改性橡膠隔震支座抗拉性能試驗(yàn)研究*

杜杰偉 潘文 王星然 金昱成

(1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院學(xué)院 昆明 650000； 2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 3.云南省抗震工程技術(shù)研究中心 昆明 650500)

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)不斷加快，眾多高層建筑也相繼出現(xiàn)，但隔震技術(shù)卻難以運(yùn)用到高層建筑上，由于隔震支座自身豎向抗拉性能有限，隔震支座較難在高層建筑中被廣泛應(yīng)用。同時(shí)高層建筑由于高寬比一般很大，建筑自身的傾覆力矩也會(huì)很大，從而使隔震支座承受較大的豎向拉力，支座抗拉性能難以滿足要求。

一般解決支座抗拉問(wèn)題的方法，可以通過(guò)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、設(shè)置半主動(dòng)控制系統(tǒng)、加裝抗拉裝置和改進(jìn)橡膠的材料配方等措施來(lái)提高隔震支座的抗拉性能。如大阪DT辦公樓是采用一種直線軌道滑動(dòng)隔震支座進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)的，豎向極限抗拉的承載力可達(dá)到18 000 kN[1]。但由于對(duì)直線軌道滑動(dòng)支座的相關(guān)研究較少，且生產(chǎn)該種支座的技術(shù)要求較高和廠商較少，支座的造價(jià)也較其他支座高昂，在工程中應(yīng)用具有一定難度。除了上述方法外，可以通過(guò)改進(jìn)支座的橡膠材料配方，提高支座自身的抗拉性能來(lái)抵抗支座拉伸破壞，如東京衫并花園城[2]采用了1種改性橡膠抗拉隔震支座，支座可以承受到2.5 MPa以上的拉應(yīng)力。因此通過(guò)改進(jìn)橡膠配方提高隔震支座抗拉性能，抗拉性能較一般隔震支座會(huì)有所提升。

1 隔震支座的豎向性能

1.1 隔震支座的豎向剛度

當(dāng)拉應(yīng)力作用在隔震支座上超過(guò)支座承受能力時(shí)將會(huì)影響其力學(xué)性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能達(dá)到預(yù)期的隔震效果和抗震目標(biāo)。為確保在罕見(jiàn)地震下隔震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，在隔震支座受拉后，支座的水平性仍應(yīng)不發(fā)生過(guò)大變化。同時(shí)由于隔震建筑的傾覆力矩會(huì)因支座受拉變形而增大，在隔震支座出現(xiàn)水平位移時(shí)，應(yīng)具有一定的拉伸剛度確保支座不產(chǎn)生豎向較大的變形。

一般情況下，在沒(méi)有剪應(yīng)變的作用條件下，支座受拉剛度為支座受壓的剛度的10%左右。當(dāng)有剪應(yīng)變作用時(shí)，支座發(fā)生水平位移，此時(shí)支座拉伸變形量會(huì)較大，因此，對(duì)隔震支座的豎向拉伸剛度的變化要更為準(zhǔn)確的了解。在水平變形條件下，與支座受拉時(shí)的豎向剛度相關(guān)的力學(xué)模型一般有以下4種：

(1)重疊面積法認(rèn)為支座在拉條件下與支座在壓剪條件下的力學(xué)行為相似，支座豎向拉伸剛度Kve的計(jì)算公式為

(1)

式中,A為支座橡膠的截面面積；Ae為隔震支座有效承載面積；Kv為支座豎向剛度。

但支座在受到拉剪作用時(shí)與支座在受到壓剪作用時(shí)的應(yīng)力在分布上有所區(qū)別。支座在受到壓剪作用時(shí)，壓力大多數(shù)會(huì)分布在支座上表面與下表面相交的區(qū)域；而在支座受到拉剪作用時(shí)，支座中未重疊的區(qū)域也會(huì)承受一部分拉力的作用。因此，當(dāng)支座水平向產(chǎn)生較大變形時(shí)，采用重疊面積法確定支座受拉時(shí)的豎向剛度與實(shí)際情況會(huì)有較大誤差。

(2)縮減面積法[3]認(rèn)為，當(dāng)支座發(fā)生水平位移，支座處于受拉狀態(tài)時(shí)，支座的豎向剛度Kve與純拉時(shí)支座的剛度的確定方法相似，計(jì)算公式為

