李詩瑤，陸 浩，趙慶兵，趙晨旭，周家孝，吳建偉，王賢彬，朱恩來

（震安科技股份有限公司，云南 昆明 650041）

隔震技術(shù)自問世以來，被廣泛推廣和應(yīng)用于低層建筑，經(jīng)過地震檢驗證明其隔震效果良好[1-5]。隨著社會的發(fā)展及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，目前在城市建設(shè)中，高層建筑占比越來越大[6]，國家標(biāo)準(zhǔn)[7]明確規(guī)定，隔震橡膠支座在罕遇地震下，豎向拉應(yīng)力不能大于1 MPa，而高層建筑由于地震產(chǎn)生的傾覆力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限制，這很大程度上限制了隔震技術(shù)在高層建筑上的應(yīng)用。為此，國內(nèi)外大量的研究人員通過試驗對隔震橡膠支座的拉伸性能進(jìn)行了研究。

T.MANO等[8]對直徑450 mm的模型隔震橡膠支座進(jìn)行了拉伸試驗，結(jié)果表明，支座拉伸后力學(xué)性能變化不超過10%，且支座第二形狀因數(shù)（S2）相同時，單層橡膠越薄，支座屈服拉應(yīng)力越大。劉文光[9]對LNR300隔震橡膠支座進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，支座單軸拉伸屈服拉應(yīng)力為1.6 MPa左右，在拉剪工況下，隨著剪應(yīng)變的增大，橡膠發(fā)生硬化，支座拉伸剛度先減小后增大，在剪應(yīng)變100%時達(dá)到最小。劉亞東等[10]對LNR300隔震橡膠支座進(jìn)行了拉伸試驗，研究表明，隨著剪應(yīng)變的增大，支座屈服拉應(yīng)力逐漸減小。許強[11]也采用LNR300隔震橡膠支座進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明，拉剪對支座常規(guī)力學(xué)性能影響不大，剪應(yīng)變增大后，支座拉伸剛度減小。金建敏等[12]對D600-G4橡膠支座進(jìn)行了拉伸性能試驗，剪應(yīng)變?yōu)榱銜r，支座屈服拉伸強度達(dá)1.2 MPa，剪應(yīng)變?yōu)?00%時，支座屈服拉伸強度減小至1.04 MPa，支座屈服拉伸強度隨剪應(yīng)變的增大而減小。韓強等[13]對設(shè)計剪切模量為0.4 MPa的D300橡膠隔震支座進(jìn)行了拉伸性能試驗，在剪應(yīng)變?yōu)榱銜r，支座屈服拉伸強度達(dá)1.6 MPa左右，隨著剪應(yīng)變增大到100%和250%，由于橡膠硬化，支座拉伸剛度略有增大。陳鵬等[14]采用D600普通隔震橡膠支座和帶有抗拉裝置的隔震橡膠支座進(jìn)行了拉伸試驗以及拉剪、純剪、壓剪工況下的滯回曲線對比，結(jié)果表明，普通支座在拉應(yīng)力為0.5 MPa時即進(jìn)入屈服狀態(tài)，帶抗拉裝置的支座拉應(yīng)力隨拉應(yīng)變的增大呈線性增長，在純剪和壓剪狀態(tài)下，支座一次循環(huán)的滯回面積相差不大，但在拉剪狀態(tài)下，滯回環(huán)向內(nèi)收縮，耗能水平下降，而帶有抗拉裝置的支座未表現(xiàn)出滯回環(huán)內(nèi)縮現(xiàn)象。

從目前所知的研究結(jié)果來看，隔震橡膠支座的屈服拉伸強度普遍在1～2 MPa之間，相較于規(guī)范要求其安全因數(shù)較小，無法運用于高寬比大的建筑。本工作基于目前研究現(xiàn)狀，考慮到隔震橡膠支座生產(chǎn)工藝和質(zhì)量的提升，對公司現(xiàn)有產(chǎn)品的拉伸性能進(jìn)行試驗研究，以期為后續(xù)研究提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及試件

