了很多大型振動(dòng)試驗(yàn)的難題。

2)擬靜力試驗(yàn)：對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行靜力試驗(yàn)，一種低周反復(fù)荷載法，在試驗(yàn)中需要控制結(jié)構(gòu)的位移值或荷載值，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在正、負(fù)兩個(gè)方向上重復(fù)卸載。模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力過程。它通常用來測(cè)量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限承載力和疲勞程度。在實(shí)際工程中，隔震橡膠墊層的應(yīng)用十分廣泛，必須對(duì)使用的隔震橡膠墊層進(jìn)行足尺試驗(yàn)來驗(yàn)證該墊層的豎向剛度是否滿足要求，并將測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。如圖2所示，該試驗(yàn)方法是對(duì)隔層橡膠墊施加壓力，施加壓力直至設(shè)計(jì)荷載P0，對(duì)該橡膠墊進(jìn)行往復(fù)豎向加載來獲得荷載—位移曲線，并通過壓力機(jī)式(5)計(jì)算豎向剛度。

其中，P1,P2均為壓縮荷載的豎向壓力；δ1,δ2分別為P1，P2相對(duì)應(yīng)的壓縮變形量。

3.2 試驗(yàn)數(shù)值的確定

3.2.1實(shí)際加載值Pv

影響隔震摩擦擺疊層橡膠墊極限承載力的因素可分為：夾層板極限抗拉強(qiáng)度和鋼板厚度，當(dāng)夾層板極限抗拉強(qiáng)度越高，則疊層橡膠墊的極限承載能力越大；鋼板的厚度越大，層壓橡膠墊的承載能力越大。夾層橡膠墊的第一形狀因子S1越大，軸心抗壓承載力越大。當(dāng)S2>3，橡膠硬度為40～60，疊層橡膠墊的最終平均軸向應(yīng)力近似計(jì)算公式如式(6)所示：

其中，σvmax為夾層橡膠墊極限平均軸壓應(yīng)力，MPa；Pvmax為夾層橡膠墊極限軸壓承載力，N；A為夾層橡膠墊有效受壓面積，mm2；y為夾層鋼板抗拉極限屈服強(qiáng)度，MPa；ts為夾層鋼板厚度，mm；tr為夾層橡膠厚度，mm；S1為夾層橡膠第一形狀系數(shù)。

3.2.2設(shè)計(jì)值

疊層豎向剛度Kv主要是為了保證結(jié)構(gòu)上部體系在正常荷載作用下不會(huì)出現(xiàn)較大的豎向變形。隔震結(jié)構(gòu)豎向自振周期應(yīng)避免與地震產(chǎn)生共振。

4 結(jié)語

從目前各國耗能減震應(yīng)用情況看，隔震阻尼器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)當(dāng)中，對(duì)這橡膠隔震支座的豎向力學(xué)性能以及對(duì)減震耗能的影響因素等方面進(jìn)行了研究，并表現(xiàn)出良好的隔震性能；現(xiàn)階段對(duì)橡膠隔震支座夾層橡膠墊的力學(xué)性能還不夠深入，將橡膠隔震支座應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)中的研究處于初步階段，對(duì)隔震支座豎向剛度、水平剛度及質(zhì)量比等參數(shù)以及隔震裝置在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還有待各位學(xué)者進(jìn)一步研究。