Fr4環(huán)氧樹脂板材隔震支座的力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

常莉 白羽 李輝躍

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

疊層橡膠鋼板隔震支座作為隔震裝置之一，是目前應(yīng)用較為普遍、性能較成熟的隔震支座，但由于成本及施工的限制，在經(jīng)濟(jì)較落后的村鎮(zhèn)地區(qū)尚不能普遍應(yīng)用。 普通疊層橡膠鋼板隔震支座由于其材料含有鋼材，質(zhì)量相對較大，單個支座的質(zhì)量便達(dá)到了1 t及以上，施工需要大型起重機(jī)等設(shè)備，對施工設(shè)備要求較高，造成施工困難，施工成本也較高。因此研究質(zhì)量輕、造價(jià)低的橡膠支座也成為了眾多學(xué)者的研究方向。其中美國學(xué)者KELLY J M等[1]最早研究出了采用質(zhì)量較輕的材料代替隔震橡膠支座中的質(zhì)量較重的鋼板，施工不用借助大型起重機(jī)，從而降低支座的造價(jià)和重量，為施工提供便利。進(jìn)而為研究造價(jià)低、質(zhì)量輕且易施工的橡膠隔震支座的眾多學(xué)者提供了研究的方向和思路。

經(jīng)過學(xué)者的大量研究表明：工程塑料板重量輕、價(jià)格也較低，但是其強(qiáng)度低，不能滿足普通疊層橡膠支座對加勁層的強(qiáng)度要求，但滿足加勁層強(qiáng)度要求的工程塑料板造價(jià)又較高[2]?？紤]到造價(jià)、施工工藝及力學(xué)性能的要求，本文選用以玻璃纖維為增強(qiáng)材料、環(huán)氧樹脂為基體的復(fù)合材料Fr4環(huán)氧板材替代疊層橡膠隔震支座中的鋼板,使支座重量及造價(jià)大大降低的同時(shí)，其性能也能滿足要求。相應(yīng)其施工則變得便利，對施工設(shè)備要求也不高，從產(chǎn)品造價(jià)到施工造價(jià)上相比普通疊層橡膠隔震支座都有大幅度的降低，這些優(yōu)勢為橡膠隔震技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑的普遍應(yīng)用提供了有利條件。Fr4環(huán)氧板材市場上比較常見，其來源廣泛、成本較低，在高溫下其阻燃性良好，不會釋放有毒物質(zhì)，且性能穩(wěn)定。

本文對Fr4環(huán)氧樹脂板材橡膠隔震支座分別進(jìn)行了橫(水平)、縱向(豎向)剛度的力學(xué)試驗(yàn)，從豎向荷載、剪應(yīng)變、支座的阻尼特性方面，探討其力學(xué)性能是否滿足村鎮(zhèn)建筑隔震支座的要求。

1 Fr4環(huán)氧樹脂板材的性能

橡膠隔震支座要求加勁層力學(xué)性能抗拉、抗彎強(qiáng)度均大于等于170 MPa，本文對Fr4環(huán)氧樹脂板材進(jìn)行了拉伸、彎曲性能試驗(yàn)，用于驗(yàn)證Fr4環(huán)氧樹脂板材的力學(xué)性能是否滿足疊層橡膠隔震支座對加勁層力學(xué)性能的要求。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 Fr4環(huán)氧樹脂板材拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表1表明，F(xiàn)r4環(huán)氧樹脂板材其抗拉、抗彎強(qiáng)度均大于170 MPa，且比要求的抗拉抗彎標(biāo)準(zhǔn)超出了一半及以上，足以證明其遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到了疊層橡膠隔震支座加勁層材料的性能要求，可以取代傳統(tǒng)疊層橡膠隔震支座中的鋼板作為橡膠隔震支座的加勁層材料。

2 Fr4橡膠隔震支座的力學(xué)性能試驗(yàn)

為了滿足普通疊層橡膠隔震支座的性能要求，F(xiàn)r4橡膠支座必須具備足夠的豎向剛度、力學(xué)性能及隔震性能[3-4]。本文探究了Fr4環(huán)氧樹脂板材的豎向剛度、等效阻尼比、水平剛度的相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)使用水平荷載為1 500 kN,行程為±250 mm，豎向荷載為15 000 kN，行程為±400 mm的電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為0.05 s。試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 力學(xué)試驗(yàn)方案

2.1 簡易隔震支座

簡易隔震支座為方形支座，邊長240 mm，四周保護(hù)層均為10 mm,上下保護(hù)層為5 mm，上、下封板12 mm，橡膠層10層，每層5 mm,加勁層9層，每層4 mm，支座的剖面圖如圖1所示。

