极低温度下LRB力学性能及对高层结构地震响应的影响

刘文光，秦皇婷，何文福，冯德民，王惠强

(1.上海大学 土木工程系，上海 200072;2.藤田技术中心 厚木，214－0125;3.无锡圣丰减震器厂，无锡 214199)

我国幅员辽阔，南北距离远，地理因素十分复杂。由于处于太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震频发。为抵御地震灾害，隔震建筑得到了较多应用，其原理是通过隔震支座将基础与上部结构隔开，从而达到避免或减少地震能量向上部结构传输的目的。在众多的隔震支座中，橡胶隔震支座由于其在价格、安装和力学性能方面的优势而得到了较多的应用，自1994年起，我国开始应用橡胶隔震支座，对其力学性能等有许多研究［1－3］。但是由于地域特点，与其它处在相同纬度的地区相比，我国的这些地区冬季的雨雪冰冻、积冰积雪现象严重的多。为使支座在不同温度下能稳定工作，研究支座温度的相关性是必要的。庄学真等［4］对大直径建筑叠层橡胶做了温度相关性的研究，得出了温度对叠层橡胶隔震支座的竖向刚度、水平刚度和屈服力具有一定影响的结论。刘文光等［5－7］对橡胶支座的温度性能做了研究，提出了支座屈服后刚度及屈服荷载的温度修正方程和设计建议;李慧等［8］对叠层橡胶支座做了低温往复试验，指出在低温环境下叠层橡胶隔震支座阻尼比略有降低;尹维祥［9］研究了橡胶支座在低温环境下的变化规律。Itoh［10］对天然橡胶支座温度变化等条件下的衰老特性进行了研究，选择在60℃、70℃及80℃等高温范围。杜永峰等［11］对叠层橡胶支座分别在－20℃、－35℃、－50℃的低温下进行了压剪组合状态下的往复试验。

虽然这些文献都对橡胶支座的温度相关性做了一些研究，但是一般都是在－20℃ ～40℃或较高温度的范围内做的研究，而对于极低气温环境下橡胶隔震支座力学性能的研究却很少见。规范［12］中也仅列出了在最低气温为－20℃的试验条件下的温度相关性的试验方法，但是在北方地区冬季十分寒冷，哈尔滨冬季均温在－30℃左右，全国的极端最低气温达到了－51.5℃，因此规范给定的隔震支座力学性能的温度变化范围显然不适合北方低温地区应用隔震技术的需要。本文对铅芯橡胶支座在 40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、－20℃、－40℃条件下进行力学性能试验研究，探究在极低气温下支座力学性能的变化。

1 试验试件

为研究不同规格铅芯橡胶支座在不同温度下的力学性能，试验采用直径为600 mm的三组试件，分别用G1、G2和G3表示三个不同的铅芯橡胶支座，第1、第2形状系数分别为30、5，三个试件的详细规格参见表1。加载装置采用液压伺服加载设备。

表1 隔震支座详细规格Tab.1 Detailed specification of LRB

2 试验工况

试验研究工况包括:竖向加载、水平位移、循环次数及温度变化等。具体研究为在竖向压应力3000 kN、剪切应变 ±100%、温度变化范围 －40℃ ～40℃情况下铅芯橡胶支座力学性能的温度相关性，如表2。

表2 温度相关性研究的试验工况Tab.2 Test conditions of the temperature correlation

3 试验测试结果

3.1 基本力学性能

基本力学性能主要包括:试件的屈服后刚度、等效刚度、屈服荷载及等效阻尼比值。各试件的基本力学性能试验结果如表3所示。从表中可知，屈服后刚度的变化范围在4.5%以内，等效刚度的变化范围在20%以内，屈服荷载的变化范围在3.5%以内，等效阻尼比的变化范围在3.5%以内，由此看出，三种试件都具有相近的力学性能。

表3 试件基本力学性能Tab.3 Basic mechanical properties of test specimens

3.2 温度相关性

图1为不同温度下试件的屈服后刚度、屈服荷载、等效阻尼比及剪切变形等效刚度的试验结果。结果显示，温度对支座的屈服后刚度、屈服荷载影响明显。在－40℃的情况下，三个支座的屈服后刚度与20℃的值相比上升了24.73%，屈服荷载与20℃的值相比平均提高了42.97%，等效阻尼比与20℃的值相比平均提高了13.07%，等效刚度提高了30.49%。

