新型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座抗震性能試驗研究
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程蓓， 鄧炬， 李世偉， 蔣航軍， 曾德民
（1北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044；
2中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，北京100082）
[摘要] 提出一種新型U型鋼棒阻尼器，該阻尼器通過冷彎加工成型，通過高強螺栓安裝在普通無鉛芯橡膠隔震支座上發(fā)揮消能減震作用。首先通過一系列試驗對U型鋼棒阻尼器的耗能能力、延性、剛度和疲勞性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的抗震性能。然后對由U型鋼棒阻尼器和普通無鉛芯橡膠隔震支座組合而成的新型橡膠隔震支座進行了剪切試驗研究。試驗結(jié)果表明，該新型隔震支座的等效水平剛度、屈服后剛度和屈服力等各項受力性能都比鉛芯橡膠支座有了很大的提高。與鉛芯橡膠支座比較，該新型隔震支座具有更好的耗能性能，可以廣泛應(yīng)用于隔震和減震工程中。
[關(guān)鍵詞] U型鋼棒阻尼器；隔震橡膠支座；消能減震
O 引言
采用隔震技術(shù)可以有效減小建筑物的地震反應(yīng)。目前工程上常用的隔震裝置是疊層橡膠墊隔震支座，它主要靠鉛芯發(fā)揮耗能作用，但其阻尼和屈服力大小通常不能調(diào)節(jié)。金屬阻尼器具有優(yōu)良的耗能性能，應(yīng)用較為廣泛，如錐形鋼懸臂阻尼器、加勁阻尼耗能裝置等，金屬阻尼器利用金屬材料進入彈塑性范圍以后良好的耗能性能控制結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，保護主體結(jié)構(gòu)。
本文首先提出一種新型U型鋼棒阻尼器，該阻尼器采用Q235鋼材，經(jīng)冷彎工藝制作成型，通過一系列試驗對U型鋼棒阻尼器的耗能能力、延性、剛度和疲勞性能進行了研究。然后將這種U型鋼棒阻尼器通過螺栓安裝在不含鉛芯的普通橡膠支座上，組成一種新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座，并對該新型橡膠隔震支座進行剪切試驗研究。與普通鉛芯橡膠支座的不同在于，該新型橡膠隔震支座可通過增減U型鋼棒阻尼器的數(shù)量來調(diào)整隔震支座的阻尼力和屈服力等抗震性能。
1 U型鋼棒阻尼器試驗
1.1 U型鋼棒阻尼器試件設(shè)計
由于地震方向的不確定性，要求U型鋼棒阻尼器在任意水平方向都具有良好的耗能能力，且水平位移相同時各個方向的耗能能力接近，從而最大程度地發(fā)揮作用。根據(jù)U型鋼棒阻尼器的受力性能，其由圓弧段、平直段和螺栓連接段三部分組成。U型鋼棒阻尼器采用Q235鋼材加工而成，鋼材的應(yīng)力，應(yīng)變曲線如圖1(a)所示，鋼材存在一定的超強現(xiàn)象。根據(jù)工程需要，參照同高度的鉛芯橡膠隔震支座的受力性能，確定了U型鋼棒阻尼器尺寸，如圖1(b)所示，U型鋼棒阻尼器實體照片如圖1(c)所示。所用連接螺栓是M30的10.9級高強螺栓，同時要保證螺栓連接具有足夠的剛度和強度。
1.2 U型鋼棒阻尼器試驗方法
U型鋼棒阻尼器安裝在橡膠支座上時，螺栓連接段直接與橡膠支座上下連接板接觸，平直段和圓弧段完全懸于支座之外。在加載過程中，平直段和圓弧段不受約束，自由變形。根據(jù)U型鋼棒阻尼器的受力性能，所設(shè)計的試驗裝置如圖2所示。水平加載設(shè)備采用臥式低周反復(fù)加載試驗檢測設(shè)備，拉壓載荷最大為600t，行程為1 000mm。加載時，U型鋼棒阻尼器下端通過螺栓固定在箱形鋼立柱上，上端通過螺栓與加載裝置相連，在加載過程中做復(fù)
運動。利用該裝置考察U型鋼棒阻尼器的耗能性能和變形能力。
1.3 U型鋼棒阻尼器加載方法
