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(xué)土木工程學(xué)院 陜西西安 710055）

摘要：隔震支座的受拉驗(yàn)算是隔震設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。目前，橡膠隔震支座多數(shù)采用拉壓剛度相等單元模擬，這會使計(jì)算出的支座拉應(yīng)力過大。本文通過中單元與單元并聯(lián)來共同模擬橡膠隔震支座，更加真實(shí)的反應(yīng)支座豎向剛度。

關(guān)鍵詞：隔震支座；單元；單元；并聯(lián)；拉壓剛度

1 引言

現(xiàn)代隔震技術(shù)中，研究得最成熟且工程應(yīng)用最廣的是疊層橡膠隔震技術(shù)[1]。該技術(shù)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(jié)構(gòu)的自振周期，減少上部結(jié)構(gòu)的地震能量輸入，使上部結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中仍處于彈性狀態(tài)，確保建筑物和人員的生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。因此，能否準(zhǔn)確模型橡膠支座就變得至關(guān)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(jìn)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(jīng)有文獻(xiàn)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(jì)算出支座的拉應(yīng)力，這對于大高寬比隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展是非常不利的。因此，要想準(zhǔn)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(fù)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(guān)系如圖：

其中，k為彈簧剛度，為彈簧的內(nèi)部變形，為縫隙的寬度（應(yīng)為正值）。當(dāng)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(jìn)[5]

本文將Isolator1單元與Gap單元并聯(lián)使用，共同模擬改進(jìn)后拉壓剛度不等的橡膠隔震支座單元。設(shè)改進(jìn)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(jìn)后的Isolator1單元豎向剛度變?yōu)棣?k1，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(chǎn)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(jìn)后的支座單元，當(dāng)支座處于壓縮狀態(tài)時，支座的豎向剛度由Isolator1單元與Gap單元共同承擔(dān)，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(dāng)支座處于拉伸狀態(tài)時，支座的豎向剛度僅由改進(jìn)后的Isolator1單元承擔(dān)，大小為η1k1，兩個水平方向剪切剛度仍為k2=k3。

3 隔震結(jié)構(gòu)時程分析

3.1 工程概況

該工程為天水市某康復(fù)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(jié)構(gòu)，總結(jié)構(gòu)高度41.1m，高寬比為2.6，抗震設(shè)防烈度為8度（0.3g）。

通過計(jì)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(jù)文獻(xiàn)[6]建議取1/8，改進(jìn)前后支座參數(shù)見表1。地震波采用E1-Centro波、Taft波和人工波，取包絡(luò)值計(jì)算，將結(jié)構(gòu)在8度（0.3g）罕遇地震作用下的隔震效果進(jìn)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(yīng)力不能滿足規(guī)范要求[7]，而在采用單元與單元并聯(lián)模擬橡膠隔震支座后，由于更加真實(shí)的反應(yīng)了支座的受拉剛度，因此在荷載組合下計(jì)算不產(chǎn)生拉應(yīng)力。由此可以看出，要想真實(shí)的反應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)的水平性能。由此可以得出，本文對橡膠隔震支座力學(xué)性能的模擬是準(zhǔn)確的。該方法可以應(yīng)用到隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中，對于大高寬比隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有一定的推動性。

4 結(jié)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(jì)支座的受拉剛度，與實(shí)際不符。

（2） 采用Isolatorl單元與Gap單元并聯(lián)模擬橡膠隔震支座的方法，能更加真實(shí)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(jìn)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(xiàn)拉應(yīng)力的幾率大大減小，并且改進(jìn)后的模型不會改變上部結(jié)構(gòu)的水平性能。該方法可以應(yīng)用到隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中，對于大高寬比隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有一定的推動性。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 周福霖. 工程結(jié)構(gòu)減震控制[M]. 北京： 地震出版社， 1997.

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