高阻尼厚層橡膠支座力學性能試驗研究

祖萍萍，張 巍，雷亞輝，顧鎮媛，袁小軍，孫 昊

（1.江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210033；3.西安三好軟件技術股份有限公司，陜西 西安 710018；4.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019；5.淮安新業電力建設有限公司，江蘇 淮安 223021）

0 引言

目前，橡膠隔震體系在基礎隔震技術中應用最為廣泛、技術最為成熟。高阻尼橡膠支座滿足社會對隔震支座的高性能需求［1，2］，同時具備構造簡單、力學性能穩定、耗能能力強、屈服前剛度大、環保有利等優點，成為隔震支座的優良之選。與普通橡膠支座相比，高阻尼橡膠支座具有較高的等效阻尼比［3，4］，目前可做到 20 % 甚至更高，且因為無需搭配阻尼器使用，可以節省安裝空間。與鉛芯橡膠支座相比，高阻尼橡膠支座更加環保，另外后者屈服前剛度更大，對結構所受風荷載制動效果更好；當地震作用于結構時，高阻尼橡膠支座產生較大變形，剛度減小，可以實現更好的隔震效果。

普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座及高阻尼橡膠支座一般均為水平隔震支座，一般可降低結構水平地震加速度反應的 60 % 左右，但不能有效降低甚至會放大其豎向地震作用。而國內外近年發生的（特）大地震表明，高烈度區、尤其在近斷層附近地震區產生了較強的豎向地震動，甚至可能超過水平地震作用分量。隔震建筑降低水平地震作用后，峰值較高的豎向地震動便成為結構破壞的主要誘因。因此，豎向隔震技術成為國內外學者研究的熱點問題［5］，相對于水平隔震技術，豎向隔震技術的發展較為緩慢。國內外學者提出并研制了一些裝置，可以實現建筑結構的豎向或三維隔震［6-9］。但現存裝置有些造型較復雜難加工，且價格昂貴；有些還需額外的豎向附加阻尼器，加大了支座的豎向剛度，不利于豎向隔震。

厚層橡膠支座是重要的豎向隔震形式之一［10-12］。與普通橡膠支座相比，厚層橡膠支座橡膠層厚度明顯增大，一般后者為前者的 4～6 倍。厚層橡膠支座豎向剛度小，可有效延長結構豎向周期。綜合高阻尼橡膠材料支座和厚層橡膠支座的優點，本文設計了高阻尼厚層橡膠支座，研究支座的基本力學性能特點，并基于試驗結果提出了關于高阻尼厚層橡膠支座豎向剛度的理論公式修正。

1 支座力學性能理論

根據橡膠支座國家標準［13］，支座第一形狀系數 S1 等于橡膠層有效承壓面及其內部所開孔洞直徑的差值除以 4 倍的單層橡膠厚度，其值越大支座的豎向剛度越大，表明鋼板對橡膠的約束程度越強，承載能力越大；支座第二形狀系數 S2 等于橡膠層有效承壓面積的直徑除以橡膠層總厚度，其值越大表明支座水平剛度越大、穩定性越好。

在豎向壓縮荷載作用下，普通橡膠支座橡膠層受到鋼板的約束，因此豎向變形較小，記單層橡膠的壓縮剛度為kc，則支座豎向剛度見式（1）。

其中：tr、n分別為內部單層橡膠厚度和橡膠總層數；A為橡膠有效承載面積；Ecb為修正的表觀彈性常數，與橡膠的體積彈性模量Eb（可參考英國標準和文獻［14］取值）和表觀彈性模量Ec相關，計算公式見式（2）。

橡膠隔震支座的水平剛度KH可按 Haringx 理論［15］計算，見式（3）。

式中：W d為剪力-位移滯回曲線的包絡面積，通過試驗確定取值。

2 壓縮性能和剪切性能試驗

2.1 試驗概況

本次試驗試件采用國內某廠家生產的高阻尼厚層橡膠支座，試驗所用的多功能電液伺服加載系統及支座構造如圖 1、圖 2 所示。支座所用高阻尼橡膠材料配比為 50 %，硬度為 56 度，剪切模量G為 0.64 MPa；鋼板均采用 Q235，支座參數如表 1 所示。

2.2 豎向壓縮性能試驗

表1 高阻尼厚層橡膠支座基本參數

圖1 試驗加載裝置

圖2 高阻尼厚層橡膠支座模型（單位：mm）

在 0.01、0.02、0.05 Hz 和 0.1 Hz 這四種加載頻率下，對高阻尼厚層橡膠支座進行了不同預壓力、不同豎向壓力下的豎向壓縮性能試驗。在P±0.3P范圍內對支座的每個工況進行 4 個循環的加載卸載，加載 2 模式如圖 3 所示。

