多级性态隔震支座滞回模型和力学性能试验研究

刘文光 许浩 冯祎鑫

摘要： 叠层橡胶支座在大变形下力学性能会有所衰减，实际工程中为满足性能要求通常需要增大橡胶支座直径。基于滑板支座和橡胶材料的力学性能特点，设计开发出一种新型高性能多级性态支座，实现较大的竖向承载性能及可靠的水平耗能能力；介绍了高性能多级性态支座的组成构造和变形机理；提出了高性能多级性态支座的水平滞回模型，探讨了支座竖向刚度与水平变形的关系，给出了回转刚度的计算公式。并对提出的装置进行了力学性能试验，试验结果表明，高性能多级性态支座具有变刚度特性，滞回特性呈现为双线性特点，在竖向高承载条件下力学性能稳定，提出的理论力学模型与试验结果吻合较好，可有效地模拟高性能多级性态支座的力学性能。

关键词： 隔震； 多级支座； 叠层橡胶支座； 静力试验

中图分类号： TU352.12； TU317.2文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2018）04-0582-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.04.005

引言

隔震技术通过设置柔性隔震层，延长建筑的自振周期，可有效隔绝地震能量输入，保护结构安全[1]。1994年美国Northridge地震和1995年日本KOBE地震中，观测到的隔震结构顶层加速度峰值仅为非隔震结构的20%[2]。

目前常用的隔震装置主要有叠层橡胶支座、滑板支座、摩擦摆支座等。工程上常将不同种类的隔震支座混用，并配合阻尼器以获得更优越的抗震性能。Franco Braga等对高阻尼橡胶支座-摩擦滑移组合隔震体系进行了足尺结构动力试验，采用组合隔震系统可以有效控制结构高阶振型的影响，提升结构抗震性能[3]。P Y Lin等提出了一种高阻尼橡胶支座和磁流变阻尼器组合的半主动隔震系统，基于模糊控制理论进行了振动台试验，所提出隔震系统可同时控制结构加速度和隔震层位移[4]。D Cancellara等将铅芯橡胶支座和摩擦滑板串联，形成高阻尼组合隔震系统，试验和时程分析结果表明所提出隔震装置在高峰值和低频地震作用下抗震性能优越[5]。Athanasios A Markou等采用高阻尼橡胶支座、黏弹性阻尼器和摩擦滑动支座组成混合隔震系統应用于某实际工程中，构建了新型隔震体系的计算理论并进行了地震响应分析[6]。Marco Donà1等提出了一种新型滚珠橡胶隔震装置，进行了力学性能试验并构建了设计理论[7]。吕西林等进行了叠层橡胶支座和滑板摩擦支座的组合隔震体系振动台试验研究及地震响应分析，叠层橡胶支座能自动复位，滑板摩擦隔震支座具有良好的耗能能力，验证了组合隔震体系的有效性[8-9]。杜东升等进行了高层建筑组合隔震体系的研究，并在实际高层建筑中应用了天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑移支座等隔震器[10]。范夕森等进行了组合隔震体系的力学性能试验，研究了铅芯橡胶支座和摩擦滑移支座不同比例组合的力学性能和骨架曲线[11]。邹爽等在隔震层中采用摩擦阻尼器以控制隔震层位移[12]。何文福等采用锥形金属块和黏弹性材料，开发一种非固结隔震支座，并进行了振动台试验[13]。

叠层橡胶支座的竖向抗压刚度较高而抗拉刚度较弱，输入峰值加速度较大时易发生支座受拉，分析设计时需严格控制支座的拉应力[14-15]。Gordon P Warn等在2006年对铅芯橡胶支座水平和竖向的耦合响应做了理论与试验分析，水平位移增大时橡胶支座竖向刚度会减小，大变形下竖向刚度会减小40%～50%[16]。Manish Kumar，Venkata S M等指出橡胶支座的水平刚度和拉压刚度都会受到水平位移影响，尤其是在特大地震和超设计基准地震下，水平刚度的损耗是不可恢复的，在大地震作用下应采用考虑双向耦合的支座力学模型[17-20]。

当前关于新型隔震体系的研究多以橡胶支座为主，在隔震层中混用多种装置。橡胶支座在大变形下力学性能的衰减问题仍无法得到解决，且不同类型支座的混搭使用，容易引起结构扭转和竖向轴力变化，进而影响隔震层滞回性能和结构抗震安全性[21-22]。

叠层橡胶支座发生剪切变形时，竖向刚度可用上下面相交有效面积评价[2]，如图1所示。随着剪切变形增大，内部橡胶材料的应力显著增大，如图2所示。因此，在工程中往往需要采用大尺寸的橡胶支座以满足高承载要求，而大尺寸橡胶支座成本较高且其生产需要漫长的硫化时间[23]，对大型工程的成本、工期和质量控制带来挑战，开发一种新型高承载力高性能隔震体系是很有必要的。

本文介绍了一种高性能多级性态支座（High Performance Multi-level Bearing，HPMB），通过将滑板支座与高模量橡胶体组合，可以有效地将支座的竖向承载能力与水平回复力解耦，从而实现竖向高承载力的设计需求，同时以摩擦滑动变形替代橡胶支座变形，可显著减弱支座力学性能的衰减。

HPMB主要由橡胶支座、滑动面板、限位挡块和高模量橡胶体组成，其基本构造如图3所示。橡胶支座与下连接板以螺栓连接，在橡胶支座周围呈中心对称布置高模量橡胶体，分别与上、下连接板螺栓连接，高模量橡胶体的数量可由具体工程需要再行设计。橡胶支座的上封板镶嵌一块滑动面板，滑动面板与上连接板接触且可自由滑动，选用不同材料的滑动面板可得到多种摩擦性能。限位挡块固定在上连接板上，大变形状态下，限位挡块可推动橡胶支座继续变形，增强水平恢复力。

