輪胎隔震墊力學性能試驗與分析*

馮 帆

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

由于廢舊疊層輪胎具有一定的隔震作用，可將其應用于建筑構建中的隔震材料，通過廢舊疊層輪胎的使用，將在一定程度上降低建筑構建過程中成本的消耗，除此之外，廢舊疊層輪胎還具有操作簡便以及施工方便等特點，具有一定的推薦價值。然而廢舊疊層輪胎在日常的儲存過程中極易因荷載以溫度等因素的作用下發生老化，該變化將影響隔震效果，從而造成建筑的安全性降低。因此，本文將針對廢舊疊層輪胎進行充分利用，使其形成隔震墊，將其應用于建筑工程之中，并對其進行力學性能的相關研究，通過該方法，保護建筑物的同時實現了節能環保的目的，具有重要意義。

1 動力分析數值模型

1.1 STP支座動力性能

STP支座在實驗過程中將上部墻體與基礎之間作為本次實驗的設置參數，其主要實驗原料是通過將廢舊汽車的輪胎切割成塊后形成胎冠并進行相互折疊，具體的制作方法通過切割機將廢舊的輪胎進行切割，切割過程中首先將輪胎的胎側進行裁剪，最終保留其胎冠，并將胎冠以方形的形式進行保留，從而形成STP支座，STP支座具有一定的優勢，在制作過程中成本低廉，具有一定的節能環保作用。通過以往對STP支座進行動力實驗分析可知STP支座水平力雙線性恢復力模型如圖1所示，

圖1 STP支座水平力雙線性恢復力模型Fig.1 Bilinear restoring force model of horizontal force of STP bearing

從圖中可以觀察到STP支座的等效水平剛度為636.4kN/m，通過該數值可以計算出等效粘滯阻尼比值，該比值將由相關公式計算后得出的數據為0.169，該實驗過程將選取雙向低周反復加載試驗作為本次試驗的基礎，該試驗具有一定的參考價值，在以往的實驗過程中，該試驗獲得用東洋品牌輪胎制作的STP參數，通過該參數可以得知支座的尺寸為180mm×200mm×50mm，除此之外，還將利用鄧祿普品牌的輪胎進行實驗，并設計制作平面尺寸為180mm×180mm的方形STP支座，可以通過該參數得知設計面壓以及極限面壓分別為5MPa、10MPa,其試件編號及參數如表1所示[1]。

表1 試件編號及參數Table 1 Specimen number and parameters

1.2 建筑設計中隔震結構要點

在工程制作過程中將以某村鎮作為實驗基地，并以3層框架結構的形式進行抗震建筑設計，將該工程的平面尺寸參數指標定義為18.2m×11.65m，總建筑面積為212.03m2,除此之外，還將對地上建筑的總高度設計為10m，每層框架的層高分別為3.4m、3.3m、3.3m,樓高設計完畢后，將針對結構梁板柱進行分析，最終將采用C30混凝土進行現澆，其內墻以及外墻均采用頁巖空心磚，該建筑工程將針對場地抗震設防烈度、基本地震加速度值進行設計，其中場地抗震設防烈度為8度，而基本地震加速度值為0.2g，通過相關數據可以得知該房屋的標準層結構平面布置如圖2所示。

圖2 結構平面布置Fig.2 Structure layout

通過結構平面布置的設計可以針對其結構模型以及隔震支座進行相關布置，在對該建筑的非隔震以及隔震結構模型的分析實驗中，將采用大型建筑有限元分析軟件SAP2000進行建立，通過仿真模型的建立可以將梁柱的單元通過框架線的方式進行建立，而樓板將采用薄膜單元。除此之外，將隔震結構中的支座模擬單元通過SAP2000中的Rubber isolator單元進行模擬試驗，在實驗過程中，由于設計面壓以及極限面壓分別為5MPa、10MPa，除此之外，還應考慮支座的尺寸，通過相關公式計算后最終將支座的尺寸擬定為380mm×380mm×50mm，將所得數據信息輸入至Rubber isolator單元進行分析。通過該設計分析，最終該建筑工程試驗將選取16組隔震支座進行設計，除此之外，還將針對每根梁柱增設隔震層。

