超高阻尼隔震橡膠支座力學(xué)性能溫度相關(guān)性影響因素分析

沈朝勇 黃襄云 陳洋洋 毛景遠(yuǎn) 陳建秋 林佳

摘要：采用擬靜力試驗(yàn)，分析不同水平應(yīng)變、豎向壓力、頻率、內(nèi)部橡膠G值以及不同溫度加載順序情況下SHDR支座水平性能的溫度相關(guān)性，給出SHDR支座的各項(xiàng)水平力學(xué)性能指標(biāo)（如屈服后剛度、屈服強(qiáng)度、單圈滯回面積、等效剛度及等效阻尼比等）溫度相關(guān)性的影響程度，給出了除應(yīng)變因素外相應(yīng)擬合經(jīng)驗(yàn)公式。研究結(jié)果表明：豎向壓力、加載頻率、支座內(nèi)部橡膠G值和溫度加載順序?qū)ζ溆绊戄^小，而應(yīng)變影響較大;支座在常溫下屈服后剛度及屈服強(qiáng)度隨溫度的增加而呈指數(shù)規(guī)律減少。

關(guān)鍵詞：SHDR;溫度相關(guān)性;屈服后剛度;屈服強(qiáng)度

0 引言

在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震裝置，在延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期的同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的整體阻尼，在地震發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)遭受的地震作用會(huì)大大減小（周福霖，1997）。目前應(yīng)用到隔震結(jié)構(gòu)中比較成熟的水平隔震裝置主要有鉛芯隔震橡膠支座和高阻尼或超高阻尼隔震橡膠支座。前者因內(nèi)部鉛芯具有一定的毒性，使用范圍受到了一定的限制，近年來(lái)，高阻尼（HDR）和超高阻尼隔震橡膠支座（SHDR）已引起研究人員的重視。高阻尼支座按阻尼大小進(jìn)行分類(lèi)：阻尼比12%～15%為HDR，阻尼比超過(guò)18%則被稱(chēng)為SHDR。

不同學(xué)者對(duì)鋁芯隔震橡膠支座和HDR/SHDR進(jìn)行了相關(guān)研究，如葉明坤等（2012）計(jì)算分析了一多跨設(shè)置超高阻尼支座橋梁，分析表明，采用隔震后，在順橋向和橫橋向，橋梁墩底彎矩和剪力的減震系數(shù)大部分在50% 以上，樁頂內(nèi)力的減震系數(shù)也可達(dá)到30% 以上。資道銘等（2013）對(duì)比研究了天然隔震橡膠支座、鉛芯隔震橡膠支座、HDR/SHDR不同相關(guān)性及其基本力學(xué)性能的變化差異，指出HDR/SHDR力學(xué)性能的溫度變化性較大，在超低溫地區(qū)時(shí)應(yīng)用時(shí)要慎重。袁涌等（2008，2011）采用實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法研究了不同隔震支座類(lèi)型的隔震橋梁減震效果，試驗(yàn)表明，采用SHDR具有較好的隔震效果。莊學(xué)真等（2006）對(duì)HDR支座開(kāi)展了水平應(yīng)變相關(guān)性試驗(yàn)和大變形試驗(yàn)，得出HDR的等效剛度隨應(yīng)變的增加而減小，但其阻尼比變化不大。資道銘等（2016）對(duì)低模量SHDR進(jìn)行了基本性能和極限變形試驗(yàn)研究，并對(duì)一典型建筑物采用低模量SHDR隔震技術(shù)方案進(jìn)行了計(jì)算分析，分析表明，采用低模量SHDR可以取得較好的隔震效果，完全可以取代鉛芯隔震橡膠支座。張文俊和鄭宗平（2017）采用有限元程序?qū)HDR和鉛芯支座的隔震橋梁進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明，在地震能量集中時(shí)間段內(nèi)，SHDR的減震控制效果則明顯優(yōu)于鉛芯支座。Akira等（2013）通過(guò)試驗(yàn)和理論對(duì)比分析研究了SHDR在水平雙向的力學(xué)性能，研究表明，在地震雙向輸入時(shí)，理論分析低估了其地震時(shí)的位移反應(yīng)。