1.1 試驗設(shè)備

伺服壓剪試驗機（見圖1），濟南三越測試儀器有限公司產(chǎn)品，最大豎向壓縮荷載 35 000 kN，最大拉伸載荷 3 500 kN，最大水平荷載 8 000 kN，最大豎向行程 1 200 mm，最大水平行程±1 000 mm。

1.2 試件

隔震橡膠支座（以下簡稱支座）試件參數(shù)如表1所示。

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of test pieces

2 試驗內(nèi)容及加載方法

2.1 試驗內(nèi)容

試驗一：選用1#，2#，3#支座進(jìn)行拉伸性能及拉伸后常規(guī)力學(xué)性能研究。

試驗二：選用4#支座進(jìn)行拉伸后的極限性能研究。

2.2 加載方法

試驗一：支座在壓應(yīng)力12 MPa、頻率0.03 Hz下進(jìn)行豎向壓縮和水平剪切，剪應(yīng)變?yōu)?00%，之后對支座進(jìn)行單軸拉伸，拉伸速度為1 mm·s-1，每次單軸拉伸后進(jìn)行豎向壓縮和水平剪切，再進(jìn)行單軸拉伸。1#支座拉應(yīng)變?yōu)?%，10%，15%，破壞；2#支座拉應(yīng)變?yōu)?%，5%，10%，15%，30%，60%，100%，150%，200%，250%，300%，350%，破壞；3#支座拉應(yīng)變?yōu)?%，5%，10%，50%，100%，200%，250%，300%，破壞。

試驗二：支座在壓應(yīng)力12 MPa、頻率0.03 Hz以及剪應(yīng)變0%，50%，100%，200%，300%下依次進(jìn)行水平力學(xué)性能檢測，每次剪切前后測試支座豎向壓縮剛度，然后分別將支座進(jìn)行拉應(yīng)變?yōu)?5%，100%，250%的單軸拉伸試驗，每次拉伸后進(jìn)行水平及豎向力學(xué)性能檢測，對比力學(xué)性能變化情況，試驗結(jié)束后進(jìn)行豎向極限壓縮和0.55D（支座直徑的0.55）剪應(yīng)變下的極限壓應(yīng)力試驗，然后對支座進(jìn)行水平極限剪切試驗，試驗工況如表2所示。

表2 試驗二試驗工況Tab.2 Test conditions of test Ⅱ

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗一

根據(jù)試驗工況，得到的1#，2#和3#支座的拉力-拉伸位移曲線如圖2—4所示，拉伸性能如表3所示。

從圖2—4和表3可以看出，支座的屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨橡膠剪切模量的增大而增大，相同橡膠剪切模量的鉛芯支座（3#支座）與天然橡膠支座（2#支座）屈服拉應(yīng)力沒有明顯的差別，支座極限拉應(yīng)力約為屈服拉應(yīng)力（第1次拉伸）的2倍左右，極限拉應(yīng)變在350%左右。支座經(jīng)過反復(fù)拉伸，特別是拉伸屈服后，屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度明顯減小，這是因為支座拉伸屈服后橡膠內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，產(chǎn)生了孔洞[15]。

表3 1#—3#支座的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of 1#—3# bearings

對2#和3#支座屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨拉應(yīng)變的變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5和6所示（為了更直觀地看到變化情況，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理，下同）。

從圖5和6可以看出，支座屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨拉應(yīng)變和拉伸次數(shù)的增大逐漸減小，在拉應(yīng)變50%前減小較快，之后減幅趨于穩(wěn)定。在拉應(yīng)變300%時，支座屈服拉應(yīng)力下降60%左右，拉伸剛度減小80%左右，這是因為橡膠在拉伸過程中內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，橡膠本體發(fā)生了一定程度的破壞，導(dǎo)致拉伸性能衰減。

2#和3#支座豎向壓縮剛度和等效水平剛度隨拉應(yīng)變的變化情況分別如圖7和8所示，3#支座其余常規(guī)力學(xué)性能隨拉應(yīng)變的變化情況如圖9所示。

