劉文光 許浩 馮祎鑫

摘要： 疊層橡膠支座在大變形下力學(xué)性能會有所衰減，實際工程中為滿足性能要求通常需要增大橡膠支座直徑。基于滑板支座和橡膠材料的力學(xué)性能特點，設(shè)計開發(fā)出一種新型高性能多級性態(tài)支座，實現(xiàn)較大的豎向承載性能及可靠的水平耗能能力；介紹了高性能多級性態(tài)支座的組成構(gòu)造和變形機理；提出了高性能多級性態(tài)支座的水平滯回模型，探討了支座豎向剛度與水平變形的關(guān)系，給出了回轉(zhuǎn)剛度的計算公式。并對提出的裝置進行了力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果表明，高性能多級性態(tài)支座具有變剛度特性，滯回特性呈現(xiàn)為雙線性特點，在豎向高承載條件下力學(xué)性能穩(wěn)定，提出的理論力學(xué)模型與試驗結(jié)果吻合較好，可有效地模擬高性能多級性態(tài)支座的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞： 隔震； 多級支座； 疊層橡膠支座； 靜力試驗

中圖分類號： TU352.12； TU317.2文獻標志碼： A文章編號： 1004-4523（2018）04-0582-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.04.005

引言

隔震技術(shù)通過設(shè)置柔性隔震層，延長建筑的自振周期，可有效隔絕地震能量輸入，保護結(jié)構(gòu)安全[1]。1994年美國Northridge地震和1995年日本KOBE地震中，觀測到的隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值僅為非隔震結(jié)構(gòu)的20%[2]。

目前常用的隔震裝置主要有疊層橡膠支座、滑板支座、摩擦擺支座等。工程上常將不同種類的隔震支座混用，并配合阻尼器以獲得更優(yōu)越的抗震性能。Franco Braga等對高阻尼橡膠支座-摩擦滑移組合隔震體系進行了足尺結(jié)構(gòu)動力試驗，采用組合隔震系統(tǒng)可以有效控制結(jié)構(gòu)高階振型的影響，提升結(jié)構(gòu)抗震性能[3]。P Y Lin等提出了一種高阻尼橡膠支座和磁流變阻尼器組合的半主動隔震系統(tǒng)，基于模糊控制理論進行了振動臺試驗，所提出隔震系統(tǒng)可同時控制結(jié)構(gòu)加速度和隔震層位移[4]。D Cancellara等將鉛芯橡膠支座和摩擦滑板串聯(lián)，形成高阻尼組合隔震系統(tǒng)，試驗和時程分析結(jié)果表明所提出隔震裝置在高峰值和低頻地震作用下抗震性能優(yōu)越[5]。Athanasios A Markou等采用高阻尼橡膠支座、黏彈性阻尼器和摩擦滑動支座組成混合隔震系統(tǒng)應(yīng)用于某實際工程中，構(gòu)建了新型隔震體系的計算理論并進行了地震響應(yīng)分析[6]。Marco Donà1等提出了一種新型滾珠橡膠隔震裝置，進行了力學(xué)性能試驗并構(gòu)建了設(shè)計理論[7]。呂西林等進行了疊層橡膠支座和滑板摩擦支座的組合隔震體系振動臺試驗研究及地震響應(yīng)分析，疊層橡膠支座能自動復(fù)位，滑板摩擦隔震支座具有良好的耗能能力，驗證了組合隔震體系的有效性[8-9]。杜東升等進行了高層建筑組合隔震體系的研究，并在實際高層建筑中應(yīng)用了天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、滑移支座等隔震器[10]。范夕森等進行了組合隔震體系的力學(xué)性能試驗，研究了鉛芯橡膠支座和摩擦滑移支座不同比例組合的力學(xué)性能和骨架曲線[11]。鄒爽等在隔震層中采用摩擦阻尼器以控制隔震層位移[12]。何文福等采用錐形金屬塊和黏彈性材料，開發(fā)一種非固結(jié)隔震支座，并進行了振動臺試驗[13]。

疊層橡膠支座的豎向抗壓剛度較高而抗拉剛度較弱，輸入峰值加速度較大時易發(fā)生支座受拉，分析設(shè)計時需嚴格控制支座的拉應(yīng)力[14-15]。Gordon P Warn等在2006年對鉛芯橡膠支座水平和豎向的耦合響應(yīng)做了理論與試驗分析，水平位移增大時橡膠支座豎向剛度會減小，大變形下豎向剛度會減小40%～50%[16]。Manish Kumar，Venkata S M等指出橡膠支座的水平剛度和拉壓剛度都會受到水平位移影響，尤其是在特大地震和超設(shè)計基準地震下，水平剛度的損耗是不可恢復(fù)的，在大地震作用下應(yīng)采用考慮雙向耦合的支座力學(xué)模型[17-20]。

