導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座力學(xué)性能研究

張龍飛， 陶 忠， 潘 文， 張戰(zhàn)書， 蘭 香， 曾傳旺

(1. 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500； 2. 昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；3. 昆明新正東陽建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，昆明 650000； 4. 云南震安減震科技股份有限公司，昆明 650217)

基礎(chǔ)隔震是一種簡(jiǎn)單有效的減震技術(shù),目前已被廣泛用于各種中、低層建筑中，并取得了良好的減震效果[1]。隨著政府相關(guān)部門對(duì)隔震技術(shù)的大力推廣，近年來這一技術(shù)又被逐步推廣應(yīng)用于高層及超高層建筑中，如昆明天湖景秀百米高剪力墻棚改項(xiàng)目[2]。我國(guó)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2010明確要求隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,即使出現(xiàn)拉應(yīng)力也應(yīng)控制在1.0 MPa以下[3],但由于高層建筑較大的高寬比導(dǎo)致其在地震作用下的傾覆效應(yīng)較大,易使隔震支座產(chǎn)生拉應(yīng)力。然而橡膠隔震支座抗拉能力不強(qiáng),受拉后內(nèi)部易形成負(fù)壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生許多空孔，其豎向受壓剛度降低為初期剛度的1/2左右[4]，并且在拉應(yīng)力達(dá)到1.5～3.0 MPa時(shí)支座抗拉剛度會(huì)急劇下降，表現(xiàn)出雙線性特征[5]。橡膠隔震支座的受拉問題一直是阻礙隔震技術(shù)在高層建筑中應(yīng)用的主要障礙之一[6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為解決橡膠支座地震作用下受拉破壞問題開展了大量研究工作。Kelly等[7]應(yīng)用球鉸連桿的方式來抵抗地震作用；Nagarajaiah等[8]提出以彈簧和橡膠支座組合的方式來提高橡膠支座的抗拉性能和復(fù)位能力；Kasalanti等[9]采用施加預(yù)應(yīng)力的方式防止支座受拉破壞；祁皚等[10]提出邊支座處添加豎向鋼筋的構(gòu)造措施來提高隔震橡膠支座的受拉安全性；顏學(xué)淵等[11]將水平和豎向隔震的子裝置進(jìn)行串聯(lián)，開發(fā)了三類三維隔震抗傾覆支座；蘇鍵等[12]提出了三橡膠支座并聯(lián)將拉力轉(zhuǎn)換成壓力的方式防止支座受拉；祁皚等[13]以隔震層邊緣橡膠支座不出現(xiàn)拉應(yīng)力為界限研究了高層隔震結(jié)構(gòu)的高寬比限值；王棟等[14]提出了具有抗拉功能的鉛芯疊層橡膠支座(TLRB)；葛家琪等[15]開發(fā)了“門”形抗拉裝置。大多數(shù)抗拉裝置或提高橡膠隔震支座抗拉能力的方式在提高抗拉能力的同時(shí)會(huì)降低隔震水平性能，導(dǎo)致隔震結(jié)構(gòu)的水平隔震效率降低，并且受偏心受力狀態(tài)的影響，抗拉剛度和承載能力不穩(wěn)定，從而限制了其在工程中的應(yīng)用。

基于上述原因，本文設(shè)計(jì)了為橡膠支座提供附加抗拉剛度的導(dǎo)軌式抗拉裝置(RTD)，提出了一種可用于大高寬比高層建筑的新型導(dǎo)軌式隔震橡膠支座，通過擬靜力試驗(yàn)研究了RTD&LNR600(RTD&LNR600表示RTD與天然橡膠支座LNR600組合的導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座，下同)的水平和豎向力學(xué)性能，并采用數(shù)值分析法研究了單RTD豎向單軸抗拉力學(xué)特性和RTD&LNR600的水平拉剪、壓剪水平力學(xué)性能。