(2)

式中，γ為支座發(fā)生的剪切應(yīng)變；A為支座橡膠約束面積；Aγ為支座在水平應(yīng)變?yōu)棣脮r(shí)的重疊面積；Kv0為純拉條件下的豎向剛度。

縮減面積法的計(jì)算方式雖然簡(jiǎn)單，但這種方法沒(méi)有較嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，并且沒(méi)有給出支座在豎向與水平同時(shí)產(chǎn)生位移時(shí)，支座受拉時(shí)豎向剛度的變化規(guī)律。

(3)KOH C G等[4]、閆維明等[5]基于雙彈簧模型，分析了支座處于拉剪狀態(tài)時(shí)的性能，如圖1所示。

該模型采用1個(gè)剛性體、1個(gè)線彈簧及1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模擬隔振支座，假設(shè)高度為1，線彈簧及轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧剛度分別為KH、Kθ。采用2個(gè)滾珠為隔震支座提供水平變形。當(dāng)剪力F與拉力P作用在該隔振支座模型時(shí)，剛性體將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)角大小為θ，剛形體下端發(fā)生大小為S的水平變形，上端發(fā)生大小為u的水平變形，豎向產(chǎn)生的位移為v。楊維國(guó)等[6]對(duì)雙彈簧模型的豎向拉伸剛度計(jì)算方法進(jìn)行了修正，進(jìn)一步減小了豎向拉伸剛度的計(jì)算誤差。

(4)黨育等[7]基于Haringx模型(見(jiàn)圖2)，推導(dǎo)了在發(fā)生水平變形時(shí)，隔震支受拉時(shí)的豎向剛度。此模型將支座看作下部固接的梁，上部在水平方向可以移動(dòng)，但不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在剪力T、彎矩M和拉力F共同作用下，支座受拉時(shí)的豎向剛度通過(guò)不同拉力分別進(jìn)行計(jì)算。但該計(jì)算方法是假設(shè)在小變形條件下推導(dǎo)的，當(dāng)支座受到剪切發(fā)生較大變形時(shí)，可能存在較大誤差。

1.2 隔震支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值

為確定隔震支座拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值，一般從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，一方面是通過(guò)支座所能承受的拉應(yīng)力極限值來(lái)限制隔震支座的拉應(yīng)力。在2001年版的《抗規(guī)》中規(guī)定：處于罕震作用下的支座不宜有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，而在2010年版的《抗規(guī)》中規(guī)定：在地震作用下，支座受到的拉應(yīng)力應(yīng)小于1 MPa。此規(guī)定對(duì)支座拉應(yīng)力進(jìn)行了限制，主要是因?yàn)椋孩傧鹉z材料在受拉后其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致支座的彈性降低；②支座受到拉應(yīng)力后，上部結(jié)構(gòu)會(huì)存在傾覆的危險(xiǎn);③在廣州大學(xué)工程抗震研究中心進(jìn)行的橡膠支座的抗拉性能試驗(yàn)中，支座的極限拉應(yīng)力為2～2.5 MPa；④美國(guó)相關(guān)規(guī)范中，支座容許的拉應(yīng)力為1.5 MPa。日本橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[8]中，規(guī)定處于罕遇地震作用下隔震支座的拉應(yīng)力不應(yīng)大于2 MPa，歐洲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]中，規(guī)定支座在地震作用下不應(yīng)受拉。因此，需要對(duì)隔震支座受到的拉應(yīng)力進(jìn)行限制，避免對(duì)上部結(jié)構(gòu)和支座本身造成不利影響。周福霖院士指出[10]，當(dāng)隔震支座處于偏心受拉時(shí)，由于支座會(huì)出現(xiàn)復(fù)位彎矩，支座最終將處于軸向受拉狀態(tài)或者發(fā)生軸向受拉破壞，支座所受的拉伸承載力主要是軸向拉伸。但當(dāng)支座受水平剪切發(fā)生較大變形時(shí)，支座橡膠層的外邊緣可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致隔震支座發(fā)生拉伸破壞，因此支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值需要留有一定的安全余量，確保隔震支座仍能為結(jié)構(gòu)提供隔震效果。周福霖院士建議，隔震支座的拉應(yīng)力應(yīng)控制在拉應(yīng)力極限值之前，且支座的容許抗拉強(qiáng)度應(yīng)控制在屈服點(diǎn)之前。根據(jù)隔震支座拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示，支座拉應(yīng)力的極限值與屈服值的比值約為2.5，而《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[11]中確定隔震支座受拉限值的方法與根據(jù)隔震支座受拉極限值來(lái)確定支座所受拉力的限值類似，即通過(guò)取1個(gè)安全系數(shù)來(lái)對(duì)隔震支受拉極限值進(jìn)行折減，從而確定支座容許抗拉強(qiáng)度，而該安全系數(shù)的取值為2.5。

