Fr4环氧树脂板材隔震支座的力学性能试验研究*

常莉 白羽 李辉跃

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

叠层橡胶钢板隔震支座作为隔震装置之一，是目前应用较为普遍、性能较成熟的隔震支座，但由于成本及施工的限制，在经济较落后的村镇地区尚不能普遍应用。 普通叠层橡胶钢板隔震支座由于其材料含有钢材，质量相对较大，单个支座的质量便达到了1 t及以上，施工需要大型起重机等设备，对施工设备要求较高，造成施工困难，施工成本也较高。因此研究质量轻、造价低的橡胶支座也成为了众多学者的研究方向。其中美国学者KELLY J M等[1]最早研究出了采用质量较轻的材料代替隔震橡胶支座中的质量较重的钢板，施工不用借助大型起重机，从而降低支座的造价和重量，为施工提供便利。进而为研究造价低、质量轻且易施工的橡胶隔震支座的众多学者提供了研究的方向和思路。

经过学者的大量研究表明：工程塑料板重量轻、价格也较低，但是其强度低，不能满足普通叠层橡胶支座对加劲层的强度要求，但满足加劲层强度要求的工程塑料板造价又较高[2]。考虑到造价、施工工艺及力学性能的要求，本文选用以玻璃纤维为增强材料、环氧树脂为基体的复合材料Fr4环氧板材替代叠层橡胶隔震支座中的钢板,使支座重量及造价大大降低的同时，其性能也能满足要求。相应其施工则变得便利，对施工设备要求也不高，从产品造价到施工造价上相比普通叠层橡胶隔震支座都有大幅度的降低，这些优势为橡胶隔震技术在村镇建筑的普遍应用提供了有利条件。Fr4环氧板材市场上比较常见，其来源广泛、成本较低，在高温下其阻燃性良好，不会释放有毒物质，且性能稳定。

本文对Fr4环氧树脂板材橡胶隔震支座分别进行了横(水平)、纵向(竖向)刚度的力学试验，从竖向荷载、剪应变、支座的阻尼特性方面，探讨其力学性能是否满足村镇建筑隔震支座的要求。

1 Fr4环氧树脂板材的性能

橡胶隔震支座要求加劲层力学性能抗拉、抗弯强度均大于等于170 MPa，本文对Fr4环氧树脂板材进行了拉伸、弯曲性能试验，用于验证Fr4环氧树脂板材的力学性能是否满足叠层橡胶隔震支座对加劲层力学性能的要求。试验结果如表1所示。

表1 Fr4环氧树脂板材拉伸、弯曲试验结果

由表1表明，Fr4环氧树脂板材其抗拉、抗弯强度均大于170 MPa，且比要求的抗拉抗弯标准超出了一半及以上，足以证明其远远达到了叠层橡胶隔震支座加劲层材料的性能要求，可以取代传统叠层橡胶隔震支座中的钢板作为橡胶隔震支座的加劲层材料。

2 Fr4橡胶隔震支座的力学性能试验

为了满足普通叠层橡胶隔震支座的性能要求，Fr4橡胶支座必须具备足够的竖向刚度、力学性能及隔震性能[3-4]。本文探究了Fr4环氧树脂板材的竖向刚度、等效阻尼比、水平刚度的相关力学试验。试验使用水平荷载为1 500 kN,行程为±250 mm，竖向荷载为15 000 kN，行程为±400 mm的电液伺服压剪试验机，数据采集时间为0.05 s。试验方案如表2所示。

表2 力学试验方案

2.1 简易隔震支座

简易隔震支座为方形支座，边长240 mm，四周保护层均为10 mm,上下保护层为5 mm，上、下封板12 mm，橡胶层10层，每层5 mm,加劲层9层，每层4 mm，支座的剖面图如图1所示。

图1 支座剖面(单位：mm)

2.2 Fr4支座的竖向刚度试验

支座的竖向刚度[5]：

(1)

式中，Kv为支座的竖向刚度；P1、P2分别为第3次加载的最小、最大荷载；C1、C2分别为第3次加载的最小、最大位移。

在进行竖向刚度试验时，竖向荷载取3组，分别为8 MPa、12 MPa、17 MPa，根据叠层橡胶隔震支座相关试验规范要求，试验在加载时采用(1±30%)的荷载反复循环加载4次。 通过试验得到的竖向荷载与竖向位移的关系如图2所示。根据式(1)竖向刚度计算公式，分别取荷载为8 MPa、12 MPa、17 MPa下，第3次加载的最大及最小荷载位移计算支座的竖向刚度，得到在3种竖向荷载8 MPa、12 MPa、17 MPa下，Fr4橡胶支座的竖向刚度Kv分别为492.61、434.89、349.82 kN/mm，并将计算得到的竖向刚度与竖向荷载的关系绘制于图3中。

图2 Fr4支座竖向荷载与位移关系

由图3表明Fr4支座的竖向刚度在不同荷载下，其变化幅度较大。随着竖向荷载增加，支座的竖向刚度逐渐降低，其降低的最大幅度在荷载处于8 MPa至17 MPa的范围内为19.55%,且随着竖向荷载的增大，其降低的幅度逐渐变大。图中第二段的竖向刚度下降幅度比第一段大7.83%。由此可以看出，竖向荷载对竖向刚度影响较大。