上述對(duì)SHDR的研究中，理論分析較多，而試驗(yàn)研究相對(duì)較少，特別是對(duì)其溫度相關(guān)性的試驗(yàn)研究，僅有資道銘等（2013）論述了在單一應(yīng)變、壓力、加載頻率和固定加載順序下SHDR的溫度相關(guān)性及其低溫敏感性，但其研究尚不夠全面，其溫度相關(guān)性可能受應(yīng)變大小、豎向壓力大小、加載頻率的大小及不同溫度施加順序的影響，同時(shí)不同G值超高阻尼溫度相關(guān)性是否一致，也有待研究。本文將采用反復(fù)加載的試驗(yàn)方法，詳細(xì)研究應(yīng)變、壓力、加載頻率、G值、溫度加載順序等因素對(duì)SHDR溫度相關(guān)性能的影響，找出其共有的特性，歸納出可供參考使用的SHDR溫度相關(guān)性近似經(jīng)驗(yàn)公式。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)用的橡膠支座內(nèi)部構(gòu)造見(jiàn)表1。依據(jù)《橡膠支座 第2部分：橋梁隔震橡膠支座》（GB 20688.2—2006），支座為I類(lèi)。參考《公路橋梁高阻尼隔震橡膠支座》（JT/T 842—2012）和《公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座》（JT/T 822—2011），豎向壓力及水平應(yīng)變?nèi)? MPa和100%，基準(zhǔn)頻率為0.25 Hz。試驗(yàn)過(guò)程為研究不同應(yīng)變、豎向壓力、加載頻率、G值、溫度加載順序?qū)HDR水平力學(xué)性能溫度相關(guān)性的影響。試驗(yàn)方法及試驗(yàn)加載溫度參考《橡膠支座 第1部分：隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》（GB/T 20688.1—2007），支座力學(xué)性能取第3圈的結(jié)果作為測(cè)試值，試驗(yàn)溫度取-20，-10，0，10，23及40 ℃。在廣州大學(xué)工程抗震研究中心豎向1 000 ton、水平50 ton試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。圖1為正在試驗(yàn)的支座。圖2為豎向1 000 ton、水平50 ton試驗(yàn)裝置。

2 溫度相關(guān)性的影響因素研究

2.1 應(yīng)變

支座基準(zhǔn)應(yīng)變選取100%或175%（橡膠支座 第2部分：橋梁隔震橡膠支座，GB 20688.2—2006）。G1.0-SHDR300300被選取。

圖3給出了SHDR支座屈服后剛度Kd、屈服強(qiáng)度Qd 、單圈滯回環(huán)面積W、水平等效剛度Kh、等效阻尼比Heq在2種不同應(yīng)變下的溫度相關(guān)性變化規(guī)律曲線。圖中豎坐標(biāo)軸為不同溫度下基本性能值與23 ℃下性能值的比值，橫坐標(biāo)軸為試驗(yàn)溫度與23 ℃的相對(duì)差值。圖4a給出了一典型溫度40 ℃時(shí)不同應(yīng)變第3圈滯回曲線。

從圖3a，b來(lái)看，在2種應(yīng)變下的Kd，Qd在高于0 ℃時(shí)，應(yīng)變對(duì)支座的這2個(gè)參數(shù)的影響程度基本相同，即影響有限，但在低于0 ℃時(shí)，應(yīng)變對(duì)其的影響呈現(xiàn)相反的規(guī)律：對(duì)于Kd，應(yīng)變?yōu)?75%時(shí)，其性能相對(duì)基準(zhǔn)溫度時(shí)性能變化小，而100% 應(yīng)變時(shí)，其性能相對(duì)基準(zhǔn)溫度時(shí)性能變化較大，且隨溫度的降低呈增大的趨勢(shì);但對(duì)于Qd而言，應(yīng)變?cè)诘蜏貢r(shí)卻正好呈現(xiàn)相反的影響變化規(guī)律趨勢(shì)。對(duì)比分析圖3b，c發(fā)現(xiàn)，其呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，其原因在于這兩個(gè)參數(shù)都主要反映SHDR的耗能大小。從圖3d來(lái)看，應(yīng)變對(duì)SHDR的Kh的影響在整個(gè)溫度變化區(qū)間有限，在2種應(yīng)變狀態(tài)下顯示出非常相近的變化規(guī)律，可以認(rèn)為應(yīng)變對(duì)Kh的溫度影響的變化規(guī)律基本無(wú)影響。但從3e來(lái)看，應(yīng)變對(duì)SHDR的Heq比溫度相關(guān)性除了在高溫狀態(tài)下影響較小外，在其他大部分溫度區(qū)間的影響相對(duì)較大;如應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)，隨溫度的降低，力學(xué)性能基本變化不大，而175%應(yīng)變時(shí)，隨溫度的降低，支座Heq比呈現(xiàn)線性逐漸增加的變化趨勢(shì)。