另一方面，確定隔震支座拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值是通過(guò)限值隔震支座的豎向位移來(lái)確定支座的抗拉強(qiáng)度，從而控制傾覆力矩。在日本的一些高層隔震建筑中，是根據(jù)3%的支座高度對(duì)支座的受拉變形進(jìn)行限制。在日本建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中，是根據(jù)支座拉應(yīng)變的5%對(duì)支座的拉應(yīng)力進(jìn)行控制[12]。

根據(jù)一些相關(guān)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，雖然隔震支座在受拉時(shí)水平產(chǎn)生較大位移，支座受拉的豎向應(yīng)變達(dá)到了20%～40%，支座也未發(fā)生失效仍能工作。但由于抗拉性能方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)較少，因此隔震支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值仍然是根據(jù)安全系數(shù)法或容許應(yīng)力法等經(jīng)驗(yàn)方法確定的。

劉文光等[13]基于Haringx理論，在支座處于拉伸狀態(tài)下，根據(jù)支座水平剛度趨近于零的臨界條件推導(dǎo)出隔震支座處于純拉狀態(tài)下，修正了支座在受拉屈服后的剛度，得到支座受拉的界限拉應(yīng)力，如圖4所示，虛線為根據(jù)推導(dǎo)得到的拉應(yīng)力界限值。

根據(jù)理論及支座拉伸剪切試驗(yàn)的結(jié)果[13]，支座受拉的臨界值均大于支座受拉的屈服值。根據(jù)隔震支座在拉伸屈服后的拉力與變形的關(guān)系[14]，當(dāng)支座受拉屈服后，卸載后再對(duì)支座進(jìn)行加載，支座將比初次屈服前更快達(dá)到屈服狀態(tài)，支座的拉伸剛度出現(xiàn)降低，如圖5所示。劉文光通過(guò)對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了3G原則，建議支座的設(shè)計(jì)拉應(yīng)力界限值可控制為3倍支座所用橡膠材料的剪切彈性模量，此時(shí)支座受拉不會(huì)發(fā)生過(guò)大剪切變形，支座仍可以提供一定的剛度，減少對(duì)建筑的影響。同時(shí)，在隔震支座受拉后，拉伸應(yīng)變可控制在10%以內(nèi)，從而減小支座豎向拉伸變形對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響。

圖5 支座屈服前后拉力變化

當(dāng)隔震支座受拉且拉力大小超出一定范圍后，支座橡膠內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓而導(dǎo)致橡膠內(nèi)部產(chǎn)生空洞，此時(shí)支座雖然不會(huì)破壞，但此時(shí)橡膠內(nèi)部產(chǎn)生的損傷會(huì)對(duì)支座的水平性能造成不利影響，雖然在隔震結(jié)構(gòu)中只會(huì)出現(xiàn)較少數(shù)量的隔震支座的性能改變，對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響不明顯，但是結(jié)構(gòu)仍存在一定的安全隱患。如果能確保隔震支座在罕遇地震作用下不會(huì)出現(xiàn)較大損傷，即罕遇地震作用下支座在受拉狀態(tài)時(shí)處于彈性階段，支座就有一定的安全儲(chǔ)備，在極罕遇地震作用下能保證上部結(jié)構(gòu)的安全。因此為確保隔震支座在受拉時(shí)，力學(xué)性能不出現(xiàn)較大變化，可將隔震支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值控制在支座的屈服拉應(yīng)力之前。