高模量橡胶体第一形状系数较小，其竖向刚度较弱，HPMB的竖向荷载主要由橡胶支座承担，高模量橡胶体主要提供水平恢复力，由此实现了竖向性能与水平性能的解耦。

2HPMB的力学模型

2.1水平变形状态分析在压剪变形状态下，HPMB的水平回复力包括高模量橡胶体的弹性力F1，橡胶支座的弹性力F2，以及滑动面板的摩擦力f，HPMB的水平变形记为δh。

在初始卸载阶段，上连接板与滑动面板不发生滑动，二者协同变形，直至橡胶支座变形恢复为0，此时F2=f=0；随着卸载继续进行，橡胶支座在静摩擦力的作用下发生变形，此时F2=f静

HPMB各状态的水平变形示意图如图4所示。

2.2力学滞回模型

HPMB的水平滞回性能可视为高模量橡胶体和弹性滑板支座力学性能的并联组合，而弹性滑板支座的力学性能由橡胶支座的水平性能和滑动面板的摩擦滑动性能决定，由于设置了限位挡块，大变形下挡块推动橡胶支座的变形，故HPMB的滞回模型呈现出三线性特点，如图5所示。

2.3竖向性能研究

高模量橡胶体形状系数较小，其压缩刚度较弱，HPMB的竖向刚度可视为滑板支座的竖向刚度，根据文献[1]有Kv=Kv，RB=EcbAeTR（10）式中Ecb为橡胶的修正弹性模量，TR为橡胶层总厚，Ae为有效承载面积，表达式如下Ae=1-2πδD1-（δD）2+arcsin（δD）A（11）当δh<δ2时，橡胶支座的变形为δ1，由于屈服位移较小，可认为Ae=A。

2.4回转刚度研究

在Haringx弹性体理论中，考虑弹性体内部的压缩弯曲特性，回转刚度为Krm=ErbIh（13）式中Erb为弹性体压缩弹性模量相关参数，I为截面惯性矩，h为弹性体高度。

与同尺寸LRB支座相比，HPMB具有相当的压缩回转刚度和更高的拉伸回转刚度。

在压弯状态下，支座受压区域面积增大，应变中和轴的位置向支座的中心移动。

3HPMB的力学性能试验研究

3.1试验模型与参数为验证高性能多级性态支座的力学性能和滞回模型，进行原型支座试验研究。试验加载装置为一台电液伺服压剪试验机，如图9所示，竖向加载能力25000 kN，水平加载能力2000 kN。本次试验采用HPMB500和HPMB700两套组合支座，试验支座尺寸和材料参数如表1所示。

4结论

本文提出了一种新型高性能多级性态支座并基于其变形机理构建了力学模型，进一步对其进行静力试验研究，主要结论如下：

（1）提出了新型高性能多级性态支座。该支座将滑板支座和高模量橡胶体组合使用，采用滑板支座竖向承载，高模量橡胶体提供水平刚度，摩擦滑动滞回耗能。该装置可实现竖向承载与水平滞回性能解耦。

（2）基于提出的高性能多級性态支座构建了其力学模型。通过水平向运动分析，得到其各阶段运动模式和变形特点，进而提出了高性能多级性态支座恢复力模型的理论计算公式。

（3）对高性能多级性态支座进行静力试验研究，试验结果表明，高性能多级性态支座在10～40 MPa的面压范围内滞回曲线光滑饱满，竖向刚度大，水平滞回性能稳定，HPMB500竖向刚度为3431 kN/mm，水平屈服后刚度为1.345 kN/mm，HPMB700竖向刚度为6844 kN/mm，水平屈服后刚度为1.914 kN/mm。HPMB的水平屈服力随竖向面压增大而增大，水平刚度与竖向面压无明显相关性；HPMB的水平变形对水平性能基本无影响。

（4）对所提出高性能多级性态支座的恢复力模型与试验结果进行对比分析，结果表明理论模型与试验结果吻合较好，竖向刚度及水平刚度理论值与试验值误差在10%以内，验证了力学模型的正确性，可以有效地模拟高性能多级性态支座的力学性能。

（5）所提出的高性能多级性态支座，可实现较小尺寸的橡胶支座具有较大的竖向承载能力，且水平性能稳定，滞回耗能能力强，具有多级刚度特性。工程上可用于替代大尺寸铅芯橡胶支座，可显著缩短支座的生产周期，对于工程的工期和成本控制具有积极意义；且可减少铅材料的使用，具有一定的环保意义。

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Abstract： Mechanic properties of laminated rubber bearings will decrease under large deformation， and bearings need to increase their diameter in order to satisfy the high load requirement in practical engineering. A new kind of high performance multi-level bearing （HPMB） is proposed base on the sliding bearing and rubber materials. New device can obtain high bearing capacity and reliable horizontal energy dissipation properties. The components and mechanical properties of the device are described and theoretical equation of vertical/rotational stiffness is put forward. Static test of devices using RB500 and RB700 is conducted. It can be concluded from the test results that the device has suitable stiffness and hysteretic mechanics can be described by bilinear model. Horizontal behavior is stable under high vertical loads. The theoretical values and test results are similar. Proposed mechanical model can be used to simulate the vertical performance of the new device well.

Key words： seismic isolation；multi-level bearing； laminated rubber bearing；static test