0 引言

　　 近年来,隔震技术得到迅猛的发展,国内外学者研究了多种隔震体系,如滑动摩擦隔震体系、钢筋沥青隔震体系、摩擦摆隔震体系和橡胶隔震体系等 ^[1,2,3]。目前橡胶隔震体系应用最为广泛、技术最为成熟,其中常用的隔震装置有普通隔震橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座和高阻尼隔震橡胶支座等。普通隔震橡胶支座通常需要和阻尼器连接才能具有良好的隔震效果; 铅芯隔震橡胶支座隔震性能良好,但所使用的橡胶在低温条件下会迅速硬化,而铅芯在低周疲劳荷载作用下会发生剪切破坏,使支座的隔震性能大幅度降低,此外支座所含重金属铅也会造成严重的环境污染 ^[4,5]。

　　 高阻尼隔震橡胶支座主要通过改进橡胶配方,使橡胶本身材料的阻尼增加,从而提高支座整体阻尼比。高阻尼隔震橡胶支座的刚度依赖于变形大小,变形大时刚度小、变形小时刚度大。对于风荷载,支座初始的大刚度可以起到制动功能; 在地震作用下,刚度减小,可以实现更好的隔震效果。

　　 Burtscher ^[6]等对不同形式的高阻尼隔震橡胶支座进行了试验研究,分析了形状系数和钢板形式对支座性能的影响。Tsai ^[7]等对高阻尼隔震橡胶支座的剪切性能进行了试验研究,分析了剪应变和加载速率对支座剪切性能的影响。沈朝勇 ^[8]等对高阻尼隔震橡胶支座的水平剪切性能进行了试验研究,分析了剪应变、加载频率、反复加载次数、温度等对支座力学性能的影响。王建强 ^[9]等对高阻尼隔震橡胶支座的竖向刚度进行了试验研究,分析了支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响。陈彦江 ^[10]等对高阻尼隔震橡胶支座进行了竖向压缩和水平剪切试验研究,分析了竖向压应力、水平剪应变、加载频率及加载次数对支座滞回性能的影响。本文研究高阻尼隔震橡胶支座的竖向压缩性能、水平剪切性能、水平剪切相关性及极限剪切性能,并考虑设计规范及形状的不同对支座性能的影响。

1 试验概况

　　 本试验使用国内某厂家生产的高阻尼隔震橡胶支座,按构造分为Ⅱ型,即连接板与内部橡胶直接黏合,支座构造如图1所示。支座1～3号分别按照《橡胶支座 第2部分:桥梁隔震橡胶支座》(GB 20688.2—2006) ^[11](简称规范GB 20688.2—2006)和《橡胶支座 第3部分:建筑隔震橡胶支座》(GB 20688.3—2006) ^[12](简称规范GB 20688.3—2006)进行设计,支座参数如表1所示。试验加载设备为1 000t多功能电液伺服加载系统,如图2所示。试验方法采用《橡胶支座 第1部分:隔震橡胶支座试验方法》(GB 20688.1—2007) ^[13](简称规范GB 20688.1—2007)中推荐的加载方法,试验取第3次循环的结果计算结构的剪切性能。

　　 图1 高阻尼橡胶隔震支座示意图 

　　  

　　 图2 试验加载装置   

　　  

　　 高阻尼隔震橡胶支座基本参数 表1

支座 编号	直径 (边长) /mm	剪切 模量 G /MPa	第一 形状 系数 S1	第二 形状 系数 S2	支座 总高 /mm	钢板		橡胶
						层数	厚度 /mm	层数	厚度 /mm
1号	520	0.8	17.8	5.7	167	12	3	13	7
2号	460×460	0.8	11.1	5.7	141	7	3	8	10
3号	520	0.8	12.5	6.5	141	7	3	8	10

 

　　  

2 试验内容

2.1 竖向压缩性能试验

　　 对1～3号支座按照规范GB/T 20688.1—2007确定的方法加载:0-P₀-P₂-P₀-P₁(第1次加载),P₁-P₀-P₂-P₀-P₁(第2次加载),P₁-P₀-P₂-P₀-P₁(第3次加载); 其中,P₀为设计压力,P₁=0.7P₀,P₂=1.3P₀。试验所得竖向压缩曲线如图3,刚度计算值如表2所示。

　　 支座竖向刚度K_v按公式(1)进行计算:

　　 Kv=P2−P1Y2−Y1         (1)Κv=Ρ2-Ρ1Y2-Y1         (1)

