隔震橡膠支座拉伸性能研究

李詩瑤，陸 浩，趙慶兵，趙晨旭，周家孝，吳建偉，王賢彬，朱恩來

（震安科技股份有限公司，云南 昆明 650041）

隔震技術(shù)自問世以來，被廣泛推廣和應(yīng)用于低層建筑，經(jīng)過地震檢驗證明其隔震效果良好[1-5]。隨著社會的發(fā)展及城市化進程的推進，目前在城市建設(shè)中，高層建筑占比越來越大[6]，國家標(biāo)準(zhǔn)[7]明確規(guī)定，隔震橡膠支座在罕遇地震下，豎向拉應(yīng)力不能大于1 MPa，而高層建筑由于地震產(chǎn)生的傾覆力矩遠遠超過限制，這很大程度上限制了隔震技術(shù)在高層建筑上的應(yīng)用。為此，國內(nèi)外大量的研究人員通過試驗對隔震橡膠支座的拉伸性能進行了研究。

T.MANO等[8]對直徑450 mm的模型隔震橡膠支座進行了拉伸試驗，結(jié)果表明，支座拉伸后力學(xué)性能變化不超過10%，且支座第二形狀因數(shù)（S2）相同時，單層橡膠越薄，支座屈服拉應(yīng)力越大。劉文光[9]對LNR300隔震橡膠支座進行了試驗研究，結(jié)果表明，支座單軸拉伸屈服拉應(yīng)力為1.6 MPa左右，在拉剪工況下，隨著剪應(yīng)變的增大，橡膠發(fā)生硬化，支座拉伸剛度先減小后增大，在剪應(yīng)變100%時達到最小。劉亞東等[10]對LNR300隔震橡膠支座進行了拉伸試驗，研究表明，隨著剪應(yīng)變的增大，支座屈服拉應(yīng)力逐漸減小。許強[11]也采用LNR300隔震橡膠支座進行了試驗，結(jié)果表明，拉剪對支座常規(guī)力學(xué)性能影響不大，剪應(yīng)變增大后，支座拉伸剛度減小。金建敏等[12]對D600-G4橡膠支座進行了拉伸性能試驗，剪應(yīng)變?yōu)榱銜r，支座屈服拉伸強度達1.2 MPa，剪應(yīng)變?yōu)?00%時，支座屈服拉伸強度減小至1.04 MPa，支座屈服拉伸強度隨剪應(yīng)變的增大而減小。韓強等[13]對設(shè)計剪切模量為0.4 MPa的D300橡膠隔震支座進行了拉伸性能試驗，在剪應(yīng)變?yōu)榱銜r，支座屈服拉伸強度達1.6 MPa左右，隨著剪應(yīng)變增大到100%和250%，由于橡膠硬化，支座拉伸剛度略有增大。陳鵬等[14]采用D600普通隔震橡膠支座和帶有抗拉裝置的隔震橡膠支座進行了拉伸試驗以及拉剪、純剪、壓剪工況下的滯回曲線對比，結(jié)果表明，普通支座在拉應(yīng)力為0.5 MPa時即進入屈服狀態(tài)，帶抗拉裝置的支座拉應(yīng)力隨拉應(yīng)變的增大呈線性增長，在純剪和壓剪狀態(tài)下，支座一次循環(huán)的滯回面積相差不大，但在拉剪狀態(tài)下，滯回環(huán)向內(nèi)收縮，耗能水平下降，而帶有抗拉裝置的支座未表現(xiàn)出滯回環(huán)內(nèi)縮現(xiàn)象。

從目前所知的研究結(jié)果來看，隔震橡膠支座的屈服拉伸強度普遍在1～2 MPa之間，相較于規(guī)范要求其安全因數(shù)較小，無法運用于高寬比大的建筑。本工作基于目前研究現(xiàn)狀，考慮到隔震橡膠支座生產(chǎn)工藝和質(zhì)量的提升，對公司現(xiàn)有產(chǎn)品的拉伸性能進行試驗研究，以期為后續(xù)研究提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及試件

