高阻尼厚層橡膠支座力學(xué)性能試驗研究

祖萍萍，張 巍，雷亞輝，顧鎮(zhèn)媛，袁小軍，孫 昊

（1.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210033；3.西安三好軟件技術(shù)股份有限公司，陜西 西安 710018；4.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；5.淮安新業(yè)電力建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223021）

0 引言

目前，橡膠隔震體系在基礎(chǔ)隔震技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟。高阻尼橡膠支座滿足社會對隔震支座的高性能需求［1，2］，同時具備構(gòu)造簡單、力學(xué)性能穩(wěn)定、耗能能力強、屈服前剛度大、環(huán)保有利等優(yōu)點，成為隔震支座的優(yōu)良之選。與普通橡膠支座相比，高阻尼橡膠支座具有較高的等效阻尼比［3，4］，目前可做到 20 % 甚至更高，且因為無需搭配阻尼器使用，可以節(jié)省安裝空間。與鉛芯橡膠支座相比，高阻尼橡膠支座更加環(huán)保，另外后者屈服前剛度更大，對結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載制動效果更好；當(dāng)?shù)卣鹱饔糜诮Y(jié)構(gòu)時，高阻尼橡膠支座產(chǎn)生較大變形，剛度減小，可以實現(xiàn)更好的隔震效果。

普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座及高阻尼橡膠支座一般均為水平隔震支座，一般可降低結(jié)構(gòu)水平地震加速度反應(yīng)的 60 % 左右，但不能有效降低甚至?xí)糯笃湄Q向地震作用。而國內(nèi)外近年發(fā)生的（特）大地震表明，高烈度區(qū)、尤其在近斷層附近地震區(qū)產(chǎn)生了較強的豎向地震動，甚至可能超過水平地震作用分量。隔震建筑降低水平地震作用后，峰值較高的豎向地震動便成為結(jié)構(gòu)破壞的主要誘因。因此，豎向隔震技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題［5］，相對于水平隔震技術(shù)，豎向隔震技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。國內(nèi)外學(xué)者提出并研制了一些裝置，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的豎向或三維隔震［6-9］。但現(xiàn)存裝置有些造型較復(fù)雜難加工，且價格昂貴；有些還需額外的豎向附加阻尼器，加大了支座的豎向剛度，不利于豎向隔震。

厚層橡膠支座是重要的豎向隔震形式之一［10-12］。與普通橡膠支座相比，厚層橡膠支座橡膠層厚度明顯增大，一般后者為前者的 4～6 倍。厚層橡膠支座豎向剛度小，可有效延長結(jié)構(gòu)豎向周期。綜合高阻尼橡膠材料支座和厚層橡膠支座的優(yōu)點，本文設(shè)計了高阻尼厚層橡膠支座，研究支座的基本力學(xué)性能特點，并基于試驗結(jié)果提出了關(guān)于高阻尼厚層橡膠支座豎向剛度的理論公式修正。

1 支座力學(xué)性能理論

根據(jù)橡膠支座國家標(biāo)準(zhǔn)［13］，支座第一形狀系數(shù) S1 等于橡膠層有效承壓面及其內(nèi)部所開孔洞直徑的差值除以 4 倍的單層橡膠厚度，其值越大支座的豎向剛度越大，表明鋼板對橡膠的約束程度越強，承載能力越大；支座第二形狀系數(shù) S2 等于橡膠層有效承壓面積的直徑除以橡膠層總厚度，其值越大表明支座水平剛度越大、穩(wěn)定性越好。

在豎向壓縮荷載作用下，普通橡膠支座橡膠層受到鋼板的約束，因此豎向變形較小，記單層橡膠的壓縮剛度為kc，則支座豎向剛度見式（1）。

其中：tr、n分別為內(nèi)部單層橡膠厚度和橡膠總層數(shù)；A為橡膠有效承載面積；Ecb為修正的表觀彈性常數(shù)，與橡膠的體積彈性模量Eb（可參考英國標(biāo)準(zhǔn)和文獻［14］取值）和表觀彈性模量Ec相關(guān)，計算公式見式（2）。