圖1 支座剖面(單位：mm)

2.2 Fr4支座的豎向剛度試驗(yàn)

支座的豎向剛度[5]：

(1)

式中，Kv為支座的豎向剛度；P1、P2分別為第3次加載的最小、最大荷載；C1、C2分別為第3次加載的最小、最大位移。

在進(jìn)行豎向剛度試驗(yàn)時(shí)，豎向荷載取3組，分別為8 MPa、12 MPa、17 MPa，根據(jù)疊層橡膠隔震支座相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范要求，試驗(yàn)在加載時(shí)采用(1±30%)的荷載反復(fù)循環(huán)加載4次。 通過試驗(yàn)得到的豎向荷載與豎向位移的關(guān)系如圖2所示。根據(jù)式(1)豎向剛度計(jì)算公式，分別取荷載為8 MPa、12 MPa、17 MPa下，第3次加載的最大及最小荷載位移計(jì)算支座的豎向剛度，得到在3種豎向荷載8 MPa、12 MPa、17 MPa下，F(xiàn)r4橡膠支座的豎向剛度Kv分別為492.61、434.89、349.82 kN/mm，并將計(jì)算得到的豎向剛度與豎向荷載的關(guān)系繪制于圖3中。

圖2 Fr4支座豎向荷載與位移關(guān)系

由圖3表明Fr4支座的豎向剛度在不同荷載下，其變化幅度較大。隨著豎向荷載增加，支座的豎向剛度逐漸降低，其降低的最大幅度在荷載處于8 MPa至17 MPa的范圍內(nèi)為19.55%,且隨著豎向荷載的增大，其降低的幅度逐漸變大。圖中第二段的豎向剛度下降幅度比第一段大7.83%。由此可以看出，豎向荷載對豎向剛度影響較大。

圖3 豎向荷載與豎向剛度曲線

2.3 Fr4支座的水平剛度試驗(yàn)

2.3.1Fr4支座水平剛度與豎向荷載關(guān)系試驗(yàn)

在對Fr4支座的水平剛度與豎向荷載關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)，選用加載頻率為0.05 Hz水平正弦的加載方式，其加載方式與豎向剛度相同，均是采取4次往復(fù)循環(huán)加載的方式，在進(jìn)行水平剛度的計(jì)算時(shí)，與豎向剛度計(jì)算公式一致，均是取第三次加載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)用式(1)進(jìn)行計(jì)算。其中，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)Fr4支座的剪應(yīng)變?yōu)椤?00%。為了驗(yàn)證水平剛度和豎向荷載的關(guān)系，試驗(yàn)選取了8 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa及17 MPa共5組豎向荷載σ0，圖4為不同豎向荷載下支座的水平荷載與水平位移的關(guān)系曲線。經(jīng)過4次反復(fù)加載，取第三次試驗(yàn)結(jié)果，通過式(1)得到的支座在這5種豎向荷載下的水平剛度分別為0.915、0.904、0.889、0.879、0.865 kN/mm。試驗(yàn)得到的豎向剛度與水平位移的關(guān)系曲線及線性擬合曲線繪于圖5中。

圖4 不同豎向荷載下水平位移與水平荷載關(guān)系

由圖5可得，水平剛度隨著豎向荷載的增加越來越小。支座的豎向荷載從8 MPa增至17 MPa時(shí)，每段水平剛度降低幅度分別為：1.20%、1.66%、1.13%、1.59%，由此可以得到，豎向荷載對水平剛度的影響不大，隨著豎向荷載的增加，水平剛度的下降并不明顯。支座的豎向荷載從8 MPa增至17 MPa時(shí)，降幅的最大差值僅有0.53%，因此可近似的認(rèn)為支座的水平剛度隨著豎向荷載的增大以相同的幅度降低，式(2)為通過擬合后得到的Fr4支座水平剛度與豎向荷載的線性函數(shù)關(guān)系式：

KA= -0.005 4σ0+0.957

(2)

圖5 擬合曲線與試驗(yàn)剛度降低曲線

由圖5可以看出，豎向荷載為12 MPa時(shí)，試驗(yàn)值與擬合值相差最大，其差值在0.34%左右，由此可以看出，試驗(yàn)值與擬合理論值相差較小。