　　 式中:P₁为第3次循环时的较小压力; P₂为第3次循环时的较大压力; Y₁为第3次循环时的较小位移; Y₂为第3次循环时的较大位移。

　　 支座竖向刚度/(kN/mm) 表2

支座编号	1号	2号	3号
理论值	1 561.21	1 138.62	1 293.21
试验值	1 750.52	1 350.52	1 470.96

 

　　  

　　 由图3可以看出,支座的竖向刚度随着竖向压力的增大而增大。由表2可以看出,圆形支座竖向刚度偏大,同时按照规范GB 20688.3—2006设计的支座竖向刚度较按规范GB 20688.2—2006设计的支座偏大。三种支座的竖向刚度试验值较理论值均偏大。

2.2 水平剪切性能试验

　　 对1～3号支座施加竖向压力至设计压力P₀,并保持不变,根据规范GB/T 20688.1—2007,考虑试验系统的精度,水平方向取0.025Hz的频率施加低周往复荷载至设计剪应变100%。支座水平等效刚度K_h、等效阻尼比h_eq分别按公式(2),(3)进行计算:

　　 Kh=Q2−Q1X2−X1         (2)heq=2ΔWπKh(X2−X1)2         (3)Κh=Q2-Q1X2-X1         (2)heq=2ΔWπΚh(X2-X1)2         (3)

　　 式中:Q₁为最大剪力; Q₂为最小剪力; X₁为最大位移,X₁=T_rγ; X₂为最小位移,X₂=T_r(-γ),其中,T_r为内部橡胶层总厚度,γ为剪应变; ΔW为滞回曲线的包络面积。

　　 水平剪切性能试验结果如图4所示,支座水平等效刚度、等效阻尼比计算值如表3所示。

　　 图3 支座竖向压缩曲线   

　　  

　　 图4 支座水平滞回曲线  

　　  

　　 支座水平等效刚度及等效阻尼比 表3

支座编号		1号	2号	3号
水平等效刚度 /(kN/mm)	理论值	2.32	2.64	2.64
	试验值	2.64	3.04	3.02
等效阻尼比/%		20.34	18.68	19.62

 

　　  

　　 由表3可看出:1)在同等压应力和剪应变条件下,按规范GB 20688.2—2006设计的支座水平等效刚度较大,而形状对此没有明显影响,且支座的水平等效刚度试验值均大于理论值,支座设计偏于安全。2)在耗能方面,圆形支座的耗能能力较方形支座大,且按规范GB 20688.3—2006设计的支座耗能能力较按规范GB 20688.2—2006设计的支座大。

2.3 水平剪切相关性试验

　　 水平剪切相关性试验主要研究不同剪应变、压应力、加载频率、加载次数及温度条件下支座隔震性能的变化。结合试验实际条件,本文仅就不同剪应变、压应力及加载次数条件下支座的隔震性能进行研究。

2.3.1 剪应变相关性试验

　　 剪应变相关性试验主要研究不同水平变形特性对支座水平等效刚度和等效阻尼比的影响。对1～3号支座施加竖向压力至设计压力P₀,并保持不变,水平方向以0.025Hz的频率施加低周往复荷载分别至剪应变50%,75%,100%,125%,150%。试验结果如图5所示,表4,5分别给出了不同剪应变条件下支座水平等效刚度和等效阻尼比。

　　 由图5可以看出,支座的剪应变越大,滞回曲线越饱满,表明支座的耗能能力随着剪切位移的增大而增大。由表4,5可知,支座水平等效刚度随着剪应变的增大先减小后增大,这是因为随着支座剪切位移的增加,支座核心受压面积减小使内部橡胶的约束变小,而当变形较大时,支座橡胶保护层与下封板的硫化增大了对临近下封板橡胶层的约束,从而使支座水平等效刚度有所增加。支座等效阻尼比随剪应变的增大而减小,这是由于支座剪切位移增加的幅度比滞回曲线面积增加的幅度更快 ^[14]。

　　 不同剪应变下支座水平等效刚度/(kN/mm) 表4

剪应变	1号	2号	3号
50%	3.06	3.36	3.18
75%	2.89	3.16	3.06
100%	2.65	3.04	3.04
125%	2.68	3.09	3.11
150%	2.79	3.17	3.16

 

　　  

　　 不同剪应变下支座等效阻尼比/% 表5

剪应变	1号	2号	3号
50%	20.34	18.68	19.62
75%	18.25	17.53	18.65
100%	16.74	15.84	16.72
125%	15.89	14.49	15.85
150%	15.12	13.64	15.21

 