图1 温度相关性试验结果Fig.1 Test results of the temperature correlation

文献［7］中温度对隔震支座屈服刚度及屈服荷载的影响采用指数函数近似表示如下:

屈服荷载:

屈服后刚度:

式中:T为试验温度(℃)，T0为常温20℃。

从图1看出，文献［7］中屈服后刚度与屈服荷载在常温及较高温度情况下与实验值较符合，在低温，尤其在－40℃极低温度条件下与实验值相差较大，达19.88%与15.05%。为更好地描述极低温度下温度对支座屈服后刚度和屈服荷载的影响，本研究基于试验测试结果经回归后提出以下函数反映其性能变化:

屈服荷载:

屈服后刚度:

图2为支座在剪切变形100%时的屈服后刚度、屈服荷载与温度关系的试验曲线及设计值曲线。图2(a)为支座在剪切变形100%时屈服荷载与设计值的对比，从图中看出其总体的发展趋势是一致的，经过重新拟合修正后，与设计值比较:在 －40℃时相差2.41%，－20℃时相差3.83%，40℃时相差 －1.48%。图2(b)为支座在剪切变形100%时的屈服后荷载与设计值的对比情况:－40℃ 时相差 －0.10%，－20℃ 时相差1.67%，40℃时相差 －0.28%。

图2 屈服后刚度和屈服荷载与温度关系曲线Fig.2 Relation curve of stiffness after yielding and temperature and relation curve of yield force and temperature

图3为不同温度下剪切变形与水平力的关系曲线，曲线中显示温度对屈服力、耗能能力均影响显著。

图3 水平力与水平位移滞回曲线Fig.3 Herstersis loop of horizontal force and displacement

4 设计取值建议及算例分析

4.1 设计取值建议

考虑到不同温度对橡胶支座的影响，在对隔震结构进行设计计算时，橡胶支座的屈服强度、等效刚度和屈服荷载应在设计基础之上，按如表4不同温度下隔震支座力学性能修正参考值与图4我国各地区温度修正分类，进行整体结构的地震响应分析，以掌握隔震结构在不同温度段的响应特征。

图4 我国各地区温度修正分类Fig.4 Temperature correction of China

表4 不同温度下隔震支座力学性能修正取值建议Tab.4 Reference correction value of mechanical properties of LRB under different temperatures

4.2 算例分析

为进一步研究温度对隔震结构的地震响应的影响，用算例说明:某22层框架建筑结构，上部结构总重为78000 t，隔震后第一周期为3.71 s。隔震层采用铅芯橡胶支座，为简化计算，将此结构简化为质点系模型，如图5所示，结构上部力学模型视为弹性及剪切变形结构。图中mi为各层质量，ki为各层刚度。隔震支座力学性能采用双线性力学模型，如图6所示，图中Ku为初始刚度、Kd为屈服后刚度、Qd为屈服力。

图5 模型结构示意图Fig.5 Structure diagram of isolation structure model

利用 SAP2000软件对隔震结构进行地震反应分析。选取3条经典地震波:Hachinohe波、兰州波和 Taft波，并按照八度二类场地计算，加速度峰值统一调整为 400 Gal，且为X，Y双向地震作用。隔震层刚度按温度划分为四种工况，分别为:－40℃，－10℃，20℃，40℃对应的参数。

图7为该隔震结构在四种工况下峰值加速度对比图。从图中看出，在－40℃下顶层最大加速度比其他工况大。与20℃时最大加速度相比，Hachinohe波－40℃最大加速度为5.72 mm/s2，变化率为50.53%，40℃最大加速度为2.77 mm/s2，变化率为 －2.13%;兰州波 －40℃ 最大加速度为 4.91 mm/s2，变化率为47.25%，40℃ 最大加速度为 2.43 mm/s2，变化率为－6.05%;Taft波 －40℃最大加速度为6.92 mm/s2，变化率为48.58%，40℃最大加速度为 3.21 mm/s2，变化率为 －9.78%。