图3 竖向荷载与竖向刚度曲线

2.3 Fr4支座的水平刚度试验

2.3.1Fr4支座水平刚度与竖向荷载关系试验

在对Fr4支座的水平刚度与竖向荷载关系进行研究时，选用加载频率为0.05 Hz水平正弦的加载方式，其加载方式与竖向刚度相同，均是采取4次往复循环加载的方式，在进行水平刚度的计算时，与竖向刚度计算公式一致，均是取第三次加载试验的结构用式(1)进行计算。其中，在进行试验时Fr4支座的剪应变为±100%。为了验证水平刚度和竖向荷载的关系，试验选取了8 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa及17 MPa共5组竖向荷载σ0，图4为不同竖向荷载下支座的水平荷载与水平位移的关系曲线。经过4次反复加载，取第三次试验结果，通过式(1)得到的支座在这5种竖向荷载下的水平刚度分别为0.915、0.904、0.889、0.879、0.865 kN/mm。试验得到的竖向刚度与水平位移的关系曲线及线性拟合曲线绘于图5中。

图4 不同竖向荷载下水平位移与水平荷载关系

由图5可得，水平刚度随着竖向荷载的增加越来越小。支座的竖向荷载从8 MPa增至17 MPa时，每段水平刚度降低幅度分别为：1.20%、1.66%、1.13%、1.59%，由此可以得到，竖向荷载对水平刚度的影响不大，随着竖向荷载的增加，水平刚度的下降并不明显。支座的竖向荷载从8 MPa增至17 MPa时，降幅的最大差值仅有0.53%，因此可近似的认为支座的水平刚度随着竖向荷载的增大以相同的幅度降低，式(2)为通过拟合后得到的Fr4支座水平刚度与竖向荷载的线性函数关系式：

KA= -0.005 4σ0+0.957

(2)

图5 拟合曲线与试验刚度降低曲线

由图5可以看出，竖向荷载为12 MPa时，试验值与拟合值相差最大，其差值在0.34%左右，由此可以看出，试验值与拟合理论值相差较小。

2.3.2 水平刚度与水平剪应变的关系

为了验证支座水平刚度与水平剪应变的关系，剪应变γ分别选取100%、150%、200%、和250%等4种情况。竖向荷载为12 MPa时，考虑到橡胶剪切模量过大，其水平刚度也较大，导致支座的水平刚度较大，该面压下摩擦力不足以固定支座，因此支座在剪应变为250%时，会发生滑移，所以竖向荷载为12 MPa时剪应变只做到200%。试验的竖向荷载分别选择12 MPa、15 MPa以及17 MPa。Fr4支座在相同竖向荷载下，不同剪应变的水平刚度如表3所示，每组实验下支座的水平荷载与位移的关系如图6所示。

表3 相同面压下剪应变与水平刚度关系 kN/mm

试验结果表明，当竖向荷载为一定值时，水平刚度随着剪应变的增大大致呈逐渐降低的趋势，但当竖向荷载为17 MPa，剪应变较大时，其水平刚度有小幅增加。在3种竖向荷载下剪应变增加至150%之后，Fr4支座的水平刚度降幅逐渐减小，当剪应变相同时，随着竖向荷载的增大，支座的水平刚度的降幅相对较低。图7为水平刚度与剪应变的关系曲线。

(a)12 MPa (b)15 MPa (c)17 MPa

图7 水平刚度与剪应变的关系

2.3.3Fr4支座的等效阻尼比

为了研究等效阻尼比与竖向荷载的关系，在进行试验时，其剪应变取一定值±100%，竖向荷载分别取5组荷载工况，5组荷载工况分别为8、10、12、15、17 MPa。5组不同竖向荷载工况下的等效阻尼比数值如表4所示。

表4 剪应变γ=±100%下不同竖向荷载的等效阻尼比

试验结果表明，在±100%剪应变时，Fr4橡胶隔震支座等效阻尼比均达到5%，随着竖向荷载的增加，支座的等效阻尼比增加，且竖向荷载越大，增幅越明显。

为了研究Fr4支座等效阻尼比与剪应变的关系，对3组竖向荷载12、15、17 MPa下的等效阻尼比进行了探讨。表5—表7表示3种竖向荷载下不同剪应变对应的等效阻尼比数值。

试验结果表明，在12 MPa和15 MPa时，等效阻尼比随着剪应变的增加而增加，且剪应变越大时，增幅越明显，在 17 MPa荷载情况下，阻尼比因剪应变产生的变化并不明显。而在大剪应变情况下时，Fr4支座的等效阻尼比更高。通过试验可以看出，Fr4支座具有一定的耗能能力，且滞回环比较饱满，耗能能力较强。

表5 12 MPa荷载不同剪应变下的等效阻尼比

表6 15 MPa荷载不同剪应变下的等效阻尼比

表7 17 MPa荷载不同剪应变下的等效阻尼比

3 结论

(1)本文以Fr4环氧树脂板材作为橡胶支座的加劲层材料，其力学性能满足抗拉、抗弯强度均大于等于170 MPa的要求，且耗能降低明显、造价低廉，可以取代传统叠层橡胶隔震支座中重量大、造价高的钢板作为橡胶隔震支座的加劲层材料，从而达到减轻其造价及重量的需求，应用于经济落后的村镇建筑。

(2)随着竖向荷载的增大，支座的竖向刚度出现了较为明显的降低，而水平刚度随竖向荷载变化

的趋势是伴随着荷载的增加再缓慢地降低。支座水平刚度的降幅在前期较大，达到150%的剪应变后，降低幅度再逐渐变小，且竖向荷载对竖向刚度影响较大，对水平刚度影响较小。

(3)Fr4橡胶隔震支座滞回环面积随着剪应变的增加而增加，等效阻尼比随着竖向荷载的增大而增大，且均大于5%，其隔震性能明显。