常莉 白羽 李輝躍

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

疊層橡膠鋼板隔震支座作為隔震裝置之一，是目前應(yīng)用較為普遍、性能較成熟的隔震支座，但由于成本及施工的限制，在經(jīng)濟較落后的村鎮(zhèn)地區(qū)尚不能普遍應(yīng)用。 普通疊層橡膠鋼板隔震支座由于其材料含有鋼材，質(zhì)量相對較大，單個支座的質(zhì)量便達到了1 t及以上，施工需要大型起重機等設(shè)備，對施工設(shè)備要求較高，造成施工困難，施工成本也較高。因此研究質(zhì)量輕、造價低的橡膠支座也成為了眾多學(xué)者的研究方向。其中美國學(xué)者KELLY J M等[1]最早研究出了采用質(zhì)量較輕的材料代替隔震橡膠支座中的質(zhì)量較重的鋼板，施工不用借助大型起重機，從而降低支座的造價和重量，為施工提供便利。進而為研究造價低、質(zhì)量輕且易施工的橡膠隔震支座的眾多學(xué)者提供了研究的方向和思路。

經(jīng)過學(xué)者的大量研究表明：工程塑料板重量輕、價格也較低，但是其強度低，不能滿足普通疊層橡膠支座對加勁層的強度要求，但滿足加勁層強度要求的工程塑料板造價又較高[2]。考慮到造價、施工工藝及力學(xué)性能的要求，本文選用以玻璃纖維為增強材料、環(huán)氧樹脂為基體的復(fù)合材料Fr4環(huán)氧板材替代疊層橡膠隔震支座中的鋼板,使支座重量及造價大大降低的同時，其性能也能滿足要求。相應(yīng)其施工則變得便利，對施工設(shè)備要求也不高，從產(chǎn)品造價到施工造價上相比普通疊層橡膠隔震支座都有大幅度的降低，這些優(yōu)勢為橡膠隔震技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑的普遍應(yīng)用提供了有利條件。Fr4環(huán)氧板材市場上比較常見，其來源廣泛、成本較低，在高溫下其阻燃性良好，不會釋放有毒物質(zhì)，且性能穩(wěn)定。

本文對Fr4環(huán)氧樹脂板材橡膠隔震支座分別進行了橫(水平)、縱向(豎向)剛度的力學(xué)試驗，從豎向荷載、剪應(yīng)變、支座的阻尼特性方面，探討其力學(xué)性能是否滿足村鎮(zhèn)建筑隔震支座的要求。

1 Fr4環(huán)氧樹脂板材的性能

橡膠隔震支座要求加勁層力學(xué)性能抗拉、抗彎強度均大于等于170 MPa，本文對Fr4環(huán)氧樹脂板材進行了拉伸、彎曲性能試驗，用于驗證Fr4環(huán)氧樹脂板材的力學(xué)性能是否滿足疊層橡膠隔震支座對加勁層力學(xué)性能的要求。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 Fr4環(huán)氧樹脂板材拉伸、彎曲試驗結(jié)果

由表1表明，F(xiàn)r4環(huán)氧樹脂板材其抗拉、抗彎強度均大于170 MPa，且比要求的抗拉抗彎標準超出了一半及以上，足以證明其遠遠達到了疊層橡膠隔震支座加勁層材料的性能要求，可以取代傳統(tǒng)疊層橡膠隔震支座中的鋼板作為橡膠隔震支座的加勁層材料。

2 Fr4橡膠隔震支座的力學(xué)性能試驗

為了滿足普通疊層橡膠隔震支座的性能要求，F(xiàn)r4橡膠支座必須具備足夠的豎向剛度、力學(xué)性能及隔震性能[3-4]。本文探究了Fr4環(huán)氧樹脂板材的豎向剛度、等效阻尼比、水平剛度的相關(guān)力學(xué)試驗。試驗使用水平荷載為1 500 kN,行程為±250 mm，豎向荷載為15 000 kN，行程為±400 mm的電液伺服壓剪試驗機，數(shù)據(jù)采集時間為0.05 s。試驗方案如表2所示。

表2 力學(xué)試驗方案

2.1 簡易隔震支座

簡易隔震支座為方形支座，邊長240 mm，四周保護層均為10 mm,上下保護層為5 mm，上、下封板12 mm，橡膠層10層，每層5 mm,加勁層9層，每層4 mm，支座的剖面圖如圖1所示。

