李林珊，白羽，周立超，賴正聰，張?zhí)飸c

剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座性能研究

李林珊1，白羽1，周立超1，賴正聰1，張?zhí)飸c2

(1. 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 中國建筑第二工程局有限公司，云南 昆明 650501)

為研發(fā)一種自復(fù)位功能的剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座，對(duì)支座剛性承壓滑移元件摩擦特性、免承壓復(fù)位橡膠塊剪切特性和整體支座的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并采用ABAQUS有限元模型分析了整體支座的力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：剛性承壓滑移元件動(dòng)摩擦系數(shù)在0.020～0.027之間、免承壓復(fù)位橡膠元件的水平等效剛度為129.33 kN/m；剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座的塑性變形能力較強(qiáng)，具有很好的耗能性，該支座在小剪切位移下，會(huì)是一種穩(wěn)定性良好的隔震支座。

復(fù)位橡膠；摩擦系數(shù)；恢復(fù)力模型

隔震指在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間，通過增設(shè)隔震裝置，形成“柔軟”隔震層，對(duì)地震能量進(jìn)行有效隔離和耗散，可降低結(jié)構(gòu)地震作用，提升其抗震性能的一種方法。常用的隔震裝置有鋼板疊層橡膠支座、摩擦滑移隔震支座、滾動(dòng)(軸)隔震支座等。其中，鋼板疊層橡膠支座是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種支座，分為有鉛芯和無鉛芯2種，摩擦滑移隔震支座主要有彈性滑板支座(elastic slide beaming, 簡稱為ESB)和滑移摩擦擺(friction pendulum sliding,簡稱為FPS)，這2種摩擦型支座均具有較小的水平剛度和顯著的摩擦耗能特性，受到廣泛推廣應(yīng)用。由于ESB不具備自復(fù)位能力，常采取橡膠支座與ESB聯(lián)合布置的方式。強(qiáng)震作用下，疊層橡膠支座需同時(shí)承受上部結(jié)構(gòu)豎向壓力和較大水平剪力，產(chǎn)生較大的剪切變形。當(dāng)剪切變形過大時(shí)，在豎向壓力作用下橡膠支座可能發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致隔震層失效，甚至上部結(jié)構(gòu)傾覆倒塌。FPS因獨(dú)特的曲面凹盆構(gòu)造，結(jié)構(gòu)在震后因自重作用滑移復(fù)位至初始最低點(diǎn)(曲盆中心)。當(dāng)不規(guī)則隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移時(shí)，由于外邊緣FPS滑塊運(yùn)動(dòng)至曲盆高處，可能導(dǎo)致隔震層中間部位的FPS產(chǎn)生提離現(xiàn)象[1]。

根據(jù)Haringx[2?3]提出的關(guān)于橡膠彈性體壓縮剪切計(jì)算理論，作者擬研發(fā)一種具有自復(fù)位功能的剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座，并對(duì)支座剛性承壓滑移元件摩擦特性、免承壓復(fù)位橡膠塊剪切特性和整體支座的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并采用ABAQUS有限元模型分析了整體支座的力學(xué)特性。

1 剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座構(gòu)造

剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座主要由剛性承壓滑移元件和免承壓復(fù)位橡膠塊并聯(lián)組合而成。在鋼板底面中心位置設(shè)有嵌槽，安裝改性聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene, 簡稱為PTFE)板。PTFE板上為鋼柱，鋼柱是支座的支承構(gòu)件，承受上部結(jié)構(gòu)的全部荷載，PTFE板相接觸的支座下方鋼板為不銹鋼板，接觸面進(jìn)行了特殊拋光處理，以降低其粗糙度。天然橡膠塊與上、下鋼板間加入硫化鋼板，采用硫化工藝將二者粘接為一體。然后使用36套8.8S級(jí)M80高強(qiáng)螺栓把剛性承壓滑移元件與復(fù)位橡膠塊加強(qiáng)連接，如圖1所示。橡膠和鋼板在硫化成型之前進(jìn)行了表面防腐耐磨處理，以提高其耐久性[4]。每組試件由2塊鋼板、1塊鋼柱、36塊8.8S級(jí)M80螺栓、復(fù)位橡膠、硫化鏈接鋼板組成，如圖2所示。