橡膠隔震支座的水平剛度KH可按 Haringx 理論［15］計算，見式（3）。

式中：W d為剪力-位移滯回曲線的包絡(luò)面積，通過試驗確定取值。

2 壓縮性能和剪切性能試驗

2.1 試驗概況

本次試驗試件采用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的高阻尼厚層橡膠支座，試驗所用的多功能電液伺服加載系統(tǒng)及支座構(gòu)造如圖 1、圖 2 所示。支座所用高阻尼橡膠材料配比為 50 %，硬度為 56 度，剪切模量G為 0.64 MPa；鋼板均采用 Q235，支座參數(shù)如表 1 所示。

2.2 豎向壓縮性能試驗

表1 高阻尼厚層橡膠支座基本參數(shù)

圖1 試驗加載裝置

圖2 高阻尼厚層橡膠支座模型（單位：mm）

在 0.01、0.02、0.05 Hz 和 0.1 Hz 這四種加載頻率下，對高阻尼厚層橡膠支座進行了不同預(yù)壓力、不同豎向壓力下的豎向壓縮性能試驗。在P±0.3P范圍內(nèi)對支座的每個工況進行 4 個循環(huán)的加載卸載，加載 2 模式如圖 3 所示。

圖3 豎向壓縮性能試驗加載模式圖

在 4 種加載頻率下，對高阻尼厚層橡膠支座分別施加 2 900、3 400、3 700 kN 的豎向壓力，得到的荷載-位移曲線如圖 4 所示?？梢钥闯觯咦枘岷駥酉鹉z支座的豎向壓縮位移隨著豎向壓力的增加而增加；加載頻率較低時，加載頻率對支座豎向壓縮位移的影響很小，而較高的加載頻率（0.1 Hz）對支座的豎向壓縮位移影響較大，導(dǎo)致不同豎向壓力下支座的豎向壓縮位移明顯增大或者減小。

圖4 無預(yù)壓力下豎向壓縮荷載-位移曲線

當(dāng)加載頻率為 0.1 Hz、豎向壓力P為 3 400 kN 時，對高阻尼厚層橡膠支座分別施加 1 700、2 040、2 720 kN 的預(yù)壓力，相應(yīng)的加載幅值分別為 1 700、1 360、680 kN，得到的豎向滯回曲線如圖 5 示。從圖 5 中可以看出，隨著預(yù)壓力的增大，高阻尼厚層橡膠支座豎向滯回曲線趨于飽滿，但這一現(xiàn)象不夠明顯；當(dāng)預(yù)壓力較大（2 720 kN）時，支座滯回曲線振蕩明顯。

圖5 不同預(yù)壓力下豎向壓縮荷載-位移曲線

高阻尼厚層橡膠支座在不同加載頻率下、不同預(yù)壓力、不同豎向壓力下的豎向壓縮荷載-位移曲線循環(huán)的第 3 次結(jié)果，豎向剛度見式（7）。

式中：P1、P2為第 3 次循環(huán)時的較小壓力、較大壓力，分別取 1.3P和 0.7P；Y1、Y2為第 3 次循環(huán)時的較小位移、較大位移。

在無預(yù)應(yīng)力試驗工況下，高阻尼厚層橡膠支座豎向剛度的計算結(jié)果如表 2 所示。從表 2 中可以看出：在加載頻率相同的情況下，支座的豎向剛度隨著豎向壓力的增大而增大，這是由于高阻尼厚層橡膠支座鋼板的約束作用增大，橡膠在三向受壓的狀態(tài)下壓縮模量隨之增大。支座豎向剛度隨著加載頻率的增大而增大，與加載頻率 0.01 Hz 情況下相比，加載頻率為 0.02 Hz 時，不同豎向壓力下支座豎向剛度增大了 1.3 %～3.3 %；加載頻率為 0.05 Hz 時，支座豎向剛度增大了 8.1%～9.2 %；當(dāng)加載頻率較高（0.1 H z）時，支座豎向剛度增大了 18.2 %～21.9 %。