當前關(guān)于新型隔震體系的研究多以橡膠支座為主，在隔震層中混用多種裝置。橡膠支座在大變形下力學(xué)性能的衰減問題仍無法得到解決，且不同類型支座的混搭使用，容易引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和豎向軸力變化，進而影響隔震層滯回性能和結(jié)構(gòu)抗震安全性[21-22]。

疊層橡膠支座發(fā)生剪切變形時，豎向剛度可用上下面相交有效面積評價[2]，如圖1所示。隨著剪切變形增大，內(nèi)部橡膠材料的應(yīng)力顯著增大，如圖2所示。因此，在工程中往往需要采用大尺寸的橡膠支座以滿足高承載要求，而大尺寸橡膠支座成本較高且其生產(chǎn)需要漫長的硫化時間[23]，對大型工程的成本、工期和質(zhì)量控制帶來挑戰(zhàn)，開發(fā)一種新型高承載力高性能隔震體系是很有必要的。

本文介紹了一種高性能多級性態(tài)支座（High Performance Multi-level Bearing，HPMB），通過將滑板支座與高模量橡膠體組合，可以有效地將支座的豎向承載能力與水平回復(fù)力解耦，從而實現(xiàn)豎向高承載力的設(shè)計需求，同時以摩擦滑動變形替代橡膠支座變形，可顯著減弱支座力學(xué)性能的衰減。

HPMB主要由橡膠支座、滑動面板、限位擋塊和高模量橡膠體組成，其基本構(gòu)造如圖3所示。橡膠支座與下連接板以螺栓連接，在橡膠支座周圍呈中心對稱布置高模量橡膠體，分別與上、下連接板螺栓連接，高模量橡膠體的數(shù)量可由具體工程需要再行設(shè)計。橡膠支座的上封板鑲嵌一塊滑動面板，滑動面板與上連接板接觸且可自由滑動，選用不同材料的滑動面板可得到多種摩擦性能。限位擋塊固定在上連接板上，大變形狀態(tài)下，限位擋塊可推動橡膠支座繼續(xù)變形，增強水平恢復(fù)力。

高模量橡膠體第一形狀系數(shù)較小，其豎向剛度較弱，HPMB的豎向荷載主要由橡膠支座承擔，高模量橡膠體主要提供水平恢復(fù)力，由此實現(xiàn)了豎向性能與水平性能的解耦。

2HPMB的力學(xué)模型

2.1水平變形狀態(tài)分析在壓剪變形狀態(tài)下，HPMB的水平回復(fù)力包括高模量橡膠體的彈性力F1，橡膠支座的彈性力F2，以及滑動面板的摩擦力f，HPMB的水平變形記為δh。

在初始卸載階段，上連接板與滑動面板不發(fā)生滑動，二者協(xié)同變形，直至橡膠支座變形恢復(fù)為0，此時F2=f=0；隨著卸載繼續(xù)進行，橡膠支座在靜摩擦力的作用下發(fā)生變形，此時F2=f靜

HPMB各狀態(tài)的水平變形示意圖如圖4所示。

2.2力學(xué)滯回模型

HPMB的水平滯回性能可視為高模量橡膠體和彈性滑板支座力學(xué)性能的并聯(lián)組合，而彈性滑板支座的力學(xué)性能由橡膠支座的水平性能和滑動面板的摩擦滑動性能決定，由于設(shè)置了限位擋塊，大變形下?lián)鯄K推動橡膠支座的變形，故HPMB的滯回模型呈現(xiàn)出三線性特點，如圖5所示。

2.3豎向性能研究

高模量橡膠體形狀系數(shù)較小，其壓縮剛度較弱，HPMB的豎向剛度可視為滑板支座的豎向剛度，根據(jù)文獻[1]有Kv=Kv，RB=EcbAeTR（10）式中Ecb為橡膠的修正彈性模量，TR為橡膠層總厚，Ae為有效承載面積，表達式如下Ae=1-2πδD1-（δD）2+arcsin（δD）A（11）當δh<δ2時，橡膠支座的變形為δ1，由于屈服位移較小，可認為Ae=A。

2.4回轉(zhuǎn)剛度研究

在Haringx彈性體理論中，考慮彈性體內(nèi)部的壓縮彎曲特性，回轉(zhuǎn)剛度為Krm=ErbIh（13）式中Erb為彈性體壓縮彈性模量相關(guān)參數(shù)，I為截面慣性矩，h為彈性體高度。