免承壓復(fù)位橡膠塊在支座中，僅提供水平恢復(fù)力，不承受豎向壓力。試驗(yàn)過程中，采用2塊橡膠做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性較小，所以選擇4塊方形橡膠，尺寸為95 mm×95 mm×100 mm。

圖1 4塊復(fù)位橡膠支座(單位：mm)

圖2 支座組成(單位：mm)

2 恢復(fù)力模型

2.1 剛性承壓滑移元件恢復(fù)力模型

剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座中的剛性承壓滑移元件嵌固改性PTFE板，與拋光鏡面不銹鋼板相接觸，滑動(dòng)時(shí)通過庫倫摩擦力消耗能量。剛性承壓滑移元件本身不具有復(fù)位能力，運(yùn)動(dòng)也無明確周期，可采用理想剛塑性模型表示其恢復(fù)力特性，剛性承壓滑移元件理論恢復(fù)力模型如圖3所示?；逄幱陟o止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其水平剛度近似為無限大；滑板處于滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其水平剛度近似為0?；瑒?dòng)面上的水平摩擦力計(jì)算式為：

圖3 剛性承壓滑移元件的恢復(fù)力模型

在試驗(yàn)過程中，施加豎向荷載，測(cè)得最大、最小摩擦力，代入式(3)，計(jì)算得出剛性滑塊元件的動(dòng)摩擦系數(shù)：

2.2 免承壓復(fù)位橡膠塊恢復(fù)力模型

剛性滑板?位橡膠隔震支座的免承壓復(fù)位橡膠塊內(nèi)部為純橡膠材料，其水平剛度隨著水平剪力的增加而增加，可使用線彈性模型表示其恢復(fù)力特性，如圖4所示。在設(shè)計(jì)變形范圍內(nèi)，其水平剛度基本為常數(shù)。其水平恢復(fù)力為：

式中：h為復(fù)位橡膠元件的彈性剛度；為支座的水平位移。

通過試驗(yàn)，測(cè)得最大、最小的水平剪力及二者對(duì)應(yīng)的水平位移，然后代入式(5)計(jì)算復(fù)位橡膠元件的水平等效剛度：

式中：Kh為水平等效剛度；、分別為最大、最小水平剪力；X1、X2分別為最大、最小水平位移。

2.3 剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座恢復(fù)力模型

剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座剛性承壓滑移元件與免承壓復(fù)位橡膠塊整體的恢復(fù)力疊加后，將圖形簡化，可得出整體支座的恢復(fù)力模型如圖5所示。

圖5 整體支座的恢復(fù)力模型

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)加載設(shè)備

本次試驗(yàn)使用伺服直線作動(dòng)器作為加載設(shè)備，最大輸出荷載為250 kN，還包括油壓千斤頂、力傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)等其他設(shè)備。伺服直線作動(dòng)器的一端固定于反力墻上，另一端與試件通過焊接連接，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

1—反力墻； 2—伺服作動(dòng)器；3—反力架；4—反力梁；5—油壓千斤頂；6—力傳感器；7—試驗(yàn)支座； 8—支墩

3.2 試驗(yàn)方案

采用雙剪法對(duì)試件進(jìn)行壓剪試驗(yàn)。每組試驗(yàn)工況設(shè)定的3次水平位移分別為10,20,30 mm。試驗(yàn)時(shí)，將試件固定安置在支墩上。使用油壓千斤頂對(duì)其進(jìn)行豎向加載，并通過試件上方的力傳感器設(shè)定豎向荷載。通過計(jì)算機(jī)控制的水平伺服直線作動(dòng)器對(duì)試件進(jìn)行水平加載。通過試驗(yàn)設(shè)備配套的信號(hào)采集系統(tǒng)，記錄試件的水平位移、荷載時(shí)程數(shù)據(jù)。每個(gè)工況采用正弦簡諧波水平往復(fù)加載3次循環(huán)，加載頻率為0.05 Hz。使用第3次循環(huán)的測(cè)試值作為測(cè)定值，計(jì)算試件的性能參數(shù)。試驗(yàn)共進(jìn)行13個(gè)工況，見表1。