表2 無預(yù)壓力情況下支座豎向剛度 kN/mm

表 3 列出了有預(yù)壓力（總豎向壓力為 2 900 kN）情況下支座的豎向剛度。從表 3 可以看出預(yù)壓力對高阻尼厚層橡膠支座的豎向剛度影響較大，而隨著預(yù)壓力的增大，支座的豎向剛度也隨之增大，甚至出現(xiàn)超過無預(yù)壓情況下支座豎向剛度的現(xiàn)象。

表3 有預(yù)壓力情況下支座豎向剛度 kN/mm

計算不同工況下支座豎向剛度的理論值，表 4 僅列出加載頻率為 0.1 Hz、無預(yù)壓情況下支座的豎向剛度計算結(jié)果對比。

表4 支座豎向剛度理論值與試驗值對比

2.3 支座水平剪切性能試驗

在 3 400 kN 的恒定軸向豎向壓力下，施加剪應(yīng)變γ=100 % 的剪切位移測定高阻尼厚層橡膠支座的剪切性能，加載頻率為 0.01 Hz 和 0.008 2 Hz。試驗進行 4 次加載循環(huán)，得到的荷載-位移曲線如圖 6 所示。從圖 6 中可以看出，滯回曲線飽滿，呈月牙形，且水平加載頻率較小時，支座在多圈加載下狀態(tài)更加穩(wěn)定。

圖6 水平荷載-位移曲線

記Q1、Q2為支座受到最大剪力、最小剪力，X1、X2為支座受到最大正向位移、最大負向位移。取第3次循環(huán)的測試值，按照式（8）計算支座的水平等效剛度，按式（6）計算支座的等效阻尼比。支座水平等效剛度及等效阻尼比如表 5 所示。

由表 5 可知，高阻尼厚層橡膠支座水平等效剛度、水平等效阻尼比的試驗值均小于理論計算值，且誤差均＜20 %，因此支座設(shè)計滿足規(guī)范要求。支座水平等效剛度受到加載頻率的影響，頻率越低，水平等效剛度越小，支座的等效阻尼比均在 9 % 左右，具有良好的耗能能力。

表5 支座水平等效剛度和等效阻尼比

2.4 支座剪切性能相關(guān)試驗

2.4.1 剪應(yīng)變相關(guān)性試驗

試驗中，豎向緩慢、連續(xù)施加壓力至 3 400 kN，并保持壓力值不變，測定 0.01 Hz 和 0.008 2 Hz 頻率下，剪應(yīng)變分別為 25 %、50 %、75 %、100 %時支座的水平等效剛度和等效阻尼比，支座的水平荷載-位移曲線如圖 7 所示，可以看出，加載頻率越大，支座的水平滯回曲線越飽滿。

圖7 不同剪應(yīng)變下水平荷載-位移曲線

不同剪應(yīng)變下，支座耗能的試驗結(jié)果如圖 8 所示，支座的等效阻尼比和水平等效剛度按式（6）和式（8）進行計算，結(jié)果如圖 9 和圖 10 所示。

由圖 8～圖 10 可知，支座的水平耗能隨著剪應(yīng)變的增大而隨之增大，加載頻率僅在剪應(yīng)變較大（γ=100 %）時對支座的水平耗能有影響，且影響較小。支座的水平等效剛度試驗值隨著剪應(yīng)變的增大先降低后增大，當(dāng)剪應(yīng)變較小時，等效剛度較大，當(dāng)剪應(yīng)變較大時（50 %<γ<75 %），等效剛度較小，而當(dāng)?shù)刃偠壤^續(xù)加大時（γ=100 %），等效剛度又緩慢增大。支座的等效阻尼比則隨著剪應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖8 不同剪應(yīng)變下支座的水平耗能（kN·mm）