2.2 壓應(yīng)力

在水平和豎向地震作用下，支座會(huì)產(chǎn)生附加壓力或拉力，施加在支座上的豎向應(yīng)力將發(fā)生變化，在不同豎向壓應(yīng)力時(shí)，支座的溫度相關(guān)性可能有所不同。G0.8-SHDR300300被選取，試驗(yàn)壓應(yīng)力分別采用6 MPa和12 MPa。

圖5給出了SHDR支座Kd，Qd，W， Kh， Heq在2種不同豎向壓應(yīng)力下的溫度相關(guān)性變化規(guī)律曲線。圖4b給出了一典型溫度23 ℃時(shí)不同壓力下第3圈滯回曲線。

從圖5可以看出，除極個(gè)別溫度點(diǎn)（如Kd=-20 ℃，Kh=-10 ℃）的兩種豎向壓應(yīng)力下溫度相關(guān)性相對(duì)基準(zhǔn)溫度下的比值有所差別外（前者誤差約20%左右，后者約25%左右），其它測(cè)試點(diǎn)，兩種豎向壓力下的SHDR各水平性能溫度相關(guān)性整體上差別很小，呈現(xiàn)近似相同的情況。整體試驗(yàn)結(jié)果表明，豎向壓力的不同對(duì)SHDR支座水平性能溫度相關(guān)性影響有限。

2.3 頻率

原型隔震橋梁頻率為0.25～0.33 Hz（即隔震周期約3～4 s），但原型隔震支座一般尺寸比較大，在試驗(yàn)時(shí)實(shí)現(xiàn)上述頻率的試驗(yàn)具有一定的困難，一般會(huì)采用稍低的頻率進(jìn)行試驗(yàn)，如0.05～0.01 Hz等，本節(jié)選取2個(gè)典型頻率0.25 Hz和0.05 Hz作為研究加載頻率對(duì)SHDR溫度相關(guān)性的影響因子。G1.0-SHDR300300被選取。

圖6給出了SHDR支座Kd ，Qd，W， Kh， Heq在不同加載頻率情況下的溫度相關(guān)性變化規(guī)律。圖4c給出了一典型溫度即-10℃時(shí)不同頻率時(shí)第3圈滯回曲線。

從圖6來(lái)看，2個(gè)加載頻率下的SHDR各水平性能溫度相關(guān)性部分指標(biāo)在-20 ℃和-10 ℃時(shí)略有差異，Kd在這2個(gè)溫度值時(shí)各自相對(duì)誤差約為12%左右;Qd在-10 ℃時(shí)約為20%，在-20 ℃時(shí)約為13%，W與Qd相近;而Kh在-10 ℃時(shí)約為20%;Heq在-10 ℃約20%，在-20 ℃時(shí)約為10%。整體上講，各個(gè)參數(shù)在-10 ℃時(shí)差異稍大，忽略個(gè)別點(diǎn)的影響，可以基本認(rèn)為加載頻率對(duì)SHDR的溫度相關(guān)變化規(guī)律影響不大。

2.4 內(nèi)部橡膠G值

在橋梁隔震項(xiàng)目中，為防止變形過(guò)大，一般采用支座剪切模量比較大的隔震橡膠支座，從目前橋梁隔震使用支座來(lái)看，大部分支座內(nèi)部橡膠G值均大于0.8 MPa，部分支座甚至達(dá)到2 MPa。本文選取3種不同的G值，即0.8，1.0及1.2 MPa，作為G值對(duì)SHDR溫度相關(guān)性的影響因子。各支座內(nèi)部構(gòu)造完全相同。試驗(yàn)時(shí)壓力均為6 MPa，水平剪應(yīng)變均為100%，水平加載頻率均為0.25 Hz。