1 導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座原理及構(gòu)造

導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座是由RTD與普通橡膠隔震支座復(fù)合而成，當(dāng)導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座受拉時(shí)，拉力主要由RTD承擔(dān)，從而減小了橡膠支座受拉作用，避免橡膠支座內(nèi)部橡膠層與鋼板之間因受拉而產(chǎn)生負(fù)壓空孔，當(dāng)導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座受壓時(shí)，由于抗拉箱內(nèi)部豎向間隙的調(diào)節(jié)作用，RTD不承擔(dān)壓力，壓力全部由橡膠支座來承擔(dān)，當(dāng)導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座水平受剪時(shí)，扣件在導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)，從而RTD與橡膠支座水平變形協(xié)調(diào)。RTD由導(dǎo)軌(4根)、抗拉箱(4個(gè))及扣件(8個(gè))組成，如圖1所示。橡膠支座與RTD位于上、下連接板之間，橡膠支座通過螺栓與上、下連接板連接，抗拉箱兩端各設(shè)置上下兩個(gè)扣件，每個(gè)扣件與燕尾形導(dǎo)軌嵌套，導(dǎo)軌通過螺栓再與上、下連接板通過螺栓連接。

圖1 導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座構(gòu)造Fig.1 Rail-type tensile rubber bearing

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

力學(xué)性能試驗(yàn)分別對(duì)導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座RTD&LNR600和天然橡膠支座LNR600進(jìn)行了水平壓剪、豎向單軸拉伸試驗(yàn)，對(duì)比了導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座與常規(guī)橡膠支座壓剪性能和豎向拉伸性能的差異。

2.1 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中RTD采用Q345低合金鋼制作，試驗(yàn)用橡膠支座為天然橡膠支座LNR600，由云南震安減震科技股份有限公司提供，導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座主要尺寸如圖2所示，天然橡膠支座LNR600參數(shù)見表1。

圖2 導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座主要尺寸(mm)Fig.2 Main dimensions of rail-type tensile rubber bearing(mm)

表1 LNR600參數(shù)

試驗(yàn)在云南省地震局昆明防震減災(zāi)技術(shù)試驗(yàn)基地壓剪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該壓剪試驗(yàn)機(jī)豎向最大加載25 000 kN，水平向最大加載2 500 kN，行程±600 mm，壓剪試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示。

圖3 壓剪試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Compression-shear testing machine

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2所示，為考察水平向加載角度對(duì)導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座力學(xué)性能的影響，加載度角分別以為45°和0°對(duì)RTD&LNR600進(jìn)行了水平壓剪循環(huán)試驗(yàn)，如圖4(a)、(b)所示，圖4(c)為天然橡膠支座LNR600水平壓剪試驗(yàn)。T1～T5所用的LNR600為同一橡膠支座。為考察RTD對(duì)橡膠支座抗拉性能的提高，分別對(duì)LNR600和RTD&LNR600進(jìn)行了豎向單軸拉伸試驗(yàn)，如圖5(a)、5(b)所示。

表2 試驗(yàn)方案

圖4 水平壓剪試驗(yàn)Fig.4 Horizontal compression-shear test

圖5 豎向拉伸實(shí)驗(yàn)Fig.5 Vertical uniaxial tensile test

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 在T1～T3試驗(yàn)過程中，天然橡膠支座LNR600側(cè)向變形均勻，支座側(cè)面未發(fā)現(xiàn)側(cè)鼓和氣泡；在T2和T3試驗(yàn)過程中RTD與LNR600水平變形協(xié)調(diào)，導(dǎo)軌未發(fā)生明顯變形，RTD與LNR600未產(chǎn)生損傷的異常響聲，T1～T3的荷載-位移曲線，如圖6所示。

圖6 水平壓剪荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of horizontal compression-shear test

由圖6可知，在壓剪狀態(tài)下RTD&LNR600與LNR600的荷載-位移曲線幾乎重合，天然橡膠支座LNR600的等效水平剛度為0.891 kN/mm，加載角度為45°和0°時(shí)RTD&LNR600的等效水平剛度分別為0.927 kN/mm、0.926 kN/mm，等效水平剛度增大率分別為4.0%和3.9%，可見RTD對(duì)橡膠支座的水平性能的影響較小，可以忽略不計(jì)。

(2) 在T4和T5實(shí)驗(yàn)過程中LNR600變形均勻，未出現(xiàn)橡膠與鋼板脫離現(xiàn)象，也未產(chǎn)生橡膠撕裂的響聲，拉伸試驗(yàn)荷載-位移曲線，如圖7所示。