表1 試驗(yàn)工況表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 剛性承壓滑移元件

剛性滑塊元件在不同豎向荷載作用下，得到的滯回曲線如圖7、8所示。

提取第3圈循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過式(3)計(jì)算得到各工況下剛性滑塊元件的動(dòng)摩擦系數(shù)。剛性滑塊元件在不同豎向荷載和滑動(dòng)位移下，得到動(dòng)摩擦系數(shù)不完全相等。A類剛性滑塊元件的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.022～0.027，平均值為0.025；B類剛性滑塊元件動(dòng)摩擦系數(shù)為0.020～0.025，平均值為0.022，并且動(dòng)摩擦系數(shù)隨著豎向荷載的增大而減小。

3.3.2 復(fù)位橡膠元件

支座裝配4組復(fù)位橡膠塊進(jìn)行有效滑移，在0 MPa豎向壓力作用下，其復(fù)位橡膠體支座的滯回曲線如圖9所示。

圖9 橡膠支座0 MPa下的滯回曲線

通過式(5)計(jì)算復(fù)位橡膠元件的水平等效剛度，得到位移10 mm的水平剛度為139.89 kN/m，位移20 mm的水平剛度為118.77 kN/m，兩者的平均值為129.33 kN/m。支座水平等效剛度是衡量鉛芯疊層橡膠隔震支座力學(xué)性能的重要參數(shù)。一定范圍內(nèi)，支座的水平等效剛度越大，相同的地震作用下支座上、下板產(chǎn)生的相對(duì)位移值越小，支座的水平變形較小且更容易自動(dòng)復(fù)位[9]。

從圖9中可以看出，復(fù)位橡膠體在無豎向荷載作用下，滯回曲線與理論恢復(fù)力模型基本吻合，水平位移為±10 mm、±20 mm時(shí)，耗能穩(wěn)定且重合度高，耗能衰減量非常小。

3.3.3 整體支座

6種工況下，試件支座裝配4塊橡膠塊剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座進(jìn)行有效滑移時(shí)其支座的滯回曲線如圖10、11所示。

圖10 A類支座滯回曲線

從圖10、11可以看出，在A類和B類中，10 MPa初始豎向壓力作用下的滯回曲線相對(duì)15 MPa、20 MPa作用下的較不穩(wěn)定；滯回曲線隨著豎向壓力增大，重疊率逐漸增加；支座滯回曲線接近平行四邊形。表明：支座塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能能力，在規(guī)定的荷載和水平剪切位移下，其耗能相對(duì)穩(wěn)定。

該支座將2種不同的隔震支座采用并聯(lián)的方式組成隔震系統(tǒng)。復(fù)合隔震體系能充分運(yùn)用不同隔震技術(shù)的特性，兼具多種隔震技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其隔震效果優(yōu)于單一隔震裝置。不僅具有良好的豎向承載力、水平恢復(fù)力，而且從支座滯回曲線可以看出接近理論恢復(fù)力模型，整體支座的塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能性。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 分析模型建立

模擬橡膠的超彈性本構(gòu)模型有 Ogden模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、ReducePolynomial模型及Mooney-Rivlin模型等[10]。本研究使用ABAQUS有限元軟件對(duì)剛性滑板-復(fù)位橡膠隔震支座進(jìn)行建模分析，模型中復(fù)合橡膠材料采用Mooney-Rivlin模型定義其本構(gòu)關(guān)系，定義不可壓縮常數(shù)1=0；Q235上、下鋼板及中間摩擦板均定義為彈性材料，其材料參數(shù)設(shè)置為楊氏模量= 206 000 MPa，泊松比=0.3；中間PTFE也定義為彈性材料，其材料參數(shù)設(shè)置為楊氏模量=280 000 MPa，泊松比=0.5。網(wǎng)格的劃分在有限元分析中比較重要，單元類型、網(wǎng)格劃分技術(shù)及劃分網(wǎng)格數(shù)目和質(zhì)量都會(huì)對(duì)模擬計(jì)算精度產(chǎn)生影響[11]。本模型中，上、下鋼板和鋼柱采用C3D8R，聚四氟乙烯板單元類型采用C3D8，橡膠單元類型采用C3D8RH，如圖12所示。