圖7給出了SHDR支座Kd ，Qd ，W，Kh， Heq在3種不同橡膠G值下的溫度相關(guān)性變化規(guī)律。圖4c給出了一典型溫度10 ℃時(shí)不同G值第3圈滯回曲線。

從圖7可以看出，3種G值的SHDR各水平性能溫度相關(guān)性在極個(gè)別測(cè)試點(diǎn)有少量的差異外，如Kd在G1.2，-20℃，Kh在G0.8，-10℃，G1.2，-20℃時(shí)，其最大誤差約為15%，如忽略上述個(gè)別差異，可以認(rèn)為內(nèi)部橡膠G值對(duì)SHDR的溫度相關(guān)性影響很小。

2.5 加載順序

《橡膠支座 第1部分：隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》（GB/T 20688.1—2007）中，支座溫度相關(guān)性的試驗(yàn)加載順序推薦為從低溫到高溫逐漸增加，如采用溫度逐漸減少的加載順序，對(duì)支座的溫度相關(guān)性的規(guī)律影響如何？為研究其影響，試驗(yàn)時(shí)加載順序分別采用了溫度遞增和遞減的順序。G1.0-SHDR300300被選取。

圖8給出了SHDR支座Kd ，Qd ，W，Kh， Heq在不同溫度加載順序時(shí)的溫度相關(guān)性變化規(guī)律。圖4e給出了一典型溫度0 ℃時(shí)不同加載順序支座第3圈滯回曲線。

由圖8可以看出，除個(gè)別低溫點(diǎn)（如-20 ℃和-10 ℃）對(duì)支座Kd ，Qd及W略有影響外，不同溫度加載順序?qū)χё叫阅躃h和Heq的溫度相關(guān)性影響較小。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納

在對(duì)橋梁進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)時(shí)，如采用非線性分析SHDR支座時(shí)，力學(xué)性能參數(shù)Kd ，Qd將會(huì)被采用。從各影響參數(shù)對(duì)上述兩個(gè)水平性能影響來(lái)看，除水平剪應(yīng)變影響較大外，其它參數(shù)除極個(gè)別測(cè)試點(diǎn)略有影響外，可以認(rèn)為整體影響不大，而水平剪應(yīng)變一般以100%為基準(zhǔn)應(yīng)變較為多見(jiàn)。現(xiàn)將第2節(jié)中所有數(shù)據(jù)中各因素下SHDR支座的Kd，式中：T的單位為℃。

圖9給出了高G值SHDR支座的Kd 和Qd所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的擬合曲線。從2個(gè)參數(shù)的擬合曲線來(lái)看，二者整體均呈非線性關(guān)系，且均隨溫度的增加非線性減少，但后者相對(duì)前者變化斜率更大。從擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的上下邊界來(lái)看，Kd和Qd的擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差約為12.5%。式（1）和（2）分別給出了高G值SHDR支座的Kd和Qd擬合經(jīng)驗(yàn)公式，可供設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)參考。具體應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際工程的具體溫度，進(jìn)行溫度相關(guān)性換算出實(shí)際工程所在溫度時(shí)的隔震支座參數(shù)值進(jìn)行隔震計(jì)算。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)超高阻尼SHDR支座水平力學(xué)性能溫度相關(guān)性各種影響因素的試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

（1）壓力、頻率、G值和加載順序?qū)HDR支座各種力學(xué)性能參數(shù)，如屈服后剛度、屈服強(qiáng)度、單圈滯回面積、等效剛度、等效阻尼、溫度相關(guān)性影響較小。

（2）應(yīng)變對(duì)SHDR支座各種力學(xué)性能參數(shù)，如屈服后剛度、屈服強(qiáng)度、單圈滯回面積、等效剛度、等效阻尼、溫度相關(guān)性影響較大。

（3）SHDR支座力學(xué)性能參數(shù)屈服后剛度及屈服強(qiáng)度隨溫度的增加而均呈指數(shù)規(guī)律減少，且后者隨溫度增加減小速率更快

（4）給出了100%應(yīng)變時(shí)SHDR支座力學(xué)性能參數(shù)屈服后剛度及屈服力考慮豎向壓力、加載頻率、橡膠內(nèi)部G值及加載順序的適量影響的溫度相關(guān)性擬合經(jīng)驗(yàn)公式。

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