與同尺寸LRB支座相比，HPMB具有相當?shù)膲嚎s回轉(zhuǎn)剛度和更高的拉伸回轉(zhuǎn)剛度。

在壓彎狀態(tài)下，支座受壓區(qū)域面積增大，應(yīng)變中和軸的位置向支座的中心移動。

3HPMB的力學(xué)性能試驗研究

3.1試驗?zāi)Ｐ团c參數(shù)為驗證高性能多級性態(tài)支座的力學(xué)性能和滯回模型，進行原型支座試驗研究。試驗加載裝置為一臺電液伺服壓剪試驗機，如圖9所示，豎向加載能力25000 kN，水平加載能力2000 kN。本次試驗采用HPMB500和HPMB700兩套組合支座，試驗支座尺寸和材料參數(shù)如表1所示。

4結(jié)論

本文提出了一種新型高性能多級性態(tài)支座并基于其變形機理構(gòu)建了力學(xué)模型，進一步對其進行靜力試驗研究，主要結(jié)論如下：

（1）提出了新型高性能多級性態(tài)支座。該支座將滑板支座和高模量橡膠體組合使用，采用滑板支座豎向承載，高模量橡膠體提供水平剛度，摩擦滑動滯回耗能。該裝置可實現(xiàn)豎向承載與水平滯回性能解耦。

（2）基于提出的高性能多級性態(tài)支座構(gòu)建了其力學(xué)模型。通過水平向運動分析，得到其各階段運動模式和變形特點，進而提出了高性能多級性態(tài)支座恢復(fù)力模型的理論計算公式。

（3）對高性能多級性態(tài)支座進行靜力試驗研究，試驗結(jié)果表明，高性能多級性態(tài)支座在10～40 MPa的面壓范圍內(nèi)滯回曲線光滑飽滿，豎向剛度大，水平滯回性能穩(wěn)定，HPMB500豎向剛度為3431 kN/mm，水平屈服后剛度為1.345 kN/mm，HPMB700豎向剛度為6844 kN/mm，水平屈服后剛度為1.914 kN/mm。HPMB的水平屈服力隨豎向面壓增大而增大，水平剛度與豎向面壓無明顯相關(guān)性；HPMB的水平變形對水平性能基本無影響。

（4）對所提出高性能多級性態(tài)支座的恢復(fù)力模型與試驗結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明理論模型與試驗結(jié)果吻合較好，豎向剛度及水平剛度理論值與試驗值誤差在10%以內(nèi)，驗證了力學(xué)模型的正確性，可以有效地模擬高性能多級性態(tài)支座的力學(xué)性能。

（5）所提出的高性能多級性態(tài)支座，可實現(xiàn)較小尺寸的橡膠支座具有較大的豎向承載能力，且水平性能穩(wěn)定，滯回耗能能力強，具有多級剛度特性。工程上可用于替代大尺寸鉛芯橡膠支座，可顯著縮短支座的生產(chǎn)周期，對于工程的工期和成本控制具有積極意義；且可減少鉛材料的使用，具有一定的環(huán)保意義。

參考文獻：

[1]日本建筑學(xué)會著.隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 劉文光，譯， 馮德民，校.北京： 地震出版社， 2006.

Architectural Society of Japan.Recommendation for the Design of Base Isolated Buildings[M]. Liu Wen-guang， Translation. Beijing： Seismological Press， 2006.

[2]日本隔震構(gòu)造協(xié)會. 隔震結(jié)構(gòu)入門[M]. 東京： OHM出版社， 1995. （in Japanese）

[3]Braga F， Faggella M， Gigliotti R， et al. Nonlinear dynamic response of HDRB and hybrid HDRB-friction sliders base isolation systems[J]. Bulletin of Earthquake Engineering， 2005， 3（3）：333—353.

[4]Lin P Y， Roschke P N， Loh C H. Hybrid base-isolation with magnetorheological damper and fuzzy control[J]. Structural Control & Health Monitoring， 2007， 14（3）：384—405.

[5]Cancellara D， Angelis F D. A base isolation system for structures subject to extreme seismic events characterized by anomalous values of intensity and frequency content[J]. Composite Structures， 2016， 157：285—302.

[6]Markou A A， Oliveto G， Athanasiou A. Response simulation of hybrid base isolation systems under earthquake excitation[J]. Soil Dynamics & Earthquake Engineering， 2016， 84：120—133.

[7]Donà M， Muhr A H， Tecchio G， et al. Experimental characterization， design and modelling of the RBRL seismic-isolation system for lightweight structures[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics， 2017； 46：831—853.

[8]呂西林， 朱玉華， 施衛(wèi)星，等. 組合基礎(chǔ)隔震房屋模型振動臺試驗研究[J]. 土木工程學(xué)報， 2001，34（2）：43—49.

Lu Xilin， Zhu Yuhua， Shi Weixing， et al. Shaking table test on building models with combined isolation system[J]. China Civil Engineering Journal， 2001，34（2）：43—49.