1.1 試驗設(shè)備

伺服壓剪試驗機（見圖1），濟南三越測試儀器有限公司產(chǎn)品，最大豎向壓縮荷載 35 000 kN，最大拉伸載荷 3 500 kN，最大水平荷載 8 000 kN，最大豎向行程 1 200 mm，最大水平行程±1 000 mm。

1.2 試件

隔震橡膠支座（以下簡稱支座）試件參數(shù)如表1所示。

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of test pieces

2 試驗內(nèi)容及加載方法

2.1 試驗內(nèi)容

試驗一：選用1#，2#，3#支座進行拉伸性能及拉伸后常規(guī)力學(xué)性能研究。

試驗二：選用4#支座進行拉伸后的極限性能研究。

2.2 加載方法

試驗一：支座在壓應(yīng)力12 MPa、頻率0.03 Hz下進行豎向壓縮和水平剪切，剪應(yīng)變?yōu)?00%，之后對支座進行單軸拉伸，拉伸速度為1 mm·s-1，每次單軸拉伸后進行豎向壓縮和水平剪切，再進行單軸拉伸。1#支座拉應(yīng)變?yōu)?%，10%，15%，破壞；2#支座拉應(yīng)變?yōu)?%，5%，10%，15%，30%，60%，100%，150%，200%，250%，300%，350%，破壞；3#支座拉應(yīng)變?yōu)?%，5%，10%，50%，100%，200%，250%，300%，破壞。

試驗二：支座在壓應(yīng)力12 MPa、頻率0.03 Hz以及剪應(yīng)變0%，50%，100%，200%，300%下依次進行水平力學(xué)性能檢測，每次剪切前后測試支座豎向壓縮剛度，然后分別將支座進行拉應(yīng)變?yōu)?5%，100%，250%的單軸拉伸試驗，每次拉伸后進行水平及豎向力學(xué)性能檢測，對比力學(xué)性能變化情況，試驗結(jié)束后進行豎向極限壓縮和0.55D（支座直徑的0.55）剪應(yīng)變下的極限壓應(yīng)力試驗，然后對支座進行水平極限剪切試驗，試驗工況如表2所示。

表2 試驗二試驗工況Tab.2 Test conditions of test Ⅱ

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗一

根據(jù)試驗工況，得到的1#，2#和3#支座的拉力-拉伸位移曲線如圖2—4所示，拉伸性能如表3所示。

從圖2—4和表3可以看出，支座的屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨橡膠剪切模量的增大而增大，相同橡膠剪切模量的鉛芯支座（3#支座）與天然橡膠支座（2#支座）屈服拉應(yīng)力沒有明顯的差別，支座極限拉應(yīng)力約為屈服拉應(yīng)力（第1次拉伸）的2倍左右，極限拉應(yīng)變在350%左右。支座經(jīng)過反復(fù)拉伸，特別是拉伸屈服后，屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度明顯減小，這是因為支座拉伸屈服后橡膠內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，產(chǎn)生了孔洞[15]。

表3 1#—3#支座的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of 1#—3# bearings

對2#和3#支座屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨拉應(yīng)變的變化情況進行分析，結(jié)果如圖5和6所示（為了更直觀地看到變化情況，對試驗數(shù)據(jù)進行了歸一化處理，下同）。

從圖5和6可以看出，支座屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨拉應(yīng)變和拉伸次數(shù)的增大逐漸減小，在拉應(yīng)變50%前減小較快，之后減幅趨于穩(wěn)定。在拉應(yīng)變300%時，支座屈服拉應(yīng)力下降60%左右，拉伸剛度減小80%左右，這是因為橡膠在拉伸過程中內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，橡膠本體發(fā)生了一定程度的破壞，導(dǎo)致拉伸性能衰減。

2#和3#支座豎向壓縮剛度和等效水平剛度隨拉應(yīng)變的變化情況分別如圖7和8所示，3#支座其余常規(guī)力學(xué)性能隨拉應(yīng)變的變化情況如圖9所示。