從圖7曲線可以看出，在彈性范圍內(nèi)LNR600的豎向單軸拉伸的荷載-位移關(guān)系近似為線性(見圖中實(shí)線)，剛度約為50 kN/mm,而RTD&LNR600的單軸拉伸荷的載-位移關(guān)系則呈現(xiàn)雙線性關(guān)系(見圖虛線線)，彈性剛度約為529 kN/mm，屈服力約為947 kN，抗拉承載力達(dá)到1 199 kN，可見RTD大幅度提高了橡膠支座的抗拉強(qiáng)度，改善了橡膠支座的抗拉性能。

圖7 單軸拉伸荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of uniaxial tensile test

3 有限元數(shù)值分析

有限元是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，是一種快捷、低成本方式分析方法，尤其在產(chǎn)品開發(fā)初期，并且由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)橡膠支座試驗(yàn)機(jī)不具備拉剪功能，橡膠支座的動(dòng)態(tài)拉剪試驗(yàn)極少，因此基于Abaqus分析軟件平臺(tái)分別對(duì)單RTD、LNR600及RTD&LNR600進(jìn)行了精細(xì)的有限元分析。

3.1有限元模型建立

RTD和RTD&LNR600的尺寸與力學(xué)性能試驗(yàn)相同，考慮材料及幾何非線性。橡膠支座內(nèi)層鋼板、上下連接板、抗拉裝置、扣件及導(dǎo)軌采用C3D8R單元模擬，鋼材彈性模量取206 GPa，屈服強(qiáng)度取345 MPa，泊松比取0.3，橡膠超彈材料采用單軸拉伸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合而成的三階ogden模型模擬，μ1=-889 520.412，α1=-1.060 553 96，μ2=1 203.849 3，α2=5.196 965 77，μ3=1 114 724.66，α3=-2.419 717，單元采用C3D8H。

對(duì)RTD進(jìn)行單軸拉伸性能分析時(shí)，分三種情況：軸心受拉、單偏心受拉及雙偏心受拉,如圖8所示。分析前，在下部軌道底面加固接約束，為方便施加位移荷載，預(yù)先在上部軌道頂面中間設(shè)置參考點(diǎn)，然后再在參考點(diǎn)上施加位移15 mm荷載，軌道與扣件之間設(shè)置摩擦接觸，根據(jù)云南省工程抗震研究所摩擦試驗(yàn)結(jié)果摩擦系數(shù)取0.02。

圖8 單RTD有限元模型Fig.8 FEA model of single RTD

在對(duì)LNR600和RTD&LNR600水平性能分析時(shí)，為與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，施加的豎向荷載和水平向位移循環(huán)荷載與試驗(yàn)情況一致。在進(jìn)行壓剪、拉剪時(shí)，分別在LNR600下封板和RTD&LNR600下連接板底面加固接約束，再在LNR600上封板和RTD&LNR600上連接板頂面施加面荷載，最后在頂部的參考點(diǎn)上施加位移荷載，軌道與扣件之間摩擦因數(shù)取0.02。圖9和圖10分別為L(zhǎng)NR600和RTD&LNR600有限元模型。為考察RTD&LNR600等效水平剛度的拉力相關(guān)性，對(duì)RTD&LNR600進(jìn)行了不同拉應(yīng)力作用下拉剪分析，分析工況如表3所示。

圖9 LNR600有限元模型Fig.9 FEA model of LNR600

圖10 RTD&LNR600有限元模型Fig.10 FEA model of RTD&LNR600

表3 有限元分析表

3.2 有限元分析結(jié)果

(1) 圖11為單RTD軸心受拉、單偏心受拉和雙偏心受拉的荷載-位移曲線。由圖11可知，RTD軸心受拉、單偏心受拉和雙偏心受拉時(shí)其荷載-位移曲線基本重合，均呈明顯雙線性(見圖中粗線)，彈性剛度約為189.3 kN/mm，屈服后剛度近似為38.5 kN/mm，屈服力約為305 kN，因此RTD豎向力學(xué)性能與偏心狀態(tài)無關(guān)。

圖11 單RTD荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curves of single RTD