圖3 豎向壓縮性能試驗加載模式圖

在 4 種加載頻率下，對高阻尼厚層橡膠支座分別施加 2 900、3 400、3 700 kN 的豎向壓力，得到的荷載-位移曲線如圖 4 所示。可以看出，高阻尼厚層橡膠支座的豎向壓縮位移隨著豎向壓力的增加而增加；加載頻率較低時，加載頻率對支座豎向壓縮位移的影響很小，而較高的加載頻率（0.1 Hz）對支座的豎向壓縮位移影響較大，導致不同豎向壓力下支座的豎向壓縮位移明顯增大或者減小。

圖4 無預壓力下豎向壓縮荷載-位移曲線

當加載頻率為 0.1 Hz、豎向壓力P為 3 400 kN 時，對高阻尼厚層橡膠支座分別施加 1 700、2 040、2 720 kN 的預壓力，相應的加載幅值分別為 1 700、1 360、680 kN，得到的豎向滯回曲線如圖 5 示。從圖 5 中可以看出，隨著預壓力的增大，高阻尼厚層橡膠支座豎向滯回曲線趨于飽滿，但這一現象不夠明顯；當預壓力較大（2 720 kN）時，支座滯回曲線振蕩明顯。

圖5 不同預壓力下豎向壓縮荷載-位移曲線

高阻尼厚層橡膠支座在不同加載頻率下、不同預壓力、不同豎向壓力下的豎向壓縮荷載-位移曲線循環的第 3 次結果，豎向剛度見式（7）。

式中：P1、P2為第 3 次循環時的較小壓力、較大壓力，分別取 1.3P和 0.7P；Y1、Y2為第 3 次循環時的較小位移、較大位移。

在無預應力試驗工況下，高阻尼厚層橡膠支座豎向剛度的計算結果如表 2 所示。從表 2 中可以看出：在加載頻率相同的情況下，支座的豎向剛度隨著豎向壓力的增大而增大，這是由于高阻尼厚層橡膠支座鋼板的約束作用增大，橡膠在三向受壓的狀態下壓縮模量隨之增大。支座豎向剛度隨著加載頻率的增大而增大，與加載頻率 0.01 Hz 情況下相比，加載頻率為 0.02 Hz 時，不同豎向壓力下支座豎向剛度增大了 1.3 %～3.3 %；加載頻率為 0.05 Hz 時，支座豎向剛度增大了 8.1%～9.2 %；當加載頻率較高（0.1 H z）時，支座豎向剛度增大了 18.2 %～21.9 %。

表2 無預壓力情況下支座豎向剛度 kN/mm

表 3 列出了有預壓力（總豎向壓力為 2 900 kN）情況下支座的豎向剛度。從表 3 可以看出預壓力對高阻尼厚層橡膠支座的豎向剛度影響較大，而隨著預壓力的增大，支座的豎向剛度也隨之增大，甚至出現超過無預壓情況下支座豎向剛度的現象。

表3 有預壓力情況下支座豎向剛度 kN/mm

計算不同工況下支座豎向剛度的理論值，表 4 僅列出加載頻率為 0.1 Hz、無預壓情況下支座的豎向剛度計算結果對比。

表4 支座豎向剛度理論值與試驗值對比

2.3 支座水平剪切性能試驗

在 3 400 kN 的恒定軸向豎向壓力下，施加剪應變γ=100 % 的剪切位移測定高阻尼厚層橡膠支座的剪切性能，加載頻率為 0.01 Hz 和 0.008 2 Hz。試驗進行 4 次加載循環，得到的荷載-位移曲線如圖 6 所示。從圖 6 中可以看出，滯回曲線飽滿，呈月牙形，且水平加載頻率較小時，支座在多圈加載下狀態更加穩定。

圖6 水平荷載-位移曲線

記Q1、Q2為支座受到最大剪力、最小剪力，X1、X2為支座受到最大正向位移、最大負向位移。取第3次循環的測試值，按照式（8）計算支座的水平等效剛度，按式（6）計算支座的等效阻尼比。支座水平等效剛度及等效阻尼比如表 5 所示。

由表 5 可知，高阻尼厚層橡膠支座水平等效剛度、水平等效阻尼比的試驗值均小于理論計算值，且誤差均＜20 %，因此支座設計滿足規范要求。支座水平等效剛度受到加載頻率的影響，頻率越低，水平等效剛度越小，支座的等效阻尼比均在 9 % 左右，具有良好的耗能能力。