[9]朱玉華， 呂西林. 組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)地震反應(yīng)分析[J]. 土木工程學(xué)報， 2004， （04）： 76—81.

Zhu Yuhua， Lu Xilin. Analysis of the seismic response of the combined isolating system[J]. China Civil Engineering Journal， 2004， （04）： 76—81.

[10]杜東升， 王曙光， 劉偉慶，等. 高層建筑組合隔震的設(shè)計方法及應(yīng)用[J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2010，40（5）：1039—1046.

Du Dongshen， Wang Shuguang， Liu Weiqin， et al. Design method and its application in hybrid base-isolation of high-rise buildings[J]. Journal of Southeast University， 2010， 40（5）：1039—1046.

[11]范夕森， 蘇小卒， 張鑫，等. 組合隔震系統(tǒng)力學(xué)性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2010，（S2）：50—55.

Fan Xisen， Su xiaozui， Zhang Xin， et al. Experimental research on mechanical behavior of combined seismic isolation system[J]. Journal of Building Structures， 2010，（S2）：50—55.

[12]鄒爽， 五十子幸樹， 井上范夫， 等. 控制隔震層發(fā)生過大位移的連接摩擦阻尼器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J]. 振動工程學(xué)報， 2016，29（2）：201—206.

Zou S， K Ikago， N Inoue， et al. Design optimization of friction damper with coupling mechanism for seismic response of base isolated structure[J]. Journal of Vibration Engineering， 2016，29（2）：201—206.

[13]何文福， 楊巧榮， 劉文光，等. 錐形非固結(jié)隔震結(jié)構(gòu)理論與振動臺試驗研究[J]. 振動工程學(xué)報， 2012， 25（5）：564—570.

He Wenfu， Yang Qiaorong， Liu Wenguang， et al. Theoretical and experimental study on unconsolidated isolation structure[J]. Journal of Vibration Engineering， 2012， 25（5）：564—570.

[14]Uryu Mitsuru，Nishikawa Takao. Study on stiffness， deformation and ultimate characteristics of base isolated rubber bearings： horizontal and vertical characteristics under shear deformation[J]. Journal of Structural and Construction Engineering， 1996，479：119—128.

[15]劉文光. 橡膠隔震支座力學(xué)性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)， 2003.

LIU Wenguang. Mechanics Properties of Rubber Bearings and Earthquake Response Analysis of Isolated Structures[D]. Beijing： Beijing University of Technology， 2003.

[16]Warn G， Whittaker A. A study of the coupled horizontal-vertical behavior of elastomeric and lead-rubber seismic isolation bearings[R]. Earthquake Resistant Design， Report number： MCEER-06-0011， 2006.

[17]Kumar M， Whittaker A， Constantinou M. An advanced numerical model of elastomeric seismic isolation bearings[J]. Earthquake Eng. Struct. Dyn.， 2014，43 （13）：1955—1974.

[18]Kumar M. Seismic isolation of nuclear power plants using elastomeric bearings[D]. New York： The State University of New York，2015.

[19]Vemuru V S M， Nagarajaiah S， Mosqueda G. Coupled horizontal-vertical stability of bearings under dynamic loading[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics， 2016， 45（6）：913—934.

[20]Manish Kumar， Andrew S Whittaker， Michael C Constantinou. Response of base-isolated nuclear structures to extreme earthquake shaking [J].Nuclear Engineering and Design， 2015， 295：860—874.

[21]Buckle I G， Liu H. Stability of elastomeric seismic isolation systems[C]. Proceedings of Seminar on Seismic Isolation， Passive Energy Dissipation and Active Control， ACT-17-1， 1993.

[22]飯冢真巨. 高軸力下橡膠隔震支座的力學(xué)特性研究[C]. 第九屆日本地震工程研討會， 1994：1759—1764. （in Japanese）

[23]朱閏平， 王榮勇， 賀永紅，等. 建筑隔震橡膠支座硫化工藝研究[J]. 橡膠工業(yè)， 2012， 59（9）： 564—567.

Abstract： Mechanic properties of laminated rubber bearings will decrease under large deformation， and bearings need to increase their diameter in order to satisfy the high load requirement in practical engineering. A new kind of high performance multi-level bearing （HPMB） is proposed base on the sliding bearing and rubber materials. New device can obtain high bearing capacity and reliable horizontal energy dissipation properties. The components and mechanical properties of the device are described and theoretical equation of vertical/rotational stiffness is put forward. Static test of devices using RB500 and RB700 is conducted. It can be concluded from the test results that the device has suitable stiffness and hysteretic mechanics can be described by bilinear model. Horizontal behavior is stable under high vertical loads. The theoretical values and test results are similar. Proposed mechanical model can be used to simulate the vertical performance of the new device well.

Key words： seismic isolation；multi-level bearing； laminated rubber bearing；static test