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王建強(qiáng)1，魏明明2，李  政1，劉耀東1，趙  軍1

（1．鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001；2．鄭州市公共交

通總公司，河南鄭州450002）

[摘要]對高阻尼橡膠支座的豎向剛度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了支座豎向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)變對支座豎向剛度的影響。結(jié)果表明，高阻尼橡膠支座具有穩(wěn)定的豎向承載能力和變形性能；在純壓狀態(tài)下，支座的豎向剛度隨著豎向壓應(yīng)力的增大近似呈線性增大；在偏壓狀態(tài)下，隨著支座剪切應(yīng)變的增大，在相同豎向壓應(yīng)力作用下支座的豎向剛度近似呈線性減小，并且在

不同豎向壓應(yīng)力作用下，支座豎向剛度的減小幅度基本一致。

 [關(guān)鍵詞]高阻尼橡膠支座；豎向剛度；豎向壓應(yīng)力；剪切應(yīng)變；試驗(yàn)研究

 [中圖分類號]  TU352.1 

0  引言

 近年來全球多次發(fā)生強(qiáng)烈地震，造成了重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，亟待提高工程結(jié)構(gòu)的抗震能力。目前，隔震技術(shù)在房屋建筑和橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并在多次實(shí)際地震中表現(xiàn)出良好的隔震效果。常用的隔震支座主要是鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座。高阻尼橡膠支座是在橡膠中加入一些特殊材料，如石墨等，使橡膠材料的粘滯性增大，耗能能力增強(qiáng)，從而替代鉛芯橡膠支座中的鉛芯，以避免對環(huán)境造成污染，并且高阻尼橡膠支座的初始剛度較大，更有利于保證支座在風(fēng)荷載和較小地震作用下的穩(wěn)定性。

 Tsai等對高阻尼橡膠支座的剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了加載速度及剪切變形等對支座剪切性能的影響，提出了支座的水平恢復(fù)力模型，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Burtscher等對不同形式的高阻尼橡膠支座的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了支座形狀系數(shù)和鋼板形式對支座豎向剛度和水平剪切性能的影響，表明支座形狀系數(shù)和鋼板形式對支座力學(xué)性能有較大影響。Masashi Yamamoto等對高阻尼橡膠支座的水平剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了雙向耦合效應(yīng)對支座剪切性能的影響，并提出了支座的水平恢復(fù)力模型，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。莊學(xué)真等對高阻尼橡膠支座的豎向剛度和水平剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了純壓狀態(tài)下支座的豎向剛度，研究了水平剪切變形對支座剪切性能的影響，表明高阻尼橡膠支座具有穩(wěn)定的豎向剛度和較強(qiáng)的耗能性能。袁涌等研究了水平加載頻率和加載經(jīng)歷對高阻尼橡膠支座剪切性能的影響，表明水平加載頻率對支座水平等效剛度影響較大，但其對支座等效阻尼比影響較小，而加載經(jīng)歷對支座水平等效剛度和等效阻尼比影響較大。沈朝勇等對高阻尼橡膠支座的水平剪切性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了支座水平剪切變形、豎向壓力和水平加載頻率等對支座剪切性能的影響，表明剪切變形、豎向壓力和水平加載頻率等對支座水平等效剛度、屈服后剛度和等效阻尼比等有一定影響。陳彥江等對高阻尼橡膠支座進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了純壓狀態(tài)下豎向壓力對支座豎向剛度的影響，分析了豎向壓力和水平剪切變形等對支座水平剪切性能的影響，表明豎向壓力對支座豎向剛度和水平等效剛度和等效阻尼比等有一定影響，剪切變形對支座的水平等效剛度有較大影響。

 綜上所述，目前研究人員對高阻尼橡膠支座的水平剪切性能和純壓狀態(tài)下的豎向剛度進(jìn)行了較為深入的研究，但對偏壓狀態(tài)下支座豎向剛度的研究則較少，然而在地震中支座將產(chǎn)生剪切變形，支座的豎向力學(xué)性能將會有所不同，因而，本文將對高阻尼橡膠支座的豎向剛度進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析支座豎向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)變對支座豎向剛度的影響。

1試驗(yàn)概況

 本試驗(yàn)采用HDR200型高阻尼橡膠支座，支座構(gòu)造如圖1所示，支座參數(shù)見表1。試驗(yàn)加載設(shè)備包括：豎向加載采用1臺1500kN電液伺服作動器，行程為±250mm；水平加載采用1臺500kN電液伺服作動器，行程為±125mm；豎向加載和水平加載可同時進(jìn)行，加載方式為荷載或位移，輸入波形為正弦波、三角波、梯形波、斜波、組合波、地震波等。本試

驗(yàn)對高阻尼橡膠支座的豎向剛度進(jìn)行研究，豎向加載采用荷載控制，水平加載采用位移控制，試驗(yàn)方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)《隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》( GB/T20688. 1-2007)中有關(guān)支座壓縮性能試驗(yàn)所推薦的方法2，如圖2所示，即：0-P0-P2-P0-P1（第1次加載），P1-P0-P2-P0-P1（第2次加載），P1-P0-P2-P0-P1（第3次加載），其中Po為設(shè)計壓力，P2為1.3P0，P1為0.7P0。同時，根據(jù)《隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》( GB/T 20688. 1-2007)的要求在加載平臺兩側(cè)沿支座對稱設(shè)置兩個位移傳感器，用于測量支座的豎向位移。支座的豎向壓應(yīng)力分別為3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa和18MPa，豎向荷載和水平位移均采用正弦加載，加載頻率均為0. 01Hz，具體工況如下所示：