　　  

2.3.2 压应力相关性试验

　　 压应力相关性试验主要研究不同压应力对支座水平等效刚度和等效阻尼比的影响。对1～3号支座分别采用6,12,18MPa的压应力,水平方向以0.025Hz的频率施加低周往复荷载至剪应变100%。试验结果如图6所示,表6,7分别给出了不同压应力条件下支座水平等效刚度和等效阻尼比。

　　 图5 不同剪应变下支座的 水平滞回曲线   

　　  

　　 图6 不同压应力下支座的 水平滞回曲线   

　　  

　　 不同压应力下支座水平等效刚度/(kN/mm) 表6

压应力/MPa	1号	2号	3号
6	2.52	2.98	2.90
12	2.65	3.04	3.04
18	2.85	3.16	3.14

 

　　  

　　 不同压应力下支座等效阻尼比/% 表7

压应力/MPa	1号	2号	3号
6	18.89	16.52	17.68
12	19.02	17.56	18.79
18	20.34	18.68	19.62

 

　　  

　　 由图6可以看出,支座的压应力越大,滞回曲线越趋于饱满。由表6,7可知,支座的等效刚度和等效阻尼比随着压应力的增大而增大,这是因为随着压应力的增大,支座橡胶材料中的石墨分子间的摩擦力变大,从而使得滞回曲线面积增大。

2.3.3 加载次数相关性试验

　　 加载次数相关性试验主要研究加载次数对支座水平等效刚度和等效阻尼比的影响。对1～3号支座采用12MPa的压应力,水平方向以0.025Hz的频率施加低周往复荷载至剪应变100%,试件进行50次循环加载,测定第1,3,5,10,30,50次循环的剪切性能。试验结果如图7所示,表8,9给出了不同加载次数时支座水平等效刚度和等效阻尼比。

　　 不同加载次数支座水平等效刚度/(kN/mm) 表8

加载次数	1号	2号	3号
第1次	2.78	3.15	3.14
第3次	2.67	3.08	3.06
第5次	2.65	3.05	3.04
第10次	2.61	3.01	3.01
第30次	2.58	2.99	2.98
第50次	2.53	2.96	2.97

 

　　  

　　 不同加载次数支座等效阻尼比/% 表9

加载次数	1号	2号	3号
第1次	19.12	17.68	18.87
第3次	19.07	17.62	18.81
第5次	19.05	17.58	18.79
第10次	19.04	17.56	18.77
第30次	19.02	17.55	18.76
第50次	19.01	17.54	18.74

 

　　  

　　 从表8,9可知,随着循环次数的增加,水平等效刚度逐渐降低,同时阻尼比也在下降。这是因为在循环加载时,支座内部温度升高导致橡胶有所软化,耗能能力降低,50次循环加载虽对支座力学性能造成影响,但仍在正常使用范围内。

2.4 极限剪切性能试验

　　 极限剪切性能试验是为测定支座在最大设计压力下的极限剪切能力。当剪切位移达到指定极限剪切位移时,若没有明显的破坏迹象,且剪力和位移的关系曲线单调增加,则可停止试验。试验过程中,缓慢施加竖向压力至P₀,水平方向以50mm/min的速率加载至极限剪应变300%。支座的极限剪切性能曲线见图8。

　　 图7 50次循环加载下 支座的水平滞回曲线   

　　  

　　 图8 支座的极限剪切 性能曲线   

　

　　 图9 极限加载后支座的外观形态   

　　  

　  

　　 由图8可以看出,支座的极限剪切性能曲线平稳光滑,没有出现明显的破坏状态。支座的橡胶保护层在极限剪切试验过程中发生了不同程度的破坏,如图9所示,尤其方形支座一角的橡胶保护层已经完全裂开,但是并未影响支座本身的性能,支座的极限剪切性能良好。

3 结论

　　 (1)在同等压应力和剪应变条件下,按规范GB 20688.2—2006设计的支座水平等效刚度较大,而形状对此没有明显影响,且支座的水平等效刚度试验值均大于理论值。在耗能方面,圆形支座的耗能能力较方形支座大。

　　 (2)随着支座剪应变的增大,支座的耗能能力变大; 支座的水平等效刚度先减小后增大; 支座的等效阻尼比减小。

　　 (3)随着支座压应力的增大,滞回曲线趋于饱满,支座的水平等效刚度变化并不明显,支座的等效阻尼比增大。

　　 (4)随着加载次数的增加,支座的水平等效刚度和等效阻尼比均有所减小,但不影响支座的正常使用。