本試驗采用位移控制、漸增位移循環(huán)加載。由于該U型鋼棒阻尼器屬于位移相關(guān)型耗能構(gòu)件，其加載速度對力學(xué)性能影響可以忽略不計，故采用頻率一致的緩慢加載方式。為了考察U型鋼棒阻尼器平面內(nèi)和平面外的受力性能，分別在U型鋼棒阻尼器平面內(nèi)00和平面外900兩個水平方向施加荷載，如圖3所示。共對6個尺寸完全相同的U型鋼棒阻尼器（UGB-1~UGB-6）進行試驗，其中UGB-1~ UGB-3進行平面內(nèi)加載，UGB4~UGB-6進行平面外加載。加載至最大位移后，UGB-1和UGB-4以210mm的位移幅值進行疲勞加載，直至U型鋼棒阻尼器破壞，其他試件則以210mm的位移幅值進行10次循環(huán)加載。加載方法如圖4所示。
2 新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座試驗
為了研究新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座（帶有U型鋼棒阻尼器的無鉛芯橡膠支座）的滯回曲線、耗能能力、水平剪切剛度和屈服力等受力性能，本文共對4個直徑為400mm的新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座（編號為SJl~SJ4）進行了試驗研究。每個新型隔震支座都對稱裝有4個U型鋼棒阻尼器。根據(jù)加載方向的不同，分為45。方向加載和90。方向加載兩組。SJ1和SJ2加載方向為90。，SJ3和SJ4加載方向為45。，如圖5所示。依據(jù)《橡膠支座第1部分：隔震橡膠支座試驗方法》(GB／T 20688.1-2007》對試件進行豎向壓縮試驗和水平剪壓試驗。試驗所用儀器為壓剪振液壓伺服全自動試驗機，試驗裝置如圖6所示。
3 U型鋼棒阻尼器試驗結(jié)果分析
3.1 U型鋼棒阻尼器主要試驗數(shù)據(jù)分析
當(dāng)U型鋼棒阻尼器水平位移等于無鉛芯橡膠隔震支座的橡膠總厚度的1倍、2倍和3倍時，分別稱為100%水平位移、200 %水平位移和300qo水平位移，本研究所用無鉛芯橡膠支座的橡膠總厚度為70mm，則這3個水平位移值為70，140，210mm。主要分析以這3個位移為幅值進行往復(fù)加載時鋼棒的荷載、耗能和等效黏滯阻尼系數(shù)等受力性能。根據(jù)《橡膠支座第1部分：隔震橡膠支座試驗方法》(GB／T 20688. 1-2007)，U型鋼棒阻尼器水平加載時的屈服力等于以100%水平位移為幅值進行往復(fù)加載時零位移所對應(yīng)的平面內(nèi)0。和平面外90。兩個方向荷載絕對值的平均值。
由表1可以看出，平面內(nèi)加載時U型鋼棒阻尼器的屈服力要明顯高于平面外加載的，因此平面內(nèi)受力的U型鋼棒阻尼器能為橡膠支座提供更大的屈服力。對于最大位移對應(yīng)的荷載，可以看出，在100%水平位移時，平面內(nèi)加載U型鋼棒阻尼器的最大位移對應(yīng)的荷載要略高于平面外加載U型鋼棒阻尼器。而隨著位移的增大，平面內(nèi)加載U型鋼棒阻尼器的最大位移對應(yīng)的荷載呈現(xiàn)下降趨勢，而平面外加載U型鋼棒阻尼器的最大位移對應(yīng)的荷載呈上升趨勢。這主要是因為平面內(nèi)加載U型鋼棒阻尼器比平面外加載U型鋼棒阻尼器更早地發(fā)生了全截面屈服，并且隨著位移的增加，U型鋼棒阻尼器的平直段彎曲變形逐漸增大并在某一截面出現(xiàn)了塑性鉸。平面外加載時，U型鋼棒阻尼器主要通過平直段和圓弧段的彎曲以及扭轉(zhuǎn)變形來消耗能量，變形情況比平面內(nèi)加載時更加復(fù)雜。對于耗能，可以看出，當(dāng)以100 %水平位移為幅值進行加載時，平面外加載的耗能值低于平面內(nèi)加載，這是由于平面外加載時U型鋼棒與螺栓之間存在相對滑動，造成耗能值降低。當(dāng)以200%和300%水平位移為幅值進行加載時，這種相對滑動造成的影響程度逐漸降低，平面外加載和平面內(nèi)加載的耗能值逐漸接近，大體上滿足預(yù)期兩個加載方向耗能值相等的要求。等效黏滯阻尼系數(shù)也是反映構(gòu)件的耗能能力的一個重要指標(biāo)。從表1中可以看出，平面內(nèi)加載時U型鋼棒阻尼器的等效黏滯阻尼系數(shù)大于平面外加載的，說明U型鋼棒阻尼器在平面內(nèi)加載時，具有更強的耗能能力。平面內(nèi)和平面外加載時U型鋼棒阻尼器的等效黏滯阻尼系數(shù)均在0. 35以上，說明U型鋼棒阻尼器在兩個方向都具有較強的耗能能力。
