高阻尼橡胶支座恢复力模型研究

发布时间：2016-09-28 06:31

1 绪论

1.1 引言
我国是世界上的多地震国家之一。从古至今，地震这种突发性、毁灭性的自然灾害，一直对人类生存和社会安定构成严重威胁。随着社会经济加速发展，人口逐渐向城市聚集，地震灾害给城市带来的是更严重甚至是毁灭性的破坏。我国经历的几次大地震，如邢台地震、海城地震、唐山大地震、汶川地震、青海玉树地震、四川雅安地震等，世界其他国家经历的几次大地震，如前苏联亚美尼亚大地震、美国加州大地震、印尼大地震、日本阪神大地震、福岛地震等都造成了重大的人员伤亡和财产损失。地震巨大的能量不仅会造成建筑物和各种设施的破坏与倒塌，而且随着城市现代化与经济高速发展，地震诱发的次生灾害中因交通及其他设施的毁坏造成的经济损失也十分巨大[1]。经济的高速发展和人口的大量聚集使得抗震防灾问题更为突出，各国对于结构抗震的研究也更为重视。在结构抗震研究领域，寻求更有效的抗震手段来抵抗地震对结构的破坏一直是抗震研究的主要课题。为了有效的抵抗地震作用，我们的抗震设计方法已经从传统的加强结构自身强度和变形能力向减轻地震作用和改善结构延性方向转变。减隔震技术就是这样一种有效的抗震设计方法。减隔震技术是通过减震、隔震装置来消耗地震能量，同时阻止振动在结构上的传播。减隔震设计思想体系的提出已有近 100 多年的历史。1881 年日本的河合浩藏提出了在地基上交错放置圆木，以此来削弱地震向建筑物的传递；1890 年德国人 Jacob Bechtold 设计了一种由钢盘、滚珠构成的隔震器；1909 年英格兰医生 Calantantarients 提出了用滑石粉层或云母将房屋与基础隔开的隔震方法；我国古代也有被称为“版筑”的地基处理技术，依次来把建筑物和基础隔开。像这样的有关隔震的具体方法在 60 年代以前有很多，但是因缺少实践检验，学者们没有对其进行深入研究，也没有形成一套系统的减隔震理论。直到 1923 年发生东京大地震，由 Frank LloydWright 设计的日本东京帝国饭店，因其建立在有软泥层所支承的硬土上得以幸存，这样的现象引起了学者们对于基础隔震技术的进一步关注，有关基础隔震技术的研究才得以逐步深入[1]。
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1.2 高阻尼橡胶支座概述
高阻尼橡胶支座（High Damping Rubber Bearing，HDR），是用复合橡胶材料制成的具有较高阻尼性能的隔震橡胶支座，通过高阻尼橡胶支座在水平方向大位移剪切变形及滞回耗能实现减隔震功能。支座中使用的复合橡胶材料，是在天然橡胶或合成橡胶的聚合物中，加入填充剂、补强剂等配合剂制成，不需要额外的阻尼器也能获得较强的阻尼特性，同时仍有普通橡胶支座的水平和竖向力学性能。这样的支座代替了传统的隔震支座加阻尼器的形式，使得隔震层的结构布置更加简单规则[4]。橡胶材料为超弹性材料，其力学性能随着时间延长而不断变化，同时对环境条件、应变历程、加载速率和应变率十分敏感，在大应变下很多橡胶材料还会出现应力加速增大或应力加速减小的现象[5]。而高阻尼橡胶材料中聚合物的添加又使得其非线性特性更为复杂。由于高阻尼橡胶材料的使用，增加了叠层橡胶支座的阻尼，增强了支座抵抗水平变形的能力，起到一定的自复位效果，大震后自复位能力强，残余变形小；并且支座较高的阻尼功能使得其滞回曲线较为丰满，耗能显著。对支座橡胶配方进行改进，可显著提高高阻尼橡胶支座的等效阻尼比。在实际试验中，高阻尼橡胶支座的滞回曲线呈现椭圆形或月牙形，如图 1.1和图 1.2 所示。在剪切应变较小时，支座的刚度较大，随着剪切变形的增大，其刚度会软化，滞回曲线为椭圆形，但当剪切应变幅值达到一定程度后，高阻尼橡胶支座表现出明显的非线性特性，支座会出现刚度硬化现象[6]。
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2 高阻尼橡胶支座力学性能试验概况及结果分析

2.1 引言
随着减隔震技术的推广及应用，国内外对于隔震支座的研究逐步深入。但对高阻尼橡胶支座力学性能、恢复力模型的研究和支座的实际应用均有限，并且试验多在水平单向压剪状态下进行。而在实际地震荷载作用下，结构中的隔震支座处于多向受力状态，并且在作用过程中支座的受力状态是在不断发生变化的。在水平荷载和竖向荷载同时作用时，隔震支座的力学性能与仅考虑水平荷载作用的力学性能有很大不同。在固定竖向荷载作用下，进行水平双向循环加载，由于支座两个水平方向之间存在的耦合效应，使得支座的双向加载力学特性与支座的水平单向力学特性也有一定差别。因此，不仅仅要了解高阻尼橡胶支座在单向加载时的力学特性，更应深入研究高阻尼橡胶支座在多向受力状态下的力学性能，以及影响支座力学性能的重要因素。为研究高阻尼橡胶支座在多向受力状态下的力学特性，本课题组[43]对高阻尼橡胶支座进行了多向受力力学性能试验，本节对该力学试验概况进行介绍，并对试验结果进行更进一步的分析。
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2.2 高阻尼橡胶支座试件