表5 支座水平等效剛度和等效阻尼比

2.4 支座剪切性能相關試驗

2.4.1 剪應變相關性試驗

試驗中，豎向緩慢、連續施加壓力至 3 400 kN，并保持壓力值不變，測定 0.01 Hz 和 0.008 2 Hz 頻率下，剪應變分別為 25 %、50 %、75 %、100 %時支座的水平等效剛度和等效阻尼比，支座的水平荷載-位移曲線如圖 7 所示，可以看出，加載頻率越大，支座的水平滯回曲線越飽滿。

圖7 不同剪應變下水平荷載-位移曲線

不同剪應變下，支座耗能的試驗結果如圖 8 所示，支座的等效阻尼比和水平等效剛度按式（6）和式（8）進行計算，結果如圖 9 和圖 10 所示。

由圖 8～圖 10 可知，支座的水平耗能隨著剪應變的增大而隨之增大，加載頻率僅在剪應變較大（γ=100 %）時對支座的水平耗能有影響，且影響較小。支座的水平等效剛度試驗值隨著剪應變的增大先降低后增大，當剪應變較小時，等效剛度較大，當剪應變較大時（50 %<γ<75 %），等效剛度較小，而當等效剛度繼續加大時（γ=100 %），等效剛度又緩慢增大。支座的等效阻尼比則隨著剪應變的增大呈現先增大后減小的趨勢。

圖8 不同剪應變下支座的水平耗能（kN·mm）

圖9 不同剪應變下支座水平等效剛度（kN/mm）

圖10 不同剪應變下支座等效阻尼比（%）

2.4.2 豎向壓力相關性試驗

在 0.01 Hz 加載頻率和 100 % 剪應變下，對支座分別施加 3 400、4 250、5 100 kN 的豎向壓力，試驗得到支座的水平滯回曲線如圖 11 所示。

不同壓力下支座的水平等效剛度和水平等效阻尼比的試驗計算結果如表 6 所示。由圖表可知，豎向壓力越大，支座的水平滯回曲線越飽滿。支座的水平等效剛度隨著豎向壓力的增加先增大后減小，而水平等效阻尼比隨著豎向壓力的增大而增大，這是因為較大的豎向壓力讓橡膠層的三向應力值提高，當承受水平變形時，橡膠的非彈性更加明顯，導致橡膠的等效阻尼比變大。

表6 不同豎向壓力下支座水平等效剛度和等效阻尼比

圖11 支座豎向滯回曲線

3 豎向剛度修正

由表 4 可以看出，高阻尼厚層橡膠支座的豎向剛度試驗值均比理論值偏大，這是因為，當橡膠總厚度相同時，普通薄層橡膠支座在壓力作用下，橡膠受到鋼板的約束作用明顯，支座的豎向剛度較大；而厚層橡膠支座的單層橡膠厚度較大，鋼板對橡膠的約束作用有限，橡膠產生較大的橫向變形，其豎向剛度較小。高阻尼厚層橡膠支座的豎向剛度試驗值與按規范計算的理論值誤差太大，已經不能適應工程設計的要求，因此有必要對理論值進行修正。

經研究，支座豎向剛度的試驗值與理論值誤差與壓應力和支座的S1有關，對理論公式進行修正，修正公式參照文獻［18］見式（9）、式（10）。

式中：C為修正系數，可通過試驗擬合得到；σ0為設計壓力。

得到支座豎向剛度理論修正值，與試驗值對比結果如表 7 所示。支座豎向剛度試驗值及修正值隨壓力變化的情況如圖 12 所示。由圖表可以看出，修正之后的豎向剛度均略小于試驗值，與試驗值誤差均＜25 %，修正方法基本可行；豎向壓力越小，支座豎向剛度的修正值與試驗值誤差越小。

表7 支座豎向剛度理論修正值與試驗值對比

圖12 支座豎向剛度修正值與理論值的誤差對比

4 結論

通過試驗研究，分析了豎向壓力、預壓力、剪應變、加載頻率對高阻尼厚層橡膠支座力學性能的影響，主要得到以下結論。

1）豎向和水平剪切荷載作用下，支座的滯回曲線飽滿，表明支座耗能性能良好且穩定。

2）支座的豎向剛度隨著豎向壓力、預壓力、加載頻率的增大而增大，且加載頻率較高時對支座豎向剛度的影響更大，剛度增加幅度在 20 % 左右。

3）支座的水平等效剛度隨著剪應變的增大先降低后增大，等效阻尼比則隨著剪應變的增大呈現先增大后減小的趨勢。支座的水平力學性能受加載頻率的影響較小，不同加載頻率下的差距在 5 % 以內。隨著豎向壓力的增大，支座耗能能力增大。

4）支座的豎向剛度試驗值與理論值誤差太大，已經不能適應工程設計的要求，對理論值進行了修正，修正之后的豎向剛度均略小于試驗值，與試驗值誤差均＜25 %，修正方法基本可行。Q