圖11 B類支座滯回曲線

圖12 支座網(wǎng)格劃分有限元模型

模型邊界條件設(shè)置為下鋼板平面完全固定，上鋼板設(shè)置為Z方向完全固定，X?Y平面可以自由運(yùn)動(dòng)，X?Y?Z坐標(biāo)如圖12所示。上鋼板提供豎向壓力，螺栓采用豎向壓力加載方式，鋼板采用位移加載方式，方向?yàn)閄向，幅值為±20 mm，加載一個(gè)循環(huán)。模型加載如圖13所示。

4.2 整體支座試驗(yàn)結(jié)果與模擬值對(duì)比分析

利用該耗能隔震支座的恢復(fù)力與位移建立恢復(fù)力模型。在豎向荷載分別為15 MPa、20 MPa，水平位移±20 mm下的耗能曲線如圖14所示。

支座的試驗(yàn)滯回曲線與1～4圈耗能滯回曲線平均剛度模擬值進(jìn)行對(duì)比，表明：試驗(yàn)結(jié)果與模擬值兩者相差不大，滯回曲線接近平行四邊形。整個(gè)支座的塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能性。剛性滑板?免承壓復(fù)位橡膠隔震支座在小剪切位移下，是一種穩(wěn)定性較好的隔震支座。

圖14 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

對(duì)支座剛性承壓滑移元件的摩擦特性、免承壓復(fù)位橡膠塊剪切特性和整體支座的基本力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用ABAQUS建立了有限元模型，并對(duì)整體支座進(jìn)行模擬分析。得出結(jié)論為：

1)剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座中的剛性承壓滑移元件、復(fù)位橡膠元件以及整體支座的水平荷載?位移(變形)滯回曲線與理論恢復(fù)力模型吻合。

2)剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座在設(shè)計(jì)極限豎向荷載作用下，沒有發(fā)生明顯變形。表明：剛性承壓滑移元件豎向剛度較大，具有良好豎向承載力。

3) ABAQUS模擬與實(shí)驗(yàn)吻合良好，剛性滑板?復(fù)位橡膠隔震支座在小剪切位移下，是一種穩(wěn)定性較好的隔震支座。

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Study on performance of rigid sliding plate-reset rubber isolation bearing

LI Lin-shan1, BAI Yu1, ZHOU Li-chao1, LAI Zheng-cong1, ZHANG Tian-qing2

(1. School of Architectural Engineering. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. China Construction Second Engineering Bureau Co., Ltd., Kunming 650501, China)

In order to develop a rigid sliding plate-reset rubber isolation bearing, the friction characteristics of the rigid bearing sliding element, the shear characteristic of the pressure-free reset rubber block and the mechanical properties of the whole bearing were studied. The mechanical properties of the whole bearing were also analyzed using the ABAQUS finite element model. The results show that, the dynamic friction coefficient of the rigid pressure-bearing sliding element is changing from 0.020 to 0.027, and the horizontal equivalent stiffness of the pressure-free reset rubber element is 129.33 kN/m. The rigid sliding plate-reset rubber bearing has strong plastic deformation ability and satisfactory energy dissipation ability. Which is considered as a kind of perfect stability isolation bearing under small shear displacement.

reset rubber; coefficient of friction; force restoring model

TU352

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0061 ? 07

2020?10?16

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2020J0061)

李林珊(1994?)，女，昆明理工大學(xué)碩士生。