为深入研究高阻尼橡胶支座的水平力学特性及其恢复力模型，根据 GB20668.3-2006 橡胶支座第 3 部分：建筑隔震橡胶支座[44]对高阻尼橡胶支座的橡胶钢板材料的要求、基本参数取值的要求、设计准则及现有试验条件，选用国内某橡胶隔震支座生产厂家生产的直径为 200mm 的高阻尼橡胶支座作为试验对象。高阻尼橡胶支座力学性能试验在华北水利水电大学土木工程综合实验室进行。本试验采用 MTS 电液伺服加载系统作为加载装置,平面内 X 方向和 Y 方向的位移加载设备分别采用编号为 1#和 2#的 2 台 500k N 电液伺服作动器，最大行程分别为±127mm、±381mm。Z 方向的竖向加载设备采用编号为 3#的 1 台1500k N 电液伺服作动器，最大行程为±254mm。三个方向的工作压力均为21MPa。试验过程中支座的受力与变形均由系统自动采集。加载过程中，竖向采用荷载控制加载，水平向采用位移控制加载。为实现高阻尼橡胶支座的多向加载，本课题组设计了如图 2.3 所示的力学试验平台。使用该平台对试验对象进行单向、双向或三向力学性能试验。试验平台实物图及试验现场示意图分别如图 2.3 和如图 2.4 所示。

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3 高阻尼橡胶支座单向恢复力模型....... 31
3.1 引言..... 31
3.2 考虑竖向压力相关性的恢复力模型.........31
3.2.1 多弹簧模型介绍.......... 32
3.2.2 双弹簧模型介绍.......... 33
3.3 模型改进方法........37
3.3.1 公式推导........ 38
3.3.2 试验曲线分析....... 39
3.4 单向压剪试验结果与计算结果对比.........45
3.5 本章小结.......... 49
4 高阻尼橡胶支座双向恢复力模型....... 51
4.1 引言..... 51
4.2 模型改进.......... 51
4.3 双向压剪试验结果与计算结果对比.........54
4.4 本章小结.......... 60
5 结论与展望...... 61
5.1 结论..... 61
5.2 展望..... 61

4 高阻尼橡胶支座双向恢复力模型

4.1 引言
在实际地震中，结构隔震层中的支座往往会受到双向地震作用而非单向。近年来，国内外许多学者对高阻尼隔震橡胶支座在水平双向荷载作用下支座的力学性能进行了试验研究与分析，发现支座在两个水平方向上的力和变形存在一定的耦合效应，即一个方向上力与位移的变化可能影响另一个方向上的恢复力特性，因此，在对隔震结构进行多维地震反应分析时，需要采用能反映支座在两个水平方向上力和变形耦合效应的恢复力模型。文献[33-37]基于高阻尼橡胶支座的双向水平压剪试验研究，提出了各种不同的双向恢复力模型，并证明了这些模型的有效性。本文对高阻尼橡胶支座 HDR-C 的水平双向压剪试验结果进行分析，发现在水平双向压剪试验中，高阻尼橡胶支座同样具有剪切应变相关性和竖向压应力相关性，并且相关性变化的规律与单向压剪试验时基本一致，但由于水平双向加载时两个方向之间力和变形相互耦合作用的影响，支座性能参数相关性变化幅度略有不同。在进行高阻尼橡胶支座的水平双向恢复力模型研究时，不仅要考虑竖向与水平向之间力和变形的耦合作用，而且要考虑两个水平方向力和变形之间相互作用的影响。基于以上试验结果分析，将已建立的水平单向恢复力模型进行扩展和改进，使其能够较好的反映高阻尼橡胶支座水平恢复力的双向耦合效应。
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结论

高阻尼橡胶支座作为普遍应用的隔震装置之一，其力学性能和恢复力模型的研究对于基础隔震结构的地震响应分析有着重要的作用。在实际地震作用下，隔震结构中的隔震支座处于多向受力状态，且其力学性能较为复杂，本文基于高阻尼橡胶支座的水平单向和水平双向压剪试验，对得到的试验曲线和试验数据进一步深入分析，研究影响高阻尼橡胶支座滞回特性的因素以及支座性能参数的变化规律。在此基础上，根据高阻尼橡胶支座的力学特性，选取合适的恢复力模型，结合支座试验分析结果，建立了高阻尼橡胶支座的恢复力模型。本文得到的结论如下：
（1）在高阻尼橡胶支座的水平单向、双向压剪试验中，支座的剪切性能具有剪切应变相关性和竖向压应力相关性。
（2）在水平双向压剪试验中，，高阻尼橡胶支座剪切性能的剪切应变相关性和竖向压应力相关性的变化规律与水平单向加载试验时一致，但是，水平双向耦合效应使得支座性能参数的相关性变化幅度较单向时略有不同。
（3）对高阻尼橡胶支座的恢复力模型进行了研究，通过对试验结果的深入分析，考虑竖向压应力、剪切应变的影响，建立了高阻尼橡胶支座的水平单向和双向恢复力模型。
（4）根据建立的水平单向和双向恢复力模型，编制相应的计算程序，模型计算结果与试验结果吻合良好，验证了所建立模型的有效性。
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参考文献(略)

本文编号：125064