图8为该隔震结构在四种工况下峰值水平位移对比图。从图中看出，在－40℃水平位移相对较小。与20℃时峰值水平位移相比，Hachinohe波－40℃最大水平位移为256.66 mm，变化率为－15.25%，40℃最大水平位移为312.64 mm，变化率为3.14%;兰州波－40℃最大水平位移为174.3 mm，变化率为－3.83%，40℃最大水平位移为181.56 mm，变化率为0.17%;Taft波 －40℃最大水平位移为187.28 mm，变化率为－2.56%，40℃最大水平位移为191.42 mm，变化率为 －0.4%。

图6 隔震层双线性模型Fig.6 Bi-linear model of isolator

图9 不同工况下层间剪力曲线图Fig.9 Curve diagram of storey shear of different conditions

图9、图10为该隔震结构在四种工况下层间剪力对比图。从图中看出，在－40℃隔最大层间剪力较其他工况大。与20℃时的隔震层层间剪力相比，Hachinohe波－40℃隔震层层间位移为78883.41 kN，变化率为48.72%，40℃隔震层层间剪力为 51571.34 kN，变化率为－2.77%;兰州波－40℃隔震层层间剪力为61062.92 kN，变化率为47.11%，40℃隔震层层间剪力为38952.34 kN，变化率为 －6.16%;Taft波 －40℃隔震层层间剪力为61861.20 kN，变化率为59.59%，40℃隔震层层间剪力为36069.26 kN，变化率为－6.95%。

图11为该隔震结构在四种工况下层间位移对比图。从图中看出，在－40℃隔震层位移比其他工况小。与20℃时隔震层层间位移相比，Hachinohe波－40℃隔震层层间位移为371.89 mm，变化率为 －23.02%，40℃隔震层层间位移为517.10 mm，变化率为6.58%;兰州波－40℃隔震层层间位移为247.30 mm，变化率为 －17.73%，40℃隔震层层间位移为303.14 mm，变化率为0.84%;Taft波－40℃隔震层层间位移为259.74 mm，变化率为 －14.03%，40℃ 隔震层层间位移为304.10 mm，变化率为 0.65%。

图10 不同工况下各层层间剪力曲线图Fig.10 Curve diagram of storey shear of different conditions

图11 不同工况下各层层间位移曲线图Fig.11 Curve diagram of storey deformation of different conditions

由上述算例看出，在极低气温下，结构的水平位移与层间位移减小，加速度与层间剪力增长较大。可见低温影响了支座的各项力学基本性能，影响了隔震结构的隔震效果。在隔震设计中应充分考虑温度的影响。

5 结论

通过对隔震结构用铅芯橡胶支座在极低温度下的屈服荷载、屈服后刚度等力学性能的试验和算例分析，结果表明铅芯橡胶支座在温度－40℃至40℃范围内变化时，屈服后刚度、屈服荷载、等效阻尼比及等效刚度(γ=100%)都有不同的变化，特别是在－40℃的极低气温下，与正常气温相比，其力学性能指标变化程度显著。铅芯橡胶支座基于温度影响的力学性能变化范围为:

(1)屈服荷载在测试温度范围内的变化率为－46%～+13%;

(2)屈服后刚度在测试温度范围内的变化率为－25%～+5%;

(3)等效阻尼比在测试温度范围内的变化率为－14%～+7%;

(4)等效刚度在测试温度范围内(γ=100%)的变化率为－30% ～+5%。

研究依据铅芯橡胶支座温度测试结果，提出了考虑极低温度影响的温度修正方程及我国不同区域隔震结构设计时的力学参数取值建议。文中考虑温度影响的隔震结构地震反应影响算例分析结果表明温度对强震下隔震结构的隔震层位移、上部结构层间剪力及上部结构顶层的加速度响应影响显著，在对结构设计参数计算时宜增加考虑温度影响后的结构设计复核验算，以确保隔震结构在使用期限内的安全性。

致谢:本文研究得到了无锡圣丰建筑新材料有限公司的产品和试验支持，同时也得到了上海教委科研创新(11ZZ86)的资助，在此表示衷心的谢意。

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