從圖7—9可以看出，支座在經(jīng)歷較大的拉伸變形后，力學(xué)性能變化不大，豎向壓縮剛度、等效水平剛度和屈服后剛度整體隨拉應(yīng)變的增大而減小，變化率基本在10%以內(nèi)，3#支座（鉛芯支座）屈服力和等效阻尼比隨拉應(yīng)變的增大而增大，變化率也在10%以內(nèi)，說明拉伸過程中橡膠的損壞對支座常規(guī)力學(xué)性能的影響不大，支座隔震效果保持完好。

3.2 試驗二

根據(jù)試驗工況，得到4#支座拉伸前后力學(xué)性能變化情況如表4、圖10和11所示。

表4 4#支座拉伸前后力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties before and after tension of 4# bearing

從圖10和11可以看出，隨著剪應(yīng)變的增大，拉伸前支座豎向壓縮剛度明顯減小，在剪應(yīng)變?yōu)?00%時，下降幅度達到22%，在經(jīng)歷了拉伸后，支座豎向壓縮剛度隨剪應(yīng)變的增大僅小幅減小，減幅約5%。

支座等效水平剛度隨著剪應(yīng)變的增大呈先減小后增大的趨勢，在剪應(yīng)變?yōu)?00%時達到最小，后由于橡膠硬化，等效水平剛度增大，在經(jīng)歷了300%水平剪切和拉伸后，支座等效水平剛度整體減小10%～25%。之前的試驗證明，相同剪應(yīng)變下，拉應(yīng)變從15%增大至250%，支座等效水平剛度基本無差異，即拉伸對支座等效水平剛度的影響較小，因此，支座等效水平剛度減小主要是受較大的剪切變形影響（導(dǎo)致了橡膠的損傷）。

支座在經(jīng)歷了50%～300%剪應(yīng)變，15%，100%，250%拉應(yīng)變等一系列試驗后，進行了豎向極限壓應(yīng)力和0.55D剪應(yīng)變時的極限壓應(yīng)力試驗，結(jié)果如圖12和13所示。

從圖12和13可以看出，支座豎向極限壓應(yīng)力達到92 MPa，0.55D極限壓應(yīng)力達到30.9 MPa，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且試驗過程中，僅豎向壓應(yīng)力作用下支座出現(xiàn)了較大的側(cè)向不均勻變形，試驗完成后支座完好無損，試驗曲線光滑無異常。

上述試驗完成后，對支座進行400%水平剪應(yīng)變下3圈循環(huán)試驗，結(jié)果如圖14所示。

從圖14可以看出，支座在經(jīng)歷拉伸、水平剪切、極限受壓等一系列試驗后，水平剪切變形依舊達到400%，且試驗后支座外觀無異常，試驗曲線光滑無異常。

4 結(jié)論

（1）支座屈服拉應(yīng)變在8%左右，屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨著橡膠剪切模量的增大而增大，屈服拉應(yīng)力普遍在2.2～2.7 MPa之間。

（2）支座極限拉應(yīng)變在350%左右，受支座內(nèi)部橡膠物理性能、硫化情況、粘接情況以及環(huán)境溫度等因素綜合影響，支座屈服拉應(yīng)力（第1次拉伸）與極限拉應(yīng)力之比約為1∶2。

（3）支座拉伸后，豎向壓縮剛度和等效水平剛度稍有減小，但變化不大，鉛芯支座屈服力和等效阻尼比略微增大，變化率均在10%以內(nèi)。

（4）支座拉伸后，水平及豎向力學(xué)性能變化不大，導(dǎo)致支座力學(xué)性能明顯下降的因素是大變形剪切，且支座拉伸后，力學(xué)性能變化趨勢與拉伸前基本一致。

（5）支座拉伸后，豎向極限承載能力和水平極限變形能力保持完好，即支座經(jīng)拉伸后仍具有較好的功能性和安全性。