(2) 圖12為L(zhǎng)NR600和RTD&LNR600的水平壓剪性能有限元分析結(jié)果(文中*表示有限元數(shù)值分析模型，下同)，由于有限元模型中橡膠未考慮自身材料阻尼，因此模型橡膠支座本身不具備耗能能力，其荷載-位移曲線重合為一條反“S”型曲線。

圖12 水平壓剪荷載-位移曲線Fig.12 Load-displacement curves of horizontal compression-shear

與試驗(yàn)值相比，LNR600與RTD&LNR600水平剛度有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值差異不超過3.5%，采用有限元數(shù)值分析的方法可以準(zhǔn)確模擬橡膠支座及導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座的力學(xué)性能。表4為等效水平剛度有限元計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)差異表，由表4可知加載角度為45°比加載角度為0°時(shí)等效水平剛度略大，與T1～T3試驗(yàn)增大趨勢(shì)完全吻合。

表4 有限元計(jì)算與試驗(yàn)等效水平剛度對(duì)比

圖13為L(zhǎng)NR600和RTD&LNR600在水平拉剪和壓剪狀態(tài)下有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線(圖中C15 MPa表示壓應(yīng)力15 MPa，T1.0 MPa表示拉應(yīng)力1.0 MPa)，從曲線可知，RTD&LNR600在拉剪、壓剪狀態(tài)與LNR600壓剪狀態(tài)下荷載-位移曲線非常平滑，并且?guī)缀踔睾?，因此在拉剪、壓剪狀態(tài)下RTD&LNR600的水平力學(xué)性能穩(wěn)定，與LNR600的水平力學(xué)性能非常接近。

圖13 有限元模型荷載-位移曲線Fig.13 Load-displacement curves of FEA

圖14為不同拉應(yīng)力作用下RTD&LNR600有限元模型拉剪荷載-位移曲線，由曲線可知RTD&LNR600在不同拉應(yīng)力作用、不同加載角度下其荷載-位移曲線均非常平滑，并且完全重合，可見RTD&LNR600的水平性能拉應(yīng)力相關(guān)性不明顯。

圖14 水平拉剪荷載-位移曲線Fig.14 Load-displacement curves of horizontal tension-shear

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)隔震橡膠支座在抗拉性能方面存在的不足，設(shè)計(jì)了一種為橡膠支座提供附加抗拉剛度的RTD，提出了可用于大高寬比高層建筑的新型導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座。分別對(duì)LNR600和RTD&LNR600進(jìn)行的水平壓剪試驗(yàn)和豎向單軸拉伸試驗(yàn)，基于Abaqus有限元分析平臺(tái)，分析了不同偏心狀態(tài)下單RTD豎向單軸拉伸力學(xué)性能，并對(duì)LNR600和RTD&LNR600壓剪和拉剪水平性進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

(1) 導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座比同規(guī)格的橡膠支座的等效水平剛度略大，但不超過4%，可忽略RTD對(duì)橡膠支座水平性能的影響，可直接采用同規(guī)格橡膠支座水平力學(xué)性能進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。

(2) 彈性拉伸范圍內(nèi)，天然橡膠支座的豎向單軸拉伸加載的荷載-位移關(guān)系近似為線性，而導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座豎向單軸拉伸加載的荷載-位移關(guān)系近似為雙線性，且導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座較同規(guī)格的橡膠支座抗拉剛度和抗拉承載力大幅度提高。

(3) 單RTD的豎向抗拉力學(xué)性能與偏心受力狀態(tài)無關(guān)，其荷載-位移關(guān)系呈明顯的雙線性，其拉伸力學(xué)性能可用雙線性線模型進(jìn)行描述。

(4) 有限元分析方法可以準(zhǔn)確地模擬橡膠支座及導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座在豎向拉剪、壓剪作用下的水平力學(xué)性能，可以從更深層次上揭示橡膠支座和導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座的工作性能，指導(dǎo)導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座的設(shè)計(jì)。

(5) 導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座水平壓剪、拉剪性能穩(wěn)定，且水平性能與拉應(yīng)力相關(guān)性不明顯。

(6) 導(dǎo)軌式抗拉橡膠支座占用建筑空間小，提高橡膠支座的抗拉性能的同時(shí)不影響橡膠支座的水平性能，可廣泛應(yīng)用于大高寬比的隔震結(jié)構(gòu)，有利于隔震技術(shù)在高層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與推廣。