3.2試驗現(xiàn)象
U型鋼棒阻尼器在加載過程中的最大變形如圖7所示，可以看出，U型鋼棒阻尼器具有很強的平面內(nèi)和平面外變形能力。平面內(nèi)加載時，U型鋼棒阻尼器平直段發(fā)生較大彎曲，說明U型鋼棒阻尼器主要通過平直段的彎曲變形來消耗能量。平面外加載時，U型鋼棒阻尼器則通過平直段和圓弧段的彎曲及扭轉(zhuǎn)來消耗能量。
3.3滯回曲線分析
由圖8的U型鋼棒阻尼器滯回曲線可以看出，U型鋼棒阻尼器在受力時都表現(xiàn)出良好的耗能性能，滯回曲線飽滿，呈典型梭形，試件具有一定的初始剛度，在多次循環(huán)加載作用下，未出現(xiàn)強度和剛度的退化現(xiàn)象，滿足抗震要求。U型鋼棒阻尼器在平面內(nèi)反復(fù)荷載作用下，隨著位移的增大，強度都趨于平緩。而在平面外反復(fù)荷載作用下，強度則不斷增加。平面內(nèi)反復(fù)荷載作用下的滯回曲線都比平面外反復(fù)荷載作用下的曲線飽滿。
3.4延性分析
U型鋼棒阻尼器的骨架曲線如圖9所示，平面內(nèi)和平面外加載時的初始屈服點分別采用能量等值法和幾何作圖法確定，該點對應(yīng)位移為初始屈服位移D，。平面內(nèi)和平面外加載時的極限點取荷載下降至85%最大承載力時所對應(yīng)的點，該點對應(yīng)位移為極限位移D。，其中平面外加載時U型鋼棒阻尼器沒有出現(xiàn)承載力下降，取最大承載力點為極限點。延性系數(shù)p=D。/D，。
由圖9可見，骨架曲線正負(fù)向基本對稱，取骨架曲線正向計算延性系數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，無論是平面內(nèi)還是平面外加載，U型鋼棒阻尼器的延性系數(shù)都高于延性破壞的一般要求（u=3~4），說明其具有良好的延性。
3.5剛度退化分析
U型鋼棒平面內(nèi)和平面外加載的剛度退化曲線類似，以UGB-1和UGB-4為例說明U型鋼棒阻尼器的剛度退化情況，如圖10所示�？梢钥闯�，U型鋼棒在平面內(nèi)和平面外加載情況下都具有較高的初始剛度，這對于保證建筑物在正常使用過程中抵抗風(fēng)荷載等水平荷載是有利的。隨著加載位移的增大，鋼棒剛度在逐漸退化，沒有發(fā)生剛度突然降低現(xiàn)象。加載完成后，鋼棒仍具有一定剛度，可以為橡膠支座提供一定的屈服后剛度。
3.6 U型鋼棒阻尼器疲勞性能
UCB-1和UGB-4在加載至最大位移210mm后，即以該位移幅值進行往復(fù)加載，UGB-1往復(fù)加載37次后在端部發(fā)生斷裂，UGB-4往復(fù)加載40次仍未發(fā)生斷裂，此時停止加載。U型鋼棒最終破壞形態(tài)如圖11所示。
UGB-1和UGB-4疲勞性能指標(biāo)如表3所示，由表可以看出，U型鋼棒阻尼器經(jīng)過疲勞加載，以210 mm的位移幅值加載了30圈以上，其各項指標(biāo)均有所下降，但降低率均在15%以內(nèi)，滿足《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》( JGJ 297-2013)要求。
4 新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座試驗結(jié)果分析
4.1試驗現(xiàn)象