圖1 支座剖面(單位：mm)

2.2 Fr4支座的豎向剛度試驗

支座的豎向剛度[5]：

(1)

式中，Kv為支座的豎向剛度；P1、P2分別為第3次加載的最小、最大荷載；C1、C2分別為第3次加載的最小、最大位移。

在進行豎向剛度試驗時，豎向荷載取3組，分別為8 MPa、12 MPa、17 MPa，根據(jù)疊層橡膠隔震支座相關(guān)試驗規(guī)范要求，試驗在加載時采用(1±30%)的荷載反復(fù)循環(huán)加載4次。 通過試驗得到的豎向荷載與豎向位移的關(guān)系如圖2所示。根據(jù)式(1)豎向剛度計算公式，分別取荷載為8 MPa、12 MPa、17 MPa下，第3次加載的最大及最小荷載位移計算支座的豎向剛度，得到在3種豎向荷載8 MPa、12 MPa、17 MPa下，F(xiàn)r4橡膠支座的豎向剛度Kv分別為492.61、434.89、349.82 kN/mm，并將計算得到的豎向剛度與豎向荷載的關(guān)系繪制于圖3中。

圖2 Fr4支座豎向荷載與位移關(guān)系

由圖3表明Fr4支座的豎向剛度在不同荷載下，其變化幅度較大。隨著豎向荷載增加，支座的豎向剛度逐漸降低，其降低的最大幅度在荷載處于8 MPa至17 MPa的范圍內(nèi)為19.55%,且隨著豎向荷載的增大，其降低的幅度逐漸變大。圖中第二段的豎向剛度下降幅度比第一段大7.83%。由此可以看出，豎向荷載對豎向剛度影響較大。

圖3 豎向荷載與豎向剛度曲線

2.3 Fr4支座的水平剛度試驗

2.3.1Fr4支座水平剛度與豎向荷載關(guān)系試驗

在對Fr4支座的水平剛度與豎向荷載關(guān)系進行研究時，選用加載頻率為0.05 Hz水平正弦的加載方式，其加載方式與豎向剛度相同，均是采取4次往復(fù)循環(huán)加載的方式，在進行水平剛度的計算時，與豎向剛度計算公式一致，均是取第三次加載試驗的結(jié)構(gòu)用式(1)進行計算。其中，在進行試驗時Fr4支座的剪應(yīng)變?yōu)椤?00%。為了驗證水平剛度和豎向荷載的關(guān)系，試驗選取了8 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa及17 MPa共5組豎向荷載σ0，圖4為不同豎向荷載下支座的水平荷載與水平位移的關(guān)系曲線。經(jīng)過4次反復(fù)加載，取第三次試驗結(jié)果，通過式(1)得到的支座在這5種豎向荷載下的水平剛度分別為0.915、0.904、0.889、0.879、0.865 kN/mm。試驗得到的豎向剛度與水平位移的關(guān)系曲線及線性擬合曲線繪于圖5中。

圖4 不同豎向荷載下水平位移與水平荷載關(guān)系

由圖5可得，水平剛度隨著豎向荷載的增加越來越小。支座的豎向荷載從8 MPa增至17 MPa時，每段水平剛度降低幅度分別為：1.20%、1.66%、1.13%、1.59%，由此可以得到，豎向荷載對水平剛度的影響不大，隨著豎向荷載的增加，水平剛度的下降并不明顯。支座的豎向荷載從8 MPa增至17 MPa時，降幅的最大差值僅有0.53%，因此可近似的認為支座的水平剛度隨著豎向荷載的增大以相同的幅度降低，式(2)為通過擬合后得到的Fr4支座水平剛度與豎向荷載的線性函數(shù)關(guān)系式：

KA= -0.005 4σ0+0.957

(2)

