橡胶隔震支座夹层橡胶垫竖向性能研究

刘 明 雨

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

结构隔震技术主要目的是减震耗能，是在结构某些位置附加一些隔震装置，或是将结构的支撑、连接件等装置设置为隔震构件，当地震来临时，隔震装置能够通过自身运动周期或者位移来消耗一部分地震能量，减少传入建筑上部结构的地震能量，降低结构的地震反应，避免或者减少主体结构的损伤，是一种很有效的减震措施，目前应用也比较广泛[1]。在这些消能减震装置中会加橡胶隔震支座来提高隔震耗能能力，橡胶隔震支座夹层橡胶垫的竖向性能是主要影响因素。

1 基础隔震支座的发展现状

几十年来，中国学者开始关注基础隔震理论。李立教授[2]在1962年开展了隔震研究，并在20世纪70年代中后期采用砾石隔离技术建造了几座采用砾石隔离技术的砖混结构房屋。1992年，在河南安阳唐家祥教授、李黎教授等建成一座综合楼,隔震方案是使用无粘结叠层橡胶支座。广州大学周福霖在云南等地，已经将隔震橡胶隔震支座用于基础或柱底部隔震装置中。建安研究院和西安城市建设开发总公司地震研究所也对摩擦滑移隔震技术进行了研究。在技术成熟之后，西安已经建立了几个试点项目[3-7]。

2 刚度定义

刚度是指该构件或材料受到竖向力作用时在没有发生水平变形的承载能力。橡胶垫承受上部结构的荷载，橡胶垫需满足上部结构承载能力的要求。叠层橡胶垫具有较大的轴向承载能力，这是设计或选择夹层橡胶垫的关键考虑因素之一。竖向刚度是橡胶垫在竖向压力作用下发生竖向位移所施加的力。刚度是结构或材料在弹性范围内与变形和力之间的关系，即是单元变形条件下所需的力，如图1所示，即：

其中，Kv为夹层橡胶垫垂直刚度，N/mm;P为夹层橡胶垫受到的垂直压力，N;δv为夹层橡胶垫垂直压缩变形，mm。

影响夹层橡胶垫竖向刚度Kv的因素有如下几种：

橡胶本身材料性能：软质材料的橡胶竖向刚度相应的较弱，反之硬性材料的橡胶竖向刚度越大；竖向轴压应力大小的影响：当竖向作用力在橡胶材料承载范围内得到的刚性就是有效的；水平剪切力的影响：橡胶材料在没有水平剪切力和变形的情况下时，该橡胶材料的竖向承载力较大，因此在材料允许的范围内承受的竖向力越大其竖向刚度越大。夹层橡胶垫的形状系数的影响：第一形状因子S1是指每个橡胶的有效承受荷载的面积与橡胶的自由表面面积之比。即：第一形状因子S1(式(2))代表钢板对橡胶层的约束能力，当S1值越大，钢板对橡胶层的约束能力越强，整体橡胶垫的承载能力越大，垂直刚度越大。一般来讲，当S1数值大于15时，橡胶垫的极限抗压强度能够达到100 MPa～120 MPa。第二形状因子S2(式(3))被定义为橡胶轴承的有效直径与橡胶总厚度之比。第二，形状因子S2表示橡胶垫压力材料的纵横比，这反映了橡胶垫在受压时的稳定性。也就是说，当橡胶垫越厚时，其受压缩的时候稳定性越好，临界状态时受到的载荷越大。但是，形状系数S2越大，即受压断面的直径与厚度的比值越大夹层橡胶垫的水平刚度越大，水平极限变形能力越低。所以根据经验及研究现状一般取S2=3～6[8]。

夹层橡胶垫的竖向刚度是指橡胶垫在竖向压力下垂直位移所产生的垂直力，记录为Kv。

3 夹层橡胶垫竖向刚度的确定

3.1 试验方法

1)拟动力试验：是模拟动力做的试验，让试验结构或构件受到模拟地震作用的惯性力，在这两种加载环境下：非线性力学特性与实际结构下使结构受力过程相一致。但这种试验是用静载荷代替振动进行的，因此称为拟动力试验。这种试验解决了很多大型振动试验的难题。

2)拟静力试验：对结构或构件进行静力试验，一种低周反复荷载法，在试验中需要控制结构的位移值或荷载值，使结构或构件在正、负两个方向上重复卸载。模拟结构在地震作用下的应力过程。它通常用来测量结构或构件的极限承载力和疲劳程度。在实际工程中，隔震橡胶垫层的应用十分广泛，必须对使用的隔震橡胶垫层进行足尺试验来验证该垫层的竖向刚度是否满足要求，并将测量试验数据作为设计依据。如图2所示，该试验方法是对隔层橡胶垫施加压力，施加压力直至设计荷载P0，对该橡胶垫进行往复竖向加载来获得荷载—位移曲线，并通过压力机式(5)计算竖向刚度。

其中，P1,P2均为压缩荷载的竖向压力；δ1,δ2分别为P1，P2相对应的压缩变形量。

3.2 试验数值的确定

3.2.1实际加载值Pv

影响隔震摩擦摆叠层橡胶垫极限承载力的因素可分为：夹层板极限抗拉强度和钢板厚度，当夹层板极限抗拉强度越高，则叠层橡胶垫的极限承载能力越大；钢板的厚度越大，层压橡胶垫的承载能力越大。夹层橡胶垫的第一形状因子S1越大，轴心抗压承载力越大。当S2>3，橡胶硬度为40～60，叠层橡胶垫的最终平均轴向应力近似计算公式如式(6)所示：

其中，σvmax为夹层橡胶垫极限平均轴压应力，MPa；Pvmax为夹层橡胶垫极限轴压承载力，N；A为夹层橡胶垫有效受压面积，mm2；y为夹层钢板抗拉极限屈服强度，MPa；ts为夹层钢板厚度，mm；tr为夹层橡胶厚度，mm；S1为夹层橡胶第一形状系数。

3.2.2设计值

叠层竖向刚度Kv主要是为了保证结构上部体系在正常荷载作用下不会出现较大的竖向变形。隔震结构竖向自振周期应避免与地震产生共振。

4 结语

从目前各国耗能减震应用情况看，隔震阻尼器已经广泛应用到实际结构当中，对这橡胶隔震支座的竖向力学性能以及对减震耗能的影响因素等方面进行了研究，并表现出良好的隔震性能；现阶段对橡胶隔震支座夹层橡胶垫的力学性能还不够深入，将橡胶隔震支座应用到实际结构中的研究处于初步阶段，对隔震支座竖向刚度、水平刚度及质量比等参数以及隔震装置在实际结构中的应用还有待各位学者进一步研究。