對新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座進行剪切試驗時，最大變形如圖12所示。從圖12(a)中可以看出，在90。方向加載作用下，隨著橡膠隔震支座剪切變形的增大，4個U型鋼棒阻尼器隨之發(fā)生兩種形式的大變形：與加載方向平行的U型鋼棒，主要以彎曲變形來消耗能量；而與加載方向垂直的U型鋼棒，以扭轉(zhuǎn)變形來消耗能量。從圖12( b)中可以看出，在45。方向加載作用下，隨著橡膠隔震支座剪切變形的增大，4個U型鋼棒阻尼器都隨之發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)相結(jié)合的大變形。
4.2滯回曲線分析
新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座的滯回曲線如圖13所示�？梢钥闯�，在45。方向和90。方向加載情況下，新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座的滯回曲線都較飽滿；并且隨著位移的增大，構(gòu)件的荷載和耗能能力不斷增加，說明其具有良好的抗震性能。
4.3主要抗震性能分析
根據(jù)《橡膠支座第1部分：隔震橡膠支座試驗方法》( GB/T 20688. 1-2007)和新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座的試驗數(shù)據(jù)，計算得到新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座的抗震性能指標(biāo)數(shù)值如表4所示。
由表4可以看出，支座在90。方向和45。方向加載時，各項性能指標(biāo)較為接近，說明這兩個方向的抗震性能接近，從而可以得出支座在任意水平方向具有相近的抗震性能，不存在方向性差異的結(jié)論。支座等效阻尼比在23%~30%之間，具有較強的耗能能力。橡膠支座具有較大的屈服后剛度，可以保證支座不產(chǎn)生過大的剪切變形。
表5給出了新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座與LRB400鉛芯橡膠支座的各項抗震性能指標(biāo)的對比�？梢钥闯�，對稱安裝有4個U型鋼棒阻尼器的無鉛芯橡膠支座在90。方向和在45。方向加載作用下，其等效水平剛度、屈服后剛度和屈服力約是LRB400鉛芯橡膠支座的兩倍左右。同時，其等效阻尼比也要高于LRB400鉛芯橡膠支座，表現(xiàn)出了較強的耗能能力。在實際應(yīng)用中，可通過增減U型鋼棒阻尼器的數(shù)量來調(diào)節(jié)該新型支座的性能。
5 結(jié)論
本文提出一種新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座，通過分別對U型鋼棒阻尼器和新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座進行試驗研究，得出以下結(jié)論：
(1)U型鋼棒阻尼器滯回曲線飽滿，呈典型梭形，具有良好的耗能能力。其各個方向的耗能值接近，適宜安裝在普通無鉛芯橡膠支座上，在任意方向上均可發(fā)揮消能減震作用。
(2)U型鋼棒阻尼器具有優(yōu)良的延性和變形能力，非常適合作為耗能減震構(gòu)件。
(3)U型鋼棒阻尼器具有一定的初始剛度，有利于建筑物在正常使用過程中抵抗水平荷載，同時具有一定的屈服后剛度，可以保證橡膠支座不產(chǎn)生過大的剪切位移。
(4)U型鋼棒阻尼器在最大加載位移幅值條件下，可以加載30圈以上，且最大位移對應(yīng)荷載、零位移對應(yīng)荷載、割線剛度、耗能等指標(biāo)的降低率滿足規(guī)范要求，具有良好的抗疲勞性能。
(5)由U型鋼棒阻尼器與普通無鉛芯橡膠支座組合而成的新型U型鋼棒阻尼器隔震橡膠支座滯回曲線飽滿，各個水平方向的抗震性能良好且不存在方向性差異。此新型橡膠隔震支座等效水平剛度、屈服后剛度、屈服力和等效阻尼比等抗震性能指標(biāo)均高于同直徑的鉛芯橡膠隔震支座，具有較強的耗能能力。在實際應(yīng)用中，可通過增減U型鋼棒阻尼器的數(shù)量來調(diào)節(jié)該新型橡膠隔震支座的性能。