隔震支座作為隔震建筑中的一個(gè)重要部分，其安全等級(jí)比較高，但在《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[15]中，與構(gòu)件相關(guān)的重要性系數(shù)取值仍是1.0，同時(shí)支座在受到豎向壓力作用時(shí)自身的剪切模量也會(huì)受影響，但支座設(shè)計(jì)壓應(yīng)力在一定程度上已將建筑的重要性等級(jí)考慮在內(nèi)，因此隔震支座的屈服拉應(yīng)力依據(jù)橡膠支座的相關(guān)規(guī)范[16]進(jìn)行確定，也在一定程度上考慮了建筑重要性等級(jí)。楊維國(guó)等[6]通過(guò)有限元模擬和橡膠隔震支座拉伸性能試驗(yàn)[17]進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)環(huán)形橡膠支座的豎向拉伸剛度計(jì)算式進(jìn)行修正后，發(fā)現(xiàn)隔震支座在水平發(fā)生的位移達(dá)到規(guī)范限值(u=0.55D)時(shí)，支座豎向受拉狀態(tài)時(shí)豎向剛度約為零剪應(yīng)變下支座在受拉狀態(tài)時(shí)豎向剛度的一半，而一般在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中認(rèn)為支座的拉伸剛度是一個(gè)定值，為使簡(jiǎn)便計(jì)算的拉伸變形結(jié)果與真實(shí)值更接近，支座的拉應(yīng)力可以控制在零剪應(yīng)變條件下支座屈服拉應(yīng)力的二分之一以內(nèi)，使拉應(yīng)力在屈服點(diǎn)之前，因此支座在發(fā)生水平變形時(shí)的拉伸變形不會(huì)超過(guò)在零剪應(yīng)變條件下支座的屈服拉伸變形。由于隔震支座的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服點(diǎn)前是近似線性變化的，因此在零剪應(yīng)變條件下隔震支座的拉應(yīng)變限值可以按照建筑抗傾覆要求與建筑性能要求進(jìn)行確定，并對(duì)拉應(yīng)力限值進(jìn)行折減，以此確定支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值，即：

(3)

式中，σd為隔震支座設(shè)計(jì)拉應(yīng)力；σy為隔震支座屈服拉應(yīng)力；ε為隔震支座設(shè)計(jì)拉應(yīng)變的最大限值；εyk為隔震支座的屈服拉應(yīng)變。

2 隔震支座的拉伸性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次試驗(yàn)采用的隔震支座為B類橡膠制成的Ⅱ型環(huán)形隔震支座，支座制作由鋼板與橡膠粘結(jié)硫化制成，通過(guò)添加炭黑、增強(qiáng)劑、促進(jìn)劑等提高橡膠的力學(xué)性能。支座的相關(guān)參數(shù)及性能均滿足《橡膠支座第3部分：建筑隔震橡膠支座》(GB 20688.3—2006)[18]要求，為保證支座的耐久性，在支座外側(cè)設(shè)置厚度為10 mm的保護(hù)層。將支座置于試驗(yàn)環(huán)境中一段時(shí)間后進(jìn)行試驗(yàn)。支座的參數(shù)如表1所示。由于經(jīng)費(fèi)有限，僅進(jìn)行了1個(gè)改性橡膠隔震支座的拉伸性能試驗(yàn)。

表1 隔震支座參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)采用的拉力試驗(yàn)機(jī)如圖6所示。該試驗(yàn)機(jī)采用電液伺服加載，豎向加載量程可達(dá)3 500 kN，行程為1 200 mm，采用4個(gè)位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，能精確的測(cè)出試驗(yàn)機(jī)施加拉力值與支座的拉伸變形量。

圖6 隔震支座拉伸裝置

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

在零剪應(yīng)變條件下，采用1 mm/s的加載速率對(duì)支座進(jìn)行拉伸，拉伸至破壞為止。支座發(fā)生破壞的狀況如圖7和圖8所示，破壞面產(chǎn)生許多空洞，橡膠粘結(jié)處與支座鋼板粘結(jié)處均未發(fā)生粘結(jié)失效破壞。

圖7 支座破壞面

圖8 支座破壞

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

改性橡膠支座在受拉狀態(tài)下，位移-拉力曲線如圖9所示，應(yīng)變-應(yīng)力如圖10所示。屈服應(yīng)力按相關(guān)規(guī)范[16]進(jìn)行確定。