 1)工況1：支座在純壓狀態(tài)下的豎向剛度試驗(yàn)，首先對支座施加豎向壓力P0，而后按照試驗(yàn)方法對支座在±0. 3P0范圍內(nèi)加載、卸載循環(huán)4次，取第3次循環(huán)的結(jié)果計算豎向剛度，最后對支座進(jìn)行卸載。

 2)工況2：支座在偏壓狀態(tài)下的豎向剛度試驗(yàn)，首先對支座施加1. 5MPa的豎向壓應(yīng)力，再對支座施加水平位移X0，使支座的剪切應(yīng)變分別為50%、100%、150%和200%，繼續(xù)對支座施加荷載至豎向壓力為P0，而后按照試驗(yàn)方法對支座在±0.3P0范圍內(nèi)加載、卸載循環(huán)4次，取第3次循環(huán)的結(jié)果計算豎向剛度，加載完成后支座豎向壓應(yīng)力卸載至1. 5MPa，支座水平回復(fù)原位，最后對支座進(jìn)行卸載。

 高阻尼橡膠支座的豎向壓縮剛度按式(1)計算：

式中：P1為第3次循環(huán)時的較小壓力；P2第3次循環(huán)時的較大壓力；Y1為第3次循環(huán)時的較小位移；Y2為第3次循環(huán)時的較大位移。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1  純壓狀態(tài)下支座豎向剛度

 對高阻尼橡膠支座進(jìn)行純壓狀態(tài)下的豎向剛度試驗(yàn)研究，豎向壓應(yīng)力為12MPa時支座豎向荷載與豎向位移的關(guān)系曲線如圖3所示，支座的豎向剛度如圖4所示。

 由圖3可以看出，高阻尼橡膠支座在豎向加載過程中，支座的4次豎向荷載和豎向位移關(guān)系曲線幾乎重合在一起，并且支座在加載過程中未出現(xiàn)破壞，卸載后支座基本恢復(fù)原狀，表明支座具有穩(wěn)定的豎向承載能力和變形性能。

 由圖4可以看出，在純壓狀態(tài)下支座的豎向剛度隨著豎向壓應(yīng)力的增大而顯著增大，近似呈線性關(guān)系，豎向壓應(yīng)力由3MPa增大至18MPa時，支座的豎向剛度由1. 42×105 k N/m增至6.83×105 k N/m，豎向剛度增大了約3.8倍。

2.2偏壓狀態(tài)下支座豎向剛度

 對高阻尼橡膠支座進(jìn)行偏壓狀態(tài)下的豎向剛度試驗(yàn)研究，豎向壓應(yīng)力為12MPa時各剪切應(yīng)變狀態(tài)下支座豎向荷載與豎向位移的關(guān)系曲線如圖5所示，支座在不同豎向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)變狀態(tài)下的豎向剛度如圖6所示。

 由圖5可以看出，高阻尼橡膠支座在豎向加載過程中，在不同剪切應(yīng)變下支座的4次豎向荷載和豎向位移關(guān)系曲線均幾乎重合在一起，并且隨著支座剪切應(yīng)變的增大，支座豎向荷載和豎向位移關(guān)系曲線的斜率逐漸減小，支座的豎向剛度逐漸減小。同時，在各工況加載過程中支座均未出現(xiàn)破壞，卸載后支座均能基本恢復(fù)原狀，表明支座在不同剪切應(yīng)變下均具有穩(wěn)定的豎向承載能力和變形性能。由圖6可以看出，在不同豎向壓應(yīng)力作用下，隨著支座剪

切應(yīng)變的增大，支座的豎向剛度近似呈線性減小，并且在不同豎向壓應(yīng)力作用下，支座豎向剛度的減小幅度基本一致，如：豎向壓應(yīng)力為3MPa時，支座剪切應(yīng)變由0增大至200%，支座的豎向剛度由1.42×105 k N/m減小至1.06×105 k N/m，減小了約25%；豎向壓應(yīng)力為18MPa時，支座剪切應(yīng)變由0增大至200%，支座的豎向剛度由6.83×105kN/m減小至5. 60×105 k N/m，減小了約20%。

3  結(jié)論

 通過對高阻尼橡膠支座在純壓和偏壓狀態(tài)下豎向剛度的試驗(yàn)研究，分析了支座豎向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)變對支座豎向剛度的影響，得出了以下主要結(jié)論：

 1)在純壓和偏壓狀態(tài)下，在豎向加載過程中高阻尼橡膠支座具有穩(wěn)定的豎向承載能力和變形性能。

 2)在純壓狀態(tài)下，高阻尼橡膠支座的豎向剛度隨著豎向壓應(yīng)力的增大而顯著增大，近似呈線性關(guān)系；在偏壓狀態(tài)下，隨著支座剪切應(yīng)變的增大，在相同豎向壓應(yīng)力作用下支座的豎向剛度近似呈線性減小，并且在不同豎向壓應(yīng)力作用下，支座豎向剛度的減小幅度基本一致。