叠层铅芯橡胶隔震支座剪切破坏模式研究①

闫帅平，张 杰

(济源职业技术学校，河南459000)

0 引 言

叠层铅芯橡胶隔震支座因其稳定的双线性恢复力特性，近年来在隔震建筑中得到了广泛应用.叠层橡胶支座受压时，橡胶会向外侧变形，但由于受到内部钢板的约束，以及考虑到橡胶材料的非压缩性，橡胶层中心会形成三向受压状态.因此叠层橡胶隔震支座受压时的变形量很小，可以提供与相同截面积的RC 柱相当的压缩刚度.而当支座受到剪力作用时，由于内部钢板不约束橡胶层的剪切变形，橡胶片可以自由发挥自身柔软的水平特性.叠层橡胶支座发生较大剪切变形时，因在叠层橡胶支座顶部和底部的重叠部分中保持了一种三向受压状态，所以仍然具有承载能力.这种承载机构使得叠层橡胶隔震支座承受较大的竖向压力的同时，也可以承受较大的水平变形［1］.关于叠层橡胶隔震支座竖向压缩性能和水平剪切性能，国内外已经有大量的研究，但是关于叠层橡胶隔震支座剪切破坏机制的研究为数不多.本文采用试验的方法，以叠层铅芯橡胶隔震支座为对象，对其极限剪切破坏模式进行探讨.由于地震作用下，部分支座会承受拉力，本文对其中一组试件进行了受拉工况之后的极限剪切破坏试验，以考虑地震作用下拉应力对支座剪切破坏模式的影响.

1 试验布置及试件参数

研究中采用2000 吨电液伺服加载系统对试件进行剪切试验，该系统可以同时进行20000KN 竖向加载和2000KN 水平加载的构件试验.拉伸试验采用另外一套可以提供2000KN 的竖向拉伸试验机.试件参数见表1.

2 试验内容及结果分析

2.1 水平剪切性能试验

对S1，S2，S3 试件在设计压力P=4617KN 作用下，分别进行剪切应变γ=50%;γ=100%;γ=250%的动力加载试验，水平加载波形为正弦波，剪应变γ=50%和γ=100%时往复加载3 次，剪应变γ=250%时往复加载5 次.以对应于正剪应变γ 和负剪应变－γ 的水平位移作为最大水平正位移和负位移，连续作出3 条(5 条)滞回曲线，用第3 条滞回曲线计算支座的水平等效刚度.试验过程中，加载速度为5mm/s，恒定压力允许偏差为±10%，剪切位移允许偏差为±5%.

表1 试件参数表

设计压力值(kN) 4617 4617铅芯直径(mm) 150 150橡胶每层厚度(mm)/总厚度 5/110 5/110橡胶层数 22 22屈服力Qd(kN) 147 147屈服后刚度K(kN/m) 2100 2100设计拉力(kN) 385 385试件表面温度 22℃ 22℃性能试验项目 剪切性能试验极限剪切破坏试验 拉伸性能试验极限剪切破坏试验

支座的水平等效刚度Kh和等效阻尼比heq按下式计算(各参数含义见图2):

支座的屈服后刚度Kd和屈服力Qd按下式计算:

图1 叠层橡胶支座剖面图及压剪状态受力图

图2 水平剪切性能计算方法

绘出各试件剪应变γ=50%;γ=100%;γ=250%时的第三条滞回曲线(图3)，并计算其对应的剪切性能指标.根据水平剪切性能试验结果，图4 给出了不同剪应变与水平等效刚度Kh、等效阻尼比heq、屈服后刚度Kd和屈服力Qd之间的关系.

从图3 中可以看出，试件水平剪切滞回曲线在正、负坐标具有很好的对称性，正负最大变形和剪力的差异小于5%.但是随着剪切应变的增加，支座滞回曲线渐趋“瘦长”，说明支座水平等效刚度和屈服后刚度下降.图4 中不同剪应变下的剪切性能指标对比则明显反应出:随着剪切变形的增大，叠层铅芯橡胶隔震支座的水平等效刚度和屈服后刚度均有所下降(图4(a)(b));支座的等效阻尼比也随着剪切变形的增大在减小(图4(c));随着支座剪切应变从γ=50%增大到γ=100%，支座的屈服力有所下降，但是当剪切应变增大到γ =250%时，3 个试件均出现硬化现象，屈服力反而明显增大(图4(d));对比本组试验中的三个试件，各项剪切性能指标接近，且均在产品设计值的±10%以内.