圖9 位移-拉力曲線

圖10 應(yīng)變-應(yīng)力曲線

根據(jù)隔震支座的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果，隔震支座的拉伸變形過(guò)程可分為3個(gè)階段：①未達(dá)到屈服點(diǎn)前，處于彈性拉伸階段，在隔震支座的拉伸過(guò)程中，由于此時(shí)支座的豎向剛度較大，拉伸變形位移隨拉力增大而緩慢增大，隨著拉伸不斷進(jìn)行，隔震支座的剛度呈逐漸下降趨勢(shì)，支座處于彈性拉伸狀態(tài)。②達(dá)到屈服點(diǎn)后，未達(dá)到極限點(diǎn)前，處于非彈性拉伸階段，當(dāng)支座的受拉變形量達(dá)到橡膠總厚度13%，拉力-位移曲線斜率出現(xiàn)下降，即支座的剛度突然降低，造成支座豎向剛度降低的原因可能是因?yàn)橹ё邢鹉z內(nèi)部因拉伸受損產(chǎn)生空洞，從而影響隔震支座性能。此時(shí)拉伸變形位移隨拉力增大而快速增大，增大趨勢(shì)近似于平直線，支座僅受到較小的拉力就會(huì)使支座產(chǎn)生較大的豎向變形。③達(dá)到極限點(diǎn)時(shí)，支座發(fā)生拉伸破壞，支座在發(fā)生破壞前沒(méi)有明顯征兆，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到極限點(diǎn)時(shí)，支座會(huì)突然發(fā)生破壞，此時(shí)破壞發(fā)生在隔震支座中橡膠部分。

根據(jù)隔震支座的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果可知，該種改性橡膠隔震支座屈服拉應(yīng)力與極限拉應(yīng)力很接近，但從屈服點(diǎn)到達(dá)極限點(diǎn)的拉伸位移卻很大，根據(jù)式(5)隔震支座的設(shè)計(jì)拉應(yīng)力計(jì)算公式，可以確定改性橡膠隔震支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1.855 MPa，此時(shí)的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值在屈服拉應(yīng)力之前，可以保證支座在發(fā)生較大的變形時(shí)，仍有較高的拉伸剛度，同時(shí)該改性橡膠支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.5%，與日本規(guī)范提出的采用支座拉應(yīng)變的3%來(lái)控制拉應(yīng)力及劉文光建議的支座拉應(yīng)變不宜超過(guò)10%相近似，支座在受到拉變形時(shí)仍能保證建筑的安全。

4 結(jié)論

高層建筑采用隔震技術(shù)時(shí)，由于地震作用影響造成傾覆效應(yīng)較大，隔震支座容易受拉而影響隔震支座性能，不能保障高層建筑在地震作用中的安全。為解決隔震支座抗拉的問(wèn)題，本文闡述了新型改性橡膠支座的應(yīng)用可行性，進(jìn)行了新型改性橡膠支座的拉伸性能試驗(yàn)，具體結(jié)論如下：

(1)根據(jù)隔震支座的拉伸試驗(yàn)結(jié)果及國(guó)內(nèi)外支座豎向拉伸性能的研究成果，建議將隔震支座的設(shè)計(jì)拉應(yīng)力控制在支座的屈服拉應(yīng)力之前，可以減小支座拉伸變形對(duì)支座力學(xué)性能的影響。

(2)對(duì)隔震支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值確定方法進(jìn)行了分析。在參考了各國(guó)相關(guān)規(guī)范、相關(guān)的拉伸性能試驗(yàn)和豎向剛度的相關(guān)推導(dǎo)理論后，總結(jié)了隔震支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值算法。

(3)通過(guò)新型改性橡膠支座的拉伸性能試驗(yàn)，新型改性橡膠隔震支座的屈服應(yīng)力與極限應(yīng)力較為接近，測(cè)定了新型改性橡膠支座的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1.855 MPa，對(duì)比一般橡膠隔震支座的拉應(yīng)力不超過(guò)1 MPa的要求，新型改性橡膠支座的抗拉性能有所提高，但由于橡膠的物理性能與溫度、加載頻率等有關(guān)，相關(guān)因素對(duì)隔震支座抗拉性能的影響還有待研究。