圖5 擬合曲線與試驗剛度降低曲線

由圖5可以看出，豎向荷載為12 MPa時，試驗值與擬合值相差最大，其差值在0.34%左右，由此可以看出，試驗值與擬合理論值相差較小。

2.3.2 水平剛度與水平剪應(yīng)變的關(guān)系

為了驗證支座水平剛度與水平剪應(yīng)變的關(guān)系，剪應(yīng)變γ分別選取100%、150%、200%、和250%等4種情況。豎向荷載為12 MPa時，考慮到橡膠剪切模量過大，其水平剛度也較大，導(dǎo)致支座的水平剛度較大，該面壓下摩擦力不足以固定支座，因此支座在剪應(yīng)變?yōu)?50%時，會發(fā)生滑移，所以豎向荷載為12 MPa時剪應(yīng)變只做到200%。試驗的豎向荷載分別選擇12 MPa、15 MPa以及17 MPa。Fr4支座在相同豎向荷載下，不同剪應(yīng)變的水平剛度如表3所示，每組實驗下支座的水平荷載與位移的關(guān)系如圖6所示。

表3 相同面壓下剪應(yīng)變與水平剛度關(guān)系 kN/mm

試驗結(jié)果表明，當(dāng)豎向荷載為一定值時，水平剛度隨著剪應(yīng)變的增大大致呈逐漸降低的趨勢，但當(dāng)豎向荷載為17 MPa，剪應(yīng)變較大時，其水平剛度有小幅增加。在3種豎向荷載下剪應(yīng)變增加至150%之后，F(xiàn)r4支座的水平剛度降幅逐漸減小，當(dāng)剪應(yīng)變相同時，隨著豎向荷載的增大，支座的水平剛度的降幅相對較低。圖7為水平剛度與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線。

(a)12 MPa (b)15 MPa (c)17 MPa

圖7 水平剛度與剪應(yīng)變的關(guān)系

2.3.3Fr4支座的等效阻尼比

為了研究等效阻尼比與豎向荷載的關(guān)系，在進行試驗時，其剪應(yīng)變?nèi)∫欢ㄖ怠?00%，豎向荷載分別取5組荷載工況，5組荷載工況分別為8、10、12、15、17 MPa。5組不同豎向荷載工況下的等效阻尼比數(shù)值如表4所示。

表4 剪應(yīng)變γ=±100%下不同豎向荷載的等效阻尼比

試驗結(jié)果表明，在±100%剪應(yīng)變時，F(xiàn)r4橡膠隔震支座等效阻尼比均達到5%，隨著豎向荷載的增加，支座的等效阻尼比增加，且豎向荷載越大，增幅越明顯。

為了研究Fr4支座等效阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系，對3組豎向荷載12、15、17 MPa下的等效阻尼比進行了探討。表5—表7表示3種豎向荷載下不同剪應(yīng)變對應(yīng)的等效阻尼比數(shù)值。

試驗結(jié)果表明，在12 MPa和15 MPa時，等效阻尼比隨著剪應(yīng)變的增加而增加，且剪應(yīng)變越大時，增幅越明顯，在 17 MPa荷載情況下，阻尼比因剪應(yīng)變產(chǎn)生的變化并不明顯。而在大剪應(yīng)變情況下時，F(xiàn)r4支座的等效阻尼比更高。通過試驗可以看出，F(xiàn)r4支座具有一定的耗能能力，且滯回環(huán)比較飽滿，耗能能力較強。

表5 12 MPa荷載不同剪應(yīng)變下的等效阻尼比

表6 15 MPa荷載不同剪應(yīng)變下的等效阻尼比

表7 17 MPa荷載不同剪應(yīng)變下的等效阻尼比

3 結(jié)論

(1)本文以Fr4環(huán)氧樹脂板材作為橡膠支座的加勁層材料，其力學(xué)性能滿足抗拉、抗彎強度均大于等于170 MPa的要求，且耗能降低明顯、造價低廉，可以取代傳統(tǒng)疊層橡膠隔震支座中重量大、造價高的鋼板作為橡膠隔震支座的加勁層材料，從而達到減輕其造價及重量的需求，應(yīng)用于經(jīng)濟落后的村鎮(zhèn)建筑。

(2)隨著豎向荷載的增大，支座的豎向剛度出現(xiàn)了較為明顯的降低，而水平剛度隨豎向荷載變化

的趨勢是伴隨著荷載的增加再緩慢地降低。支座水平剛度的降幅在前期較大，達到150%的剪應(yīng)變后，降低幅度再逐漸變小，且豎向荷載對豎向剛度影響較大，對水平剛度影響較小。

(3)Fr4橡膠隔震支座滯回環(huán)面積隨著剪應(yīng)變的增加而增加，等效阻尼比隨著豎向荷載的增大而增大，且均大于5%，其隔震性能明顯。