淺談橡膠隔震支座力學(xué)性能

吳子瀛

蘇交科集團(tuán)股份有限公司 地下空間與建筑所 江蘇 南京 211100

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)往往通過(guò)增加自身強(qiáng)度和變形來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，在地震時(shí)依靠自身的塑形變形以抵御地震作用，最終以結(jié)構(gòu)和設(shè)備的破壞來(lái)吸收能量。在強(qiáng)震作用下，這種“殺敵一千，自損八百”的方式雖然能夠滿足“三階段，兩水準(zhǔn)”的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但是震后維修的費(fèi)用將是巨大的。尤其是對(duì)于生命線工程，因?yàn)樵O(shè)備損壞而造成建筑物不能正常運(yùn)行所帶來(lái)的損失也是不容樂(lè)觀。對(duì)此，區(qū)別于傳統(tǒng)的“硬抗”，通過(guò)阻止地震作用向上部結(jié)構(gòu)傳遞的隔震技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，由于具有概念明確、效果明顯、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，目前已經(jīng)愈發(fā)廣泛地在工程中得到運(yùn)用。

1 橡膠墊隔震支座的種類

目前，隔震支座從組成上主要分為四大類： 橡膠隔震支座、滑動(dòng)隔震支座、復(fù)合型隔震支座和其他隔震支座。其中，橡膠隔震支座應(yīng)用最為廣泛。這是一種由多層橡膠和多層鋼板或其他材料交替疊置結(jié)合而成的隔震裝置，可按中孔是否有插芯分為普通型和有芯型兩種。其中，無(wú)芯型一般是指疊層橡膠支座，有芯型一般是指鉛鋅橡膠支座。此外，為了能夠更好地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，還有高阻尼橡膠隔震支座。

2 橡膠墊隔震支座的力學(xué)性能

2.1 豎向性能

在地震發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，水平地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞起決定性作用，因此，近年來(lái)水平隔震技術(shù)的研究和應(yīng)用日趨廣泛，新的隔震體系不斷得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。相對(duì)于水平隔震技術(shù)，豎向隔震的發(fā)展相對(duì)緩慢。但是在近幾十年的地震中，研究人員觀察發(fā)現(xiàn)在震中和發(fā)震斷層附近產(chǎn)生較強(qiáng)的豎向地震動(dòng)，其中一些豎向地震動(dòng)的加速度峰值超過(guò)水平地震動(dòng)。此外，在高層建筑隔震中，傾覆效應(yīng)使得隔震支座軸力變化大，而且存在進(jìn)入拉伸狀態(tài)的可能性。因此，研究隔震支座豎向力學(xué)性能顯得尤為重要。

2.1.1 豎向極限壓應(yīng)力

最新抗震規(guī)范規(guī)定了橡膠隔震支座的設(shè)計(jì)壓應(yīng)力取值，即根據(jù)Haringx彈性理論，按穩(wěn)定要求，以壓縮荷載下疊層水平剛度為零的壓應(yīng)力作為屈服應(yīng)力σcr，該值取決于橡膠硬度、鋼板厚度與橡膠厚度的比值、第一形狀系數(shù)S1（橡膠支座中各層橡膠的有效承壓面積與其自由表面積之比）、第二形狀系數(shù)（橡膠支座有效承壓體的直徑與橡膠總厚度之比）有關(guān)?？蒲腥藛T通過(guò)對(duì)不同形狀系數(shù)，不同硬度的橡膠支座進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最小的屈服應(yīng)力值為34N/mm2?？紤]在地震作用下發(fā)生剪切變形，取容許變形為0.55倍的支座直徑，則丙類建筑壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值為文獻(xiàn)中也提到橡膠隔震支座的設(shè)計(jì)壓應(yīng)力通常取。若第二形狀系數(shù)減小或者建筑物的重要性增加，則最大壓應(yīng)力限值將適當(dāng)減小。

2.1.2 豎向剛度

劉文光提出了利用剛度因子簡(jiǎn)化表達(dá)式計(jì)算橡膠支座豎向剛度，并且適用于疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座。隨著第一形狀系數(shù)和剪切模量的增加，支座豎向剛度將會(huì)增大，并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值非常接近。此外，還進(jìn)行了在剪切變形下豎向剛度的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著剪切應(yīng)變的增加，豎向剛度將會(huì)減小。因此該文章建議：在全面評(píng)價(jià)橡膠隔震支座特性,以及在進(jìn)行橡膠隔震支座產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，除進(jìn)行零剪切變形的豎向剛度試驗(yàn)外，宜增加剪切變形100%、200%和300%時(shí)的豎向剛度特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前在橡膠隔震支座的相關(guān)參數(shù)中，會(huì)專門(mén)說(shuō)明在達(dá)到一定剪切變形下的剛度和阻尼比。

2.1.3 拉伸性能

高層建筑高寬比較大，在地震時(shí)傾覆效應(yīng)顯著，易使隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力，而普遍使用的疊層橡膠支座抗拉能力不強(qiáng)，在受拉后橡膠內(nèi)部會(huì)有損傷，從而降低了彈性性能。朱宏平等也指出，目前在高層建筑隔震中存在的一大疑點(diǎn)就是隔震支座的抗拉性能是否滿足要求。最新的抗震規(guī)范中規(guī)定了隔震支座拉應(yīng)比起文獻(xiàn)中建議的拉應(yīng)力更為嚴(yán)格，可見(jiàn)在設(shè)計(jì)隔震建筑尤其是高層建筑時(shí)要特別關(guān)注隔震支座的受拉問(wèn)題。

2.2 水平性能

橡膠隔震支座的水平性能包括水平剛度和阻尼比。結(jié)合隔震結(jié)構(gòu)的原理，隔震支座的水平剛度越小，自振周期越大，隔震效果就越好，從而使上部結(jié)構(gòu)的反應(yīng)減小。而隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下隔震層的位移較大，容易產(chǎn)生傾覆力，該傾覆力會(huì)使支座的豎向荷載不斷變化，最終有可能導(dǎo)致支座壓屈。因此，進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的抗震分析時(shí)需要考慮耦聯(lián)效應(yīng)，這也是研究橡膠支座水平性能以及建立力學(xué)模型時(shí)的一大困難。對(duì)此，研究人員通過(guò)控制豎向承載力和剪應(yīng)變對(duì)不同類型橡膠隔震支座的水平性能進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.3 耐久性

建筑物的使用壽命一般大于50年，在漫長(zhǎng)的使用期內(nèi)，橡膠材料因受到溫度、空氣及水分等因素的影響而發(fā)生表面硬化、軟化、裂紋等老化現(xiàn)象從而改變橡膠支座的力學(xué)性能。目前對(duì)橡膠支座耐久性的研究主要是對(duì)橡膠老化后以及在溫度變化情況下力學(xué)性能的測(cè)試。試驗(yàn)的方法主要通過(guò)劣化試驗(yàn)中的人工加速劣化，即：使試樣在常壓和規(guī)定的熱空氣作用下,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后側(cè)定其物理機(jī)械性能的變化，其理論依據(jù)為WISE等用 Arrhenius 理論建立的在熱老化條件下加速老化與實(shí)際老化速度之間的關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)外大多采用該方法預(yù)測(cè)橡膠壽命。最新抗震規(guī)范對(duì)于隔震支座力學(xué)性能測(cè)試所允許的設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值之間的偏差為20%。

3 小結(jié)

本文簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽四壳皣?guó)內(nèi)外對(duì)于隔震支座力學(xué)性能的研究成果，隨著近幾年地震的頻繁發(fā)生，隔震技術(shù)將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。