圖9 不同剪應(yīng)變下支座水平等效剛度（kN/mm）

圖10 不同剪應(yīng)變下支座等效阻尼比（%）

2.4.2 豎向壓力相關(guān)性試驗

在 0.01 Hz 加載頻率和 100 % 剪應(yīng)變下，對支座分別施加 3 400、4 250、5 100 kN 的豎向壓力，試驗得到支座的水平滯回曲線如圖 11 所示。

不同壓力下支座的水平等效剛度和水平等效阻尼比的試驗計算結(jié)果如表 6 所示。由圖表可知，豎向壓力越大，支座的水平滯回曲線越飽滿。支座的水平等效剛度隨著豎向壓力的增加先增大后減小，而水平等效阻尼比隨著豎向壓力的增大而增大，這是因為較大的豎向壓力讓橡膠層的三向應(yīng)力值提高，當(dāng)承受水平變形時，橡膠的非彈性更加明顯，導(dǎo)致橡膠的等效阻尼比變大。

表6 不同豎向壓力下支座水平等效剛度和等效阻尼比

圖11 支座豎向滯回曲線

3 豎向剛度修正

由表 4 可以看出，高阻尼厚層橡膠支座的豎向剛度試驗值均比理論值偏大，這是因為，當(dāng)橡膠總厚度相同時，普通薄層橡膠支座在壓力作用下，橡膠受到鋼板的約束作用明顯，支座的豎向剛度較大；而厚層橡膠支座的單層橡膠厚度較大，鋼板對橡膠的約束作用有限，橡膠產(chǎn)生較大的橫向變形，其豎向剛度較小。高阻尼厚層橡膠支座的豎向剛度試驗值與按規(guī)范計算的理論值誤差太大，已經(jīng)不能適應(yīng)工程設(shè)計的要求，因此有必要對理論值進行修正。

經(jīng)研究，支座豎向剛度的試驗值與理論值誤差與壓應(yīng)力和支座的S1有關(guān)，對理論公式進行修正，修正公式參照文獻［18］見式（9）、式（10）。

式中：C為修正系數(shù)，可通過試驗擬合得到；σ0為設(shè)計壓力。

得到支座豎向剛度理論修正值，與試驗值對比結(jié)果如表 7 所示。支座豎向剛度試驗值及修正值隨壓力變化的情況如圖 12 所示。由圖表可以看出，修正之后的豎向剛度均略小于試驗值，與試驗值誤差均＜25 %，修正方法基本可行；豎向壓力越小，支座豎向剛度的修正值與試驗值誤差越小。

表7 支座豎向剛度理論修正值與試驗值對比

圖12 支座豎向剛度修正值與理論值的誤差對比

4 結(jié)論

通過試驗研究，分析了豎向壓力、預(yù)壓力、剪應(yīng)變、加載頻率對高阻尼厚層橡膠支座力學(xué)性能的影響，主要得到以下結(jié)論。

1）豎向和水平剪切荷載作用下，支座的滯回曲線飽滿，表明支座耗能性能良好且穩(wěn)定。

2）支座的豎向剛度隨著豎向壓力、預(yù)壓力、加載頻率的增大而增大，且加載頻率較高時對支座豎向剛度的影響更大，剛度增加幅度在 20 % 左右。

3）支座的水平等效剛度隨著剪應(yīng)變的增大先降低后增大，等效阻尼比則隨著剪應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。支座的水平力學(xué)性能受加載頻率的影響較小，不同加載頻率下的差距在 5 % 以內(nèi)。隨著豎向壓力的增大，支座耗能能力增大。

4）支座的豎向剛度試驗值與理論值誤差太大，已經(jīng)不能適應(yīng)工程設(shè)計的要求，對理論值進行了修正，修正之后的豎向剛度均略小于試驗值，與試驗值誤差均＜25 %，修正方法基本可行。Q