建筑隔震橡膠支座鉛芯與橡膠體的間隙對(duì)支座性能影響的研究

谷立寧，趙貴英，張紅永，張學(xué)文，李浩冉

(衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000)

鉛芯隔震橡膠支座由鉛芯、橡膠層、鋼板等疊層粘結(jié)而成。在水平剛度方面：薄鋼板不影響橡膠板的水平變形，因而保持了橡膠固有的柔韌性，為支座提供了水平向柔性和恢復(fù)力的功能，從而達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期的目的。通過調(diào)整鉛芯的面積，可以改變鉛芯支座的阻尼比，能有效的吸收地震能量。因此，鉛芯隔震支座是一種既具有較高承載性，又具有較大阻尼，大水平位移和復(fù)位功能的集支承與耗能于一體的減震裝置。

目前理論中一般認(rèn)為支座結(jié)構(gòu)及橡膠材料一定的情況下，鉛芯的面積尺寸影響著支座水平性能及阻尼比。本文通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)除鉛芯的面積尺寸影響支座的水平性能外，鉛芯與橡膠體之間的間隙也是支座的水平性能及阻尼比的影響因素。

1 鉛芯隔震橡膠支座水平性能計(jì)算

目前GB 20688.3—2006中附錄D.3中鉛芯橡膠支座的剪切性能中提到屈服后剛度：

水平等效剛度：

Kr—鉛芯橡膠支座嵌入鉛芯前的水平等效剛度。

式中各符號(hào)含義：

Ckd(γ)—鉛芯橡膠支座屈服后剛度的修正系數(shù)；

γ—剪應(yīng)變；

Kp—鉛芯橡膠支座中鉛芯的水平等效剛度；

Qd—鉛芯的屈服力；

Tr—支座橡膠層的總厚度；

G—支座橡膠的剪切彈性模量；

A—支座的有效承壓面積。

由式中可知，理論上在其他條件相同的情況下，隨著屈服力數(shù)值的增大，鉛芯橡膠支座的屈服后剛度、水平等效剛度的數(shù)值也相應(yīng)變大。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)條件的限制（如支座出模厚度存在偏差）、材料批次差異等方面的原因，鉛芯與橡膠支座之間存在一定的間隙現(xiàn)象是無(wú)法避免的。而在實(shí)際檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，由于鉛芯與橡膠支座的間隙變小，存在著隨著屈服力數(shù)值的增大，鉛芯橡膠支座的屈服后剛度、水平等效剛度的數(shù)值變小的情況。

2 鉛芯間隙對(duì)鉛芯橡膠支座性能影響的對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)通過對(duì)15塊LRB-D600×177的鉛芯橡膠支座的100%水平性能試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)每塊支座水平性能試驗(yàn)檢測(cè)3次，分別為放入鉛芯試驗(yàn)、鉛芯處增加一個(gè)D110×5的鉛片、增加兩個(gè)D110×5的鉛片3次試驗(yàn)。

由表3數(shù)據(jù)及圖1至圖4可以看到，由于增加的鉛片填充了支座鉛芯與支座預(yù)留孔之間的間隙空間，因此鉛芯的剪切面積及相關(guān)的屈服力整體上處于逐漸增大的狀態(tài)，而屈服后剛度、水平等效剛度處于數(shù)值逐漸變小的情況。且無(wú)鉛片到一層鉛片變化明顯比一層鉛片到兩層鉛片變化大。支座結(jié)構(gòu)信息及理論性能分別如表1、表2所示。

圖4 各支座等效阻尼比變化趨勢(shì)圖

表1 支座結(jié)構(gòu)信息

表2 理論上支座性能參數(shù)（設(shè)計(jì)承壓12MPa）

表3 各支座試驗(yàn)結(jié)果

通過圖5～圖19對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖分析，由于無(wú)鉛片時(shí)鉛芯與橡膠體之間預(yù)留了3mm的間隙，因此支座的試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)類似高阻尼支座的柳葉形現(xiàn)象。柳葉形狀態(tài)下，由于初始屈服力數(shù)值較低，而曲線尾端力值明顯增大。因此代表水平等效剛度、屈服后剛度的曲線斜率較大——數(shù)值較大。

圖1 各支座水平等效剛度變化趨勢(shì)圖

圖2 各支座屈服后剛度變化趨勢(shì)圖

圖3 各支座屈服力變化趨勢(shì)圖

圖5 01號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖6 02號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖7 03號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖8 04號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖19 15號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖9 05號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖10 06號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖11 07號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖12 08號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖13 09號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖14 10號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖15 11號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖16 12號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖17 13號(hào)支座試驗(yàn)曲線

圖18 14號(hào)支座試驗(yàn)曲線

通過增加鉛片，鉛芯與支座之間的間隙減少，試驗(yàn)曲線柳葉形的現(xiàn)象減少。屈服力初始點(diǎn)上移，而曲線尾端上挑現(xiàn)象消除，因此代表水平等效剛度、屈服后剛度的曲線斜率降低——即數(shù)值降低。

經(jīng)理論分析由于添加一個(gè)5 mm鉛片后，鉛芯與支座之間的預(yù)留間隙由3 mm降低為1.5 mm。添加兩個(gè)5 mm鉛片后，鉛芯與支座之間的預(yù)留間隙消除。從以上結(jié)果可以看到，間隙3 mm到1.5 mm的變化明顯大于間隙1.5 mm到無(wú)間隙之間的變化。因此鉛芯與支座之間的間隙存在一個(gè)臨界值，此臨界值會(huì)引起支座性能的明顯變化。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可以看出，鉛芯與橡膠體之間的間隙對(duì)于支座性能存在較大影響，易造成支座設(shè)計(jì)與生產(chǎn)調(diào)整方向的偏差。

由于生產(chǎn)條件等方面的限制，鉛芯與支座之間的間隙是客觀存在的現(xiàn)象，因此建議支座試驗(yàn)存在偏差的情況下，不能簡(jiǎn)單地按照偏差對(duì)支座進(jìn)行設(shè)計(jì)及原材料方面的調(diào)整，應(yīng)充分分析試驗(yàn)曲線，看是否存在鉛芯與支座間隙較大的情況。同時(shí)有時(shí)可以通過對(duì)鉛芯與支座間隙的調(diào)整，來調(diào)整支座成品的性能參數(shù)。