2 結構的地震響應分析

2.1 地震波的選取

通過相關規范要求可知在地震波的選取中應嚴格按照規范進行選取，通常狀態下，應選取3條地震波，而在本次地震響應分析中將選取2條地震波進行實際強震記錄，2條地震波分別是EL Centro波以及Hollister波，除此之外，還將針對人工合成加速度實時曲線進行人工波選擇，該波形稱之為人工波1（Rgb1），通過相關公式進行計算時可以得知3條地震波均滿足相關規范條件。

2.2 地震作用下結構反應對比

通過本文的實驗將針對地震作用下的結構反應進行不同種分析，分別為模態分析、設防烈度下的計算分析以及罕遇烈度下的計算分析，其中模態分析將通過對傳統抗震結構以及STP隔震結構進行模態分析對比，最終得出該結構下的自振周期，非隔震和隔震下的自振周期見表2，從表2中可以看出非隔震和隔震下的自振周期處于延長狀態，該狀態主要取決于隔震層，因該結構中隔震層的存在，可以有效避開場地的特征周期，從而有效降低水平地震作用，間接地降低上部結構。設防烈度下的計算分析過程將在其中輸入PGA200cm/s2,其中PGA指的是地震加速度峰值,在該工況下，通過相關計算可以得出非隔震和隔震結構樓層中的最大加速度數據，從該數據中可以得知非隔震結構下的加速度由上至下處于逐漸增大的過程，在頂層被放大至2.65～2.94倍，通過隔震過程后的頂層加速度值約為非隔震結構的30%，變化過程相對較小，通過隔震可以使結構處于水平運動狀態，從而降低地震對人體造成的震動感，該結構將在一定程度上提高安全性能，通過STP技術將提高整體經濟效益。罕遇烈度下的計算分析過程將在其中輸入PGA400cm/s2,并對其進行大震下的彈塑性時程分析，通過該分析可以得知在罕遇地震作用下的隔震結構與非隔震結構層間剪力比的最大值為0.48，該結構比值可以體現該建筑工況的減震效果具有一定的安全性，除此之外，將對隔震支座間的最大水平位移以及最大面壓進行驗算，通過驗算可知隔震支座間的最大水平位移以及最大面壓將超過極限值，由于超出限度范圍不大，將通過改變支座尺寸的方式滿足罕遇地震相關性能的要求[2]。

表2 非隔震和隔震下的自振周期Table 2 Natural vibration period under non-isolation and isolation

3 輪胎隔震墊豎向力學性能及老化試驗

3.1 老化試驗原理

本次試驗將采用實際環境溫度為23℃的數據進行相關實驗，除此之外，還將加速老化的實驗溫度設置為100℃，并通過STP熱空氣加速老化實驗的理論數據，將本次實驗的計算公式定義為：

式（1）中：t代表老化的時間；T代表老化的絕對溫度；E代表活化能；R代表氣體常數。

3.2 豎向力學性能實驗

本文將針對STP支座進行軸壓實驗以及極限軸壓承載力實驗，通過兩項試驗對輪胎的隔震墊進行豎向力學性能研究，在實驗初始前針對實驗裝置的選擇將采用5000kN軸壓試驗機，該試驗機具有一定的優勢，可將豎向力設置為5000kN，在5000kN的力的作用下進行實驗可將輪胎的性能最大限度的發揮。在實驗過程中將實驗的加載速率設置為0.1kN/s，實驗結束時間將以實驗樣品完全被破壞的時間為準，通過該試驗可將實驗樣品在豎向面壓為 時的豎向剛度按照公式（2）進行計算。

式（2）中：P1=(1-30%)P0;P2=(1+30%)P0;Y1所 代表的含義為豎向面壓為P1時的位置移動；Y2代表的含義是豎向面壓為P2時的位移。得到在不同豎向面壓下STP支座豎向剛度如圖3所示。

圖3 在不同豎向面壓下STP支座豎向剛度Fig.3 Vertical stiffness of STP support under different vertical surfaces

