橡胶隔震支座竖向性能试验研究 kdh-

1、第25卷第2期 辽宁工程技术大学学报 2006年4月 V ol.25 No.2 Journal of Liaoning Technical University Apr. 2006收稿日期:2004-05-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50325826,50278006;广东省重点实验室广州大学工程抗震中心开放基金项目 作者简介:韩 强(1974-,男,河南 信阳人,博士研究生,主要从事工程抗震方面研究,E-mail :hanq 。本文编校:赵 娜文章编号:1008-0562(200602-0217-03橡胶隔震支座竖向性能试验研究韩 强1,刘文光2,杜修力1,赵建锋1(1.北京工业

2、大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京 100022; 2.广州大学 工程抗震研究中心,广东 广州 510405摘 要:为了全面评价隔震橡胶支座的竖向性能,特别是在压缩剪切变形状态下的竖向性能,对铅芯橡胶支座和天然橡胶支座的竖向性能进行了试验研究,分析了这两种隔震支座在压缩剪切变形状态下偏压竖向刚度以及竖向变形量等特性。结果是随着剪切变形的增加,隔震橡胶支座的竖向刚度逐渐减小;由剪切变形和竖向压力产生的竖向沉降量的比例是不断变化的。因此,在全面评价橡胶隔震支座特性时,单纯压缩竖向刚度不足以全面反应橡胶隔震支座的竖向压缩性能,关键词:橡胶隔震支座;竖向变形;压缩剪切变形;偏压竖向刚度 中

3、图分类号:TU 352.1 文献标识码:ATest study on vertical property of rubber isolatorsHAN Qiang 1, LIU Wen-guang 2, DU Xiu-li 1, ZHAO Jian-feng 1(1. Beijing Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University ofTechnology ,Beijing 100022, China ;2. EERTC, Guangzhou University, Guangzhou 5104

4、05, ChinaAbstract :In order to reveal the evaluate property of rubber isolators, especially the vertical property at shear-compression deformation, vertical property tests of rubber isolators at shear-compression are performed with different parameters. The biasing pressure vertical stiffness and ve

5、rtical deformation properties at shear-compression state are studied. The vertical stiffness decreases with shear deformation increase and the ratio of quantity of vertical deformation producing shear deformation and vertical stress is variable. So the pure vertical compressive stiffness is not enou

6、gh estimated with vertical compressive property of rubber isolator.Key words :rubber isolators ;vertical deformation ;shear-compression deformation ;biasing pressure vertical stiffness0 引 言近20年,由于地震震害的教训,各国专家学者对桥梁抗震十分重视,开展了广泛研究。同传统的桥梁抗震设计方法不同,桥梁隔震设计1是通过引入隔震装置来延长结构的周期,达到改变结构动力特性的目的,以避开地震能量相对集中的频段,并利用

7、耗能装置来抑制结构的位移,从而达到全面降低结构动力响应的目的设计方法。 橡胶隔震支座是一种有效的桥梁结构减震装置,一些文献已经对橡胶支座的力学性能进行了一些试验研究,特别是其水平和竖向力学性能2-4。长期稳定的承载能力是橡胶支座最重要的基本性能,橡胶支座的竖向刚度是其评判其竖向性能的重要参数之一。选择合理的竖向刚度,使隔震结构体系在正常载荷下不出现过大的竖向变形。合理确定隔震结构竖向自振周期,以避免地震或者设备与结构的动力相互作用5等引起的共振效应。目前橡胶支座的竖向力学性能的试验研究主要有纯抗压弹性模量试验,动态竖向刚度及稳定试验等。然而在地震作用时,橡胶支座处于压缩剪切等复合状态,在这种状

8、态下橡胶支座的竖向压缩性能及竖向变形量,是橡胶支座在地震作用下工作的真实状态,本文在对橡胶支座常规的单纯压缩状态下竖向性能试验研究的同时,主要对其在压缩剪切变形状态下的竖向性能进行了试验,试验方法如文献4-6,并对其在压缩剪切变形状态下偏压竖向刚度以及竖向变形量等特性进行了分析研究。1 试验装置 根据橡胶隔震支座的试验内容和试验体等相关因素,主要试验加载装置为竖向10 000 kN 千斤顶、水平±500 kN 电液伺服加载系统,用于试验体的压缩、压缩剪切等试验。竖向采用千斤顶,水平作动器为电液伺服系统加载,正弦波加载。水平向最大位移±200 mm ,单向最大位移400 mm

9、 ,最大采样频率100 Hz 。辽宁工程技术大学学报 第25卷2182 试验体及其基本力学性能 本试验采用4个直径300 mm 的RB 支座和LRB 支座进行,试验体规格参见表1。表1 试验体详细规格Tab.1 detailed specification of specimens试验体 编号支座 直径 /mm弹性系数/mm 2中孔 直径/mm 橡胶 总厚度/mm 第一形状系数S 1 第二形状系数S 2 截面惯性矩/mm 4RB-300-1 300 0.55 60 62.4 23.3 4.8 3.97e8RB-300-2 300 0.55 60 62.4 24.0 5.0 3.97e8LRB-