2.3.2 水平剛度與水平剪應(yīng)變的關(guān)系

為了驗(yàn)證支座水平剛度與水平剪應(yīng)變的關(guān)系，剪應(yīng)變γ分別選取100%、150%、200%、和250%等4種情況。豎向荷載為12 MPa時(shí)，考慮到橡膠剪切模量過大，其水平剛度也較大，導(dǎo)致支座的水平剛度較大，該面壓下摩擦力不足以固定支座，因此支座在剪應(yīng)變?yōu)?50%時(shí)，會發(fā)生滑移，所以豎向荷載為12 MPa時(shí)剪應(yīng)變只做到200%。試驗(yàn)的豎向荷載分別選擇12 MPa、15 MPa以及17 MPa。Fr4支座在相同豎向荷載下，不同剪應(yīng)變的水平剛度如表3所示，每組實(shí)驗(yàn)下支座的水平荷載與位移的關(guān)系如圖6所示。

表3 相同面壓下剪應(yīng)變與水平剛度關(guān)系 kN/mm

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)豎向荷載為一定值時(shí)，水平剛度隨著剪應(yīng)變的增大大致呈逐漸降低的趨勢，但當(dāng)豎向荷載為17 MPa，剪應(yīng)變較大時(shí)，其水平剛度有小幅增加。在3種豎向荷載下剪應(yīng)變增加至150%之后，F(xiàn)r4支座的水平剛度降幅逐漸減小，當(dāng)剪應(yīng)變相同時(shí)，隨著豎向荷載的增大，支座的水平剛度的降幅相對較低。圖7為水平剛度與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線。

(a)12 MPa (b)15 MPa (c)17 MPa

圖7 水平剛度與剪應(yīng)變的關(guān)系

2.3.3Fr4支座的等效阻尼比

為了研究等效阻尼比與豎向荷載的關(guān)系，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其剪應(yīng)變?nèi)∫欢ㄖ怠?00%，豎向荷載分別取5組荷載工況，5組荷載工況分別為8、10、12、15、17 MPa。5組不同豎向荷載工況下的等效阻尼比數(shù)值如表4所示。

表4 剪應(yīng)變γ=±100%下不同豎向荷載的等效阻尼比

試驗(yàn)結(jié)果表明，在±100%剪應(yīng)變時(shí)，F(xiàn)r4橡膠隔震支座等效阻尼比均達(dá)到5%，隨著豎向荷載的增加，支座的等效阻尼比增加，且豎向荷載越大，增幅越明顯。

為了研究Fr4支座等效阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系，對3組豎向荷載12、15、17 MPa下的等效阻尼比進(jìn)行了探討。表5—表7表示3種豎向荷載下不同剪應(yīng)變對應(yīng)的等效阻尼比數(shù)值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在12 MPa和15 MPa時(shí)，等效阻尼比隨著剪應(yīng)變的增加而增加，且剪應(yīng)變越大時(shí)，增幅越明顯，在 17 MPa荷載情況下，阻尼比因剪應(yīng)變產(chǎn)生的變化并不明顯。而在大剪應(yīng)變情況下時(shí)，F(xiàn)r4支座的等效阻尼比更高。通過試驗(yàn)可以看出，F(xiàn)r4支座具有一定的耗能能力，且滯回環(huán)比較飽滿，耗能能力較強(qiáng)。

表5 12 MPa荷載不同剪應(yīng)變下的等效阻尼比

表6 15 MPa荷載不同剪應(yīng)變下的等效阻尼比

表7 17 MPa荷載不同剪應(yīng)變下的等效阻尼比

3 結(jié)論

(1)本文以Fr4環(huán)氧樹脂板材作為橡膠支座的加勁層材料，其力學(xué)性能滿足抗拉、抗彎強(qiáng)度均大于等于170 MPa的要求，且耗能降低明顯、造價(jià)低廉，可以取代傳統(tǒng)疊層橡膠隔震支座中重量大、造價(jià)高的鋼板作為橡膠隔震支座的加勁層材料，從而達(dá)到減輕其造價(jià)及重量的需求，應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)落后的村鎮(zhèn)建筑。

(2)隨著豎向荷載的增大，支座的豎向剛度出現(xiàn)了較為明顯的降低，而水平剛度隨豎向荷載變化

的趨勢是伴隨著荷載的增加再緩慢地降低。支座水平剛度的降幅在前期較大，達(dá)到150%的剪應(yīng)變后，降低幅度再逐漸變小，且豎向荷載對豎向剛度影響較大，對水平剛度影響較小。

(3)Fr4橡膠隔震支座滯回環(huán)面積隨著剪應(yīng)變的增加而增加，等效阻尼比隨著豎向荷載的增大而增大，且均大于5%，其隔震性能明顯。