图3 叠层铅芯橡胶隔震支座剪切性能滞回曲线

2.2 竖向拉伸试验

对S4 试件先进行剪切应变γ =50%;γ =100%的水平剪切性能试验，然后进行竖向拉伸试验，缓慢加载至设计拉应力1.0Mpa(385KN)，在拉伸试验完成之后再进行剪切应变γ=250%的水平剪切性能试验.值得指出的是，因为考虑到剪切应变达到γ=250%时，支座内部可能会产生轻微损伤或破坏，所以将拉伸试验放在之前进行.

S4 试件的剪切性能试验和拉伸试验均未出现破坏现象，并且没有出现明显的不可恢复的变形.表2 中给出了S4 支座试件在拉伸前后的剪切性能指标.比较拉伸前后的剪切性能指标可以发现:叠层铅芯橡胶支座在受到拉力作用之后，水平等效刚度和屈服后刚度均有所下降，而等效阻尼比和屈服力略有提高;总体来说，试件受拉力作用前后，其水平剪切性能指标变化不大.

表2 试件S4 拉伸前后水平剪切性能指标

图4 剪切应变对支座水平剪切性能的影响

图5 试件S1，S2，S3 极限剪切破坏发展过程

2.3 水平极限剪切破坏试验

在上述试验加载完成之后，测定S1，S2，S3，S4支座试件在最大设计压力下的极限剪切位移能力，即对试件在设计最大压力作用下施加单向水平加载，直至达到极限剪切位移状态.极限剪切位移状态指支座出现破坏、屈曲或滚翻.表3 中给出了四个试件达到极限破坏状态时的位移和水平剪力，并与规范规定的水平极限位移385mm(350%剪切应变)进行了比较.试件数据表明:叠层铅芯橡胶隔震支座在受拉力作用后，其水平剪切刚度有所降低，达到极限破坏时的极限承载力和极限位移均有一定程度上的降低.

图6 试件S4 受拉后极限剪切破坏发展过程

表3 试件水平极限剪切位移与极限剪切承载力

我们对试件的破坏发展过程进行了详细记录.试验记录表明:是否受拉力作用对叠层铅芯橡胶隔震支座的极限剪切破坏过程起重要影响.没有进行受拉试验的S1，S2 和S3 试件，其剪切破坏发展过程一致，如图5 所示:加载过程中，剪切变形逐渐由线性剪切变形转变为非线性剪切变形，然后在橡胶和封板的连接处首先出现橡胶层撕裂翘起现象，随后翘起变形继续发展，达到一定程度后橡胶层脱开，试件宣告破坏.未经受拉的试件其剪切破坏过程是逐步发展的，在端部橡胶与封板连接处剪切应力最大，伴随有明显的翘起变形.经过受拉试验后的S4 试件，其破坏发生突然，如图6 所示:在S4 试件的水平剪切变形达到一定程度时，在中部橡胶层发生突然的剪断，剪断面平整，破坏过程中没有明显的局部变形产生.

3 结 论

本文通过叠层铅芯橡胶隔震支座的试验研究，先后分析了不同剪切应变对支座剪切性能指标的影响，拉力作用对支座剪切性能指标的影响，拉力作用对支座极限剪切破坏的影响.分析表明:1 随着剪切应变的增大，支座的水平等效刚度、屈服后刚度、等效阻尼比、屈服力等指标均有所下降，但是当剪切应变达到时，会出现硬化现象，支座屈服力一定程度上增大;2 拉力作用对支座的剪切性能影响很小，支座水平等效刚度和屈服后刚度在受拉后稍有下降，等效阻尼比和屈服力则略有提高;3 拉力作用对支座的极限破坏模式有明显影响，没有受到拉力作用的支座有明显的破坏发展过程，而受过拉力作用的支座破坏发生突然，且极限剪切位移和极限剪切承载力均有所降低.建议在工程设计中，避免叠层铅芯橡胶隔震支座承受较大的拉力作用.

［1］ 日本建筑学会，隔震结构设计［M］.北京:地震工程出版社，2006.

［2］ 周福霖，工程结构减震控制［M］.北京:地震出版社，1997.

［3］ 庄学真，等，1200 型大直径建筑叠层铅芯橡胶隔震支座性能研究［J］.西安建筑科技大学学报:自然科学版，2008，40(3):368－375.

［4］ 熊世树，周正华，王补林，铅芯橡胶隔震支座恢复力模型的分析方法［J］.华中科技大学学报:城市科学版，2003，20(2):28－31.

［5］ GB20688.1－2007，橡胶支座第1 部分:隔震橡胶支座试验方法［S］.

［6］ GB20688.3－2006，橡胶支座第3 部分:建筑隔震橡胶支座［S］.