橡膠隔震支座考慮拉壓剛度不等時的模擬研究

陳浩+晁昕逸

（西安建筑科技大學土木工程學院 陜西西安 710055）

摘要：隔震支座的受拉驗算是隔震設計中的重要環節。目前，橡膠隔震支座多數采用拉壓剛度相等單元模擬，這會使計算出的支座拉應力過大。本文通過中單元與單元并聯來共同模擬橡膠隔震支座，更加真實的反應支座豎向剛度。

關鍵詞：隔震支座；單元；單元；并聯；拉壓剛度

1 引言

現代隔震技術中，研究得最成熟且工程應用最廣的是疊層橡膠隔震技術[1]。該技術由疊層橡膠支座形成隔震層，通過隔震層的水平變形延長結構的自振周期，減少上部結構的地震能量輸入，使上部結構在強震中仍處于彈性狀態，確保建筑物和人員的生命財產安全[2]。因此，能否準確模型橡膠支座就變得至關重要。

2 橡膠隔震支座模型

2.1 Isolator1單元[3]

目前，橡膠隔震支座一般采用單元來進行模擬。該單元的軸向可以保持線性屬性，只需要定義該方向的有效剛度和有效阻尼，有效剛度在整個分析過程中保持不變，即拉壓剛度始終相等；單元的兩個水平剪切方向可以自由的定義線性或者非線性行為。

目前，已經有文獻指出，橡膠隔震支座并非拉壓剛度相同，而是受拉剛度只有受壓剛度的[4]。因此，采用拉壓剛度相等的單元來模擬橡膠隔震支座，必然會過大的計算出支座的拉應力，這對于大高寬比隔震結構的發展是非常不利的。因此，要想準確模擬橡膠隔震支座，必須要選用拉壓剛度不等的豎向恢復力模型。

2.2 縫（Gap）單元[3]

單元為只能承受壓力的非線性連接單元，即只有豎向壓縮剛度，沒有拉伸剛度，兩個水平方向的剪切剛度也為零。其非線性的力-變形關系如圖：

其中，k為彈簧剛度，為彈簧的內部變形，為縫隙的寬度（應為正值）。當壓縮變形增加到大于縫隙寬度時，彈簧開始起作用。

2.3 橡膠隔震支座模型的改進[5]

本文將Isolator1單元與Gap單元并聯使用，共同模擬改進后拉壓剛度不等的橡膠隔震支座單元。設改進前橡膠支座的豎向剛度為K1，兩個水平方向剪切剛度為k2=k3。改進后的Isolator1單元豎向剛度變為η1k1，拉壓剛度比η1的取值范圍是1/5-1/10，兩個水平方向剪切剛度不產生變化，仍為K2=K3。Gap單元豎向剛度為（1-η1）k1，兩個水平方向剪切剛度為零。

對于改進后的支座單元，當支座處于壓縮狀態時，支座的豎向剛度由Isolator1單元與Gap單元共同承擔，豎向剛度大小為η1k1+（1-η1）k1=k1，兩個水平方向剪切剛度為K2=K3；當支座處于拉伸狀態時，支座的豎向剛度僅由改進后的Isolator1單元承擔，大小為η1k1，兩個水平方向剪切剛度仍為k2=k3。

3 隔震結構時程分析

3.1 工程概況

該工程為天水市某康復中心，主平面尺寸為55.2m×15.9m，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，總結構高度41.1m，高寬比為2.6，抗震設防烈度為8度（0.3g）。

通過計算，本工程選取600mm和700mm兩種直徑橡膠隔震支座，其中LNR為天然橡膠支座，LRB為鉛芯橡膠支座，支座布置如圖1所示，支座拉壓剛度比根據文獻[6]建議取1/8，改進前后支座參數見表1。地震波采用E1-Centro波、Taft波和人工波，取包絡值計算，將結構在8度（0.3g）罕遇地震作用下的隔震效果進行分析。

3.2 時程分析

從表2可以看出，采用拉壓剛度相等的單元模擬橡膠隔震支座時，支座的拉應力不能滿足規范要求[7]，而在采用單元與單元并聯模擬橡膠隔震支座后，由于更加真實的反應了支座的受拉剛度，因此在荷載組合下計算不產生拉應力。由此可以看出，要想真實的反應橡膠隔震支座豎向性能，必須采用拉壓剛度不等的模型。

表1 隔震支座豎向剛度

改進后的支座模型由于沒有改變支座的水平剛度，因此不會影響上部結構的水平性能。由此可以得出，本文對橡膠隔震支座力學性能的模擬是準確的。該方法可以應用到隔震結構計算分析中，對于大高寬比隔震結構的發展具有一定的推動性。

4 結論

（1） 模擬橡膠隔震支座時，若采用拉壓剛度相等的模型，會過大的估計支座的受拉剛度，與實際不符。

（2） 采用Isolatorl單元與Gap單元并聯模擬橡膠隔震支座的方法，能更加真實的模擬橡膠隔震支座拉壓剛度不相等這一非線性特性，并且不會改變支座的水平性能。

（3） 采用改進后的模型模擬橡膠隔震支座時，在罕遇地震作用下隔震支座出現拉應力的幾率大大減小，并且改進后的模型不會改變上部結構的水平性能。該方法可以應用到隔震結構計算分析中，對于大高寬比隔震結構的發展具有一定的推動性。

參考文獻：

[1] 譚平， 周福霖. 隔震技術的研究與工程應用[J]. 施工技術， 2008， 37（10）： 5-8.

[2] 周福霖. 工程結構減震控制[M]. 北京： 地震出版社， 1997.

[3] 北京金土木軟件技術有限公司. ETABS中文版使用指南[M]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2004.