從圖7—9可以看出，支座在經(jīng)歷較大的拉伸變形后，力學(xué)性能變化不大，豎向壓縮剛度、等效水平剛度和屈服后剛度整體隨拉應(yīng)變的增大而減小，變化率基本在10%以內(nèi)，3#支座（鉛芯支座）屈服力和等效阻尼比隨拉應(yīng)變的增大而增大，變化率也在10%以內(nèi)，說明拉伸過程中橡膠的損壞對支座常規(guī)力學(xué)性能的影響不大，支座隔震效果保持完好。

3.2 試驗二

根據(jù)試驗工況，得到4#支座拉伸前后力學(xué)性能變化情況如表4、圖10和11所示。

表4 4#支座拉伸前后力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties before and after tension of 4# bearing

從圖10和11可以看出，隨著剪應(yīng)變的增大，拉伸前支座豎向壓縮剛度明顯減小，在剪應(yīng)變?yōu)?00%時，下降幅度達(dá)到22%，在經(jīng)歷了拉伸后，支座豎向壓縮剛度隨剪應(yīng)變的增大僅小幅減小，減幅約5%。

支座等效水平剛度隨著剪應(yīng)變的增大呈先減小后增大的趨勢，在剪應(yīng)變?yōu)?00%時達(dá)到最小，后由于橡膠硬化，等效水平剛度增大，在經(jīng)歷了300%水平剪切和拉伸后，支座等效水平剛度整體減小10%～25%。之前的試驗證明，相同剪應(yīng)變下，拉應(yīng)變從15%增大至250%，支座等效水平剛度基本無差異，即拉伸對支座等效水平剛度的影響較小，因此，支座等效水平剛度減小主要是受較大的剪切變形影響（導(dǎo)致了橡膠的損傷）。

支座在經(jīng)歷了50%～300%剪應(yīng)變，15%，100%，250%拉應(yīng)變等一系列試驗后，進(jìn)行了豎向極限壓應(yīng)力和0.55D剪應(yīng)變時的極限壓應(yīng)力試驗，結(jié)果如圖12和13所示。

從圖12和13可以看出，支座豎向極限壓應(yīng)力達(dá)到92 MPa，0.55D極限壓應(yīng)力達(dá)到30.9 MPa，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且試驗過程中，僅豎向壓應(yīng)力作用下支座出現(xiàn)了較大的側(cè)向不均勻變形，試驗完成后支座完好無損，試驗曲線光滑無異常。

上述試驗完成后，對支座進(jìn)行400%水平剪應(yīng)變下3圈循環(huán)試驗，結(jié)果如圖14所示。

從圖14可以看出，支座在經(jīng)歷拉伸、水平剪切、極限受壓等一系列試驗后，水平剪切變形依舊達(dá)到400%，且試驗后支座外觀無異常，試驗曲線光滑無異常。

4 結(jié)論

（1）支座屈服拉應(yīng)變在8%左右，屈服拉應(yīng)力和拉伸剛度隨著橡膠剪切模量的增大而增大，屈服拉應(yīng)力普遍在2.2～2.7 MPa之間。

（2）支座極限拉應(yīng)變在350%左右，受支座內(nèi)部橡膠物理性能、硫化情況、粘接情況以及環(huán)境溫度等因素綜合影響，支座屈服拉應(yīng)力（第1次拉伸）與極限拉應(yīng)力之比約為1∶2。

（3）支座拉伸后，豎向壓縮剛度和等效水平剛度稍有減小，但變化不大，鉛芯支座屈服力和等效阻尼比略微增大，變化率均在10%以內(nèi)。

（4）支座拉伸后，水平及豎向力學(xué)性能變化不大，導(dǎo)致支座力學(xué)性能明顯下降的因素是大變形剪切，且支座拉伸后，力學(xué)性能變化趨勢與拉伸前基本一致。

（5）支座拉伸后，豎向極限承載能力和水平極限變形能力保持完好，即支座經(jīng)拉伸后仍具有較好的功能性和安全性。