通過實驗分析可知豎向荷載與輪胎胎冠內部橡膠橫向變形為正向相關關系，豎向荷載增大的同時，輪胎胎冠內部橡膠橫向變形也隨之增大，除此之外，內部鋼絲網在橡膠拉伸力的作用下也處于增長狀態，當豎向荷載達到自身壓力的極限時，STP支座將發出爆裂聲，通過該現象提示工作人員支座被破壞，最終驗證豎向極限壓力為370kN[3]。

4 輪胎隔震墊水平性能試驗

4.1 壓剪實驗

本文將針對壓剪實驗采用10000kN壓剪試驗機進行實驗，通過10000kN壓剪試驗機對STP支座進行相關實驗，分別是單側壓剪實驗以及豎向面壓相關性實驗,根據表1中的編號數據，可將1#和3#支座與胎冠表面凹槽的縱向位置形成平行關系進行壓剪實驗，而2#和4#支座與胎冠表面凹槽的橫向位置形成垂直關系進行壓剪實驗。該過程將在豎向壓力P0=200kN的作用下進行相關實驗，除此之外，還將采用位置移動控制對該裝置施加水平力，卸載時間以STP支座失效時間為準，此時加載速率為0.05mm/s，最終得到的結論將通過式（3）進行計算，其數值分別為1.23、1.26、1.37、1.35 kN/mm。

式（3）中：Fmax所代表的的含義為最大水平剪切力； ?max所代表的的含義為最大水平剪切位移。

通過該公式可將豎向壓力設置為200、250、300 kN，通過3種不同作用力向STP支座施加水平作用力，直至STP支座失效后將其卸載，得出水平剛度的豎向面壓相關性曲線，如圖4所示。通過圖4可以得出在豎向壓力的作用下，STP支座的水平剛度隨著豎向壓力的不斷變化，自身始終保持恒定狀態，且剪切力基本相同[4]。

圖4 水平剛度的豎向面壓相關性曲線Fig.4 Vertical surface pressure correlation curve of horizontal stiffness

4.2 斜壓實驗

為保證實驗結果的準確性，本文將針對STP支座進行斜壓實驗，采用5000kN軸壓試驗機進行實驗，該試驗機中最大豎向荷載為5000kN，通過5000kN軸壓試驗機對STP支座進行相關實驗，根據表1中的編號數據，可將1#和3#支座與胎冠表面凹槽的縱向位置形成平行關系進行斜壓實驗，而2#和4#支座與胎冠表面凹槽的橫向位置形成垂直關系進行斜壓實驗。該試驗主要將STP支座放置于軸壓機中的上、中、下三塊契塊間，并向其中施加豎向壓力，直至STP支座剪切變形，從而造成中間契塊出現位置移動，本次移動將以水平形式進行，將其形成的位置移動關系通過公式（4）、（5）進行計算，最終得到的水平剛度平均值分別是1.60、1.54、2.27、2.22 kN/mm，通過水平剛度的計算結果可知壓剪實驗以及斜壓實驗結果的不同是由于各自原理的差異性造成的，其結果一致。

上式中：P表示豎向壓力，θ表示契塊之間形成的坡度，?表示中間鋼板在力的作用下產生的水平位移，tr表示STP支座的總厚度，A為支座的表面積,Psimθ代表的含義為水平狀態下的剪切力，?cosθ為水平狀態下的剪切位移，Psinθ/A為水平狀態下的剪應力，?/trcosθ而 為水平狀態下的剪應變[5]。

5 結束語

本文主要以STP支座的參數數據作為該實驗的基礎，通過將STP防震技術應用于該實驗中，將其分為三層框架，通過動力有限元對實驗進行分析，最終得知STP隔震結構處于地震狀態下時，其上部結構將以整體水平平動的方式進行移動，除此之外，STP具有一定的耗散作用，可將地震對于房屋傳遞的力量進行瓦解，通過該方式預防重大事故的發生從而對房屋造成損害。通過相關計算表明STP隔震技術可以通過延長該結構的自振周期，從而達到減少共振風險的目的。在未來的發展過程中，將針對STP支座的安全性能進行主要研究。