10、300-1 300 0.55 60* 62.4 27.8 4.8 3.97e8LRB-300-2 300 0.5560*62.4 30.0 5.0 3.97e8 * 铅芯直径等于中孔直径n 层橡胶构成的橡胶隔震支座在纯压缩状态下的竖向刚度理论计算式2为rcb v nt AE K = (1式中,cb E 为橡胶支座的修正压缩弹性模量,A 为有效受压面积,r t 为一层橡胶的厚度。K v 的试验评价方法为:在设定竖向压缩应力0时,按照设定压缩应力0±30%0施加相应的竖向载荷,取P max 、P min 和相应的max 、min 按式(2计算,如图2。 minmax minmax =P

11、P K v (2各试验体在纯压缩状态的竖向刚度和竖向压缩 =10 N/mm 2、剪切应变 = ±100%的基本性能试验,结果如表2所示。表2 试验体基本力学性能Tab.2 basic mechanics property of specimens试件号竖向刚度 K v /(kN·mm -1 竖向变形量 /mm 水平刚度 K h /(kN·mm -1 屈服后刚度K y /(kN·mm -1阻尼比e /% RB-300-1 915 1.44 0.681 0.618 5.3RB-300-2 936 1.54 0.632 0.581 4.9LRB-300-1 1

12、503 0.77 1.042 0.701 21.3LRB-300-2 15000.801.0070.684 21.53 偏压竖向刚度试验偏压竖向刚度试验分别完成了剪切应变0、10%、20%、50%、100%、150%、200%和300%状态下的刚度试验,图1给出了RB 支座和LRB 支座两种类型的偏压竖向刚度试验结果,随着切变形的增加,RB 和LRB 隔震支座的竖向刚度有减小的趋势。4 偏压竖向变形量试验图2是RB 和LRB 支座在竖向压缩应力为5,10,15 N/mm 2;剪切应变为±20%,±50%,±100%,竖向变形/mm 竖向压力/k N竖向变形/mm竖

13、向压力/k N 图1 RB 支座和LRB 支座的偏压竖向刚度试验结果Fig. 1 test result of biasing pressure vertical stiffness of RB and LRB specimens 竖向沉降变形V 2/m m剪切应变/%剪切应变/%竖向沉降变形V 2m m0.51.5图2 RB 和LRB 支座剪切应变与竖向变形的关系 ( = 5,10,15 MPa Fig.2 relation between shear strain and vertical deformation of RB and LRB specimens (=5,10,15 MPa第

14、2期 韩 强等:橡胶隔震支座竖向性能试验研究 219 ±150%时剪切应变与竖向压缩变形的关系曲线。图3为RB 和LRB 支座在竖向压缩应力 = 10 MPa 、剪切应变 = ±300%时剪切应变与竖向压缩变形的理论计算和试验结果曲线。RB 支座在中、小剪切应变区域,橡胶隔震支座的竖向变形以压缩产生的变形为主,随着剪切应变的进一步增大,由剪切和弯曲产生的竖向变形迅速增大,成为竖向变形的主要构成部分。LRB 支座由于铅芯的存在和橡胶、钢板对铅芯的约束作用,在剪切应变达到300%时,竖向变形量的增加较RB 支座增长缓慢。橡胶隔震支座压缩剪切变形状态下的竖向变形量由两部分组成:一

15、部分是由于剪切变形产生的竖向沉降量,一部分是由于竖向压力产生的压缩变形。剪切弯曲引起的竖向变形量与压缩引起的竖向变形量随剪切变形变化的比例,在一定压力作用下,随着剪切变形的增加,剪切弯曲产生的竖向变形量逐渐增加,最大值约为压缩变形的一半。在剪切应变 = 200%时,随着竖向压力的增加,剪切弯曲引起的竖向变形量所占比例不断降低,与此相反,压力引起的变形量比例逐渐增大,在压缩应力 = 10 MPa 时,压缩引起的竖向变形量占总竖向变形量的75.2%。5 试验结果分析随着剪切变形的增加,RB 和LRB 隔震支座竖向刚度呈连续减小趋势,在剪切应变达到200%时,RB 两个试件的竖向刚度分别降低了19%

16、和34%,LRB 两个试件分别降低了23%和38%,RB 和LRB 两个橡胶支座其基本力学性能非常接近,而偏压竖向刚度性能则相差近15%。RB 支座和LRB 支座试验体在剪切变形 = 0%时竖向刚度相近,在剪切应变200%时竖向刚度相差近20%,因此单纯压缩竖向刚度不足以全面反应橡胶隔震支座的竖向压缩性能。随着竖向压缩应力和剪切应变的增加,RB 和LRB 支座的竖向变形都表现出增加的趋势。竖向压力相关的变形随着压缩应力的增加近似呈线性增加,与剪切应变相关的竖向变形则随着竖向压缩应力的增加,呈现出非线性增长的特性。 参考文献:1 Skinner R I, Robinson W H, Mcverr

17、y, G H.工程隔震概论M.谢礼立,周雍年,赵兴权,译.北京:地震出版社,1996.2 Lindley P B. Natural Rubber Structural BearingsJ. Joint Sealing andBearing System for Concrete Structures,1981,(1:353-378.3 刘文光,三山刚史,冯德民,等. 橡胶隔震支座竖向刚度简化计算法J.地震工程与工程振动,2001,21(4:111-116.4 藤田隆史,藤田聪,铃木重信,等. 建筑隔震用橡胶隔震支座相关试验研究A. 日本机械学会论文集C. 东京:彰国社,1988:2618-2623.5 薛 茹,安千里,刘升贵.结构-设备互动减震体系的时程分析J. 辽宁工程技术大