基礎(chǔ)隔震模型中鉛芯橡膠支座性能試驗(yàn)研究

一、合成隔震建筑合成支架性能試驗(yàn)防雨窗由橡膠及其組合材料組成。這些材料的特性隨著時(shí)間、溫度、加載時(shí)間、適應(yīng)性速度和速度等因素的變化而顯著變化。迄今為止隔震房屋的設(shè)計(jì)者對(duì)材料特性的變化及其對(duì)隔震系統(tǒng)性能的影響重視不夠。由于隔震房屋的震害經(jīng)驗(yàn)較少,有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程還不夠成熟,因此試驗(yàn)便成為保證隔震房屋設(shè)計(jì)安全可靠的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。美國(guó)AASHTO和歐洲UBC規(guī)范要求隔震房屋中所使用的支座必須全部進(jìn)行原型性能試驗(yàn),并利用支座試驗(yàn)結(jié)果對(duì)隔震房屋系統(tǒng)進(jìn)行分析,包括計(jì)算隔震房屋的上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)、基底剪力及支座位移等。日本規(guī)范也規(guī)定所有的隔震元件安裝前必須進(jìn)行性能試驗(yàn)。中國(guó)抗震規(guī)范對(duì)隔震房屋中支座性能試驗(yàn)也做了相應(yīng)規(guī)定。目前國(guó)內(nèi)外隔震支座性能試驗(yàn)一般都是對(duì)單個(gè)支座進(jìn)行且輸入的是正弦波,而實(shí)際隔震房屋受到的是地面運(yùn)動(dòng),文中通過對(duì)單個(gè)支座在正弦波輸入時(shí)和振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)輸入地震動(dòng)時(shí)支座的性能比較,分析了兩種情況下支座性能可能存在的差異和其對(duì)隔震房屋計(jì)算分析產(chǎn)生的影響。另外,地震是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng),房屋服役期內(nèi)可能遭受不同頻譜、不同烈度地震動(dòng)的襲擊,經(jīng)歷若干次地震后隔震支座的性能是否具有顯著變化對(duì)隔震房屋的應(yīng)用也具有重要意義。二、振動(dòng)儲(chǔ)備庫的試驗(yàn)1.鉛芯橡膠克氏針裝固結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用的鉛芯橡膠支座外徑為100mm,鉛芯直徑18mm,橡膠1.2×16層,橡膠剪切模量G=0.6MPa,鉛芯橡膠支座幾何尺寸如表1所示,上、下連接鋼板厚度為20mm,設(shè)計(jì)面壓為7.9MPa,第一形狀系數(shù)S1為15.6,第二形狀系數(shù)S2為3.91,支座總高度為74.2mm,支座詳圖見圖1。2.振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前后,分別采用1000kN的兩軸試驗(yàn)機(jī)(見表2)對(duì)模型中采用的橡膠支座進(jìn)行性能試驗(yàn),試驗(yàn)是在日本藤田公司完成的,兩軸試驗(yàn)機(jī)加載情況如下,豎向最大加載力為1000kN,水平最大加振力為100kN,水平最大加振振幅為300mm,水平最大加振速度為120mm/s。試驗(yàn)中支座面壓為7.9MPa,剪切變形分別為50%,100%,振動(dòng)頻率為0.1Hz,輸入四個(gè)正弦波。水平剛度由零點(diǎn)處曲線切線斜率確定,屈服荷載由位移為零處曲線與坐標(biāo)軸交點(diǎn)的平均值確定。設(shè)計(jì)的橡膠支座是圓形的,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前支座兩方向性能相同,所以試驗(yàn)前僅測(cè)定了一個(gè)方向的性能,共進(jìn)行了8個(gè)橡膠支座的性能試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)輸入了不同方向、不同頻譜、不同幅值的地震波,進(jìn)行了40個(gè)工況的試驗(yàn),模型x,y向輸入地震波不同,性能變化可能不同,故振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)后分別對(duì)支座x,y向的性能進(jìn)行測(cè)試。詳細(xì)試驗(yàn)情況參見文。3.正弦波和地震波對(duì)合成起落架性能的單一性,單模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。模型試驗(yàn)選用了ElCentro,Hachinohe,Taft,Kobe四種地震波作為模型地震動(dòng)輸入,共進(jìn)行了40個(gè)工況試驗(yàn)。這里僅對(duì)正弦波輸入時(shí)單個(gè)支座性能與地震波輸入時(shí)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中支座的性能進(jìn)行比較,另外,不同地震波輸入時(shí)對(duì)支座性能也有影響,這方面的研究目前正在進(jìn)行中。進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)支座與單個(gè)支座性能試驗(yàn)對(duì)比研究采用的是Hachinohe地震動(dòng)三向輸入,輸入加速度幅值分別為0.32g和0.49g,相應(yīng)支座剪切應(yīng)變分別為50%,100%;進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)不同階段對(duì)比輸入ElCentro地震波,輸入x向加速度幅值為0.26g,相應(yīng)支座剪切應(yīng)變?yōu)?0%。三、試驗(yàn)結(jié)果的分析與比較1.橡膠合成事件積分試驗(yàn)前后支護(hù)性能變化振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前進(jìn)行了8個(gè)支座的性能試驗(yàn),分析發(fā)現(xiàn)各支座性能幾乎一致;試驗(yàn)后對(duì)模型中采用的四個(gè)支座進(jìn)行了試驗(yàn),各支座性能變化很小。圖2,3分別列出一組振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前后橡膠支座水平力-位移滯回曲線。從圖可見,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前后支座滯回曲線形狀相近,但試驗(yàn)后滯回曲線相對(duì)規(guī)則,滯回環(huán)面積稍有減小。這主要是由于經(jīng)歷大量工況振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)后,橡膠支座產(chǎn)生了一定的殘余變形,滯回特性趨于穩(wěn)定。表2為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前后橡膠支座水平剛度和屈服荷載,其值分別為試驗(yàn)支座的平均值。結(jié)果顯示,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)后支座的水平剛度和屈服荷載均有所降低,但變化較小,水平剛度變化率為-4%,屈服荷載變化率為-8%。x,y兩方向性能變化相差不大。經(jīng)歷幾十次地震動(dòng)后,橡膠支座性能未有明顯退化現(xiàn)象,具有良好的抗震性能。2.模型無砂膠結(jié)后無砂倉排試驗(yàn)為了進(jìn)行比較,模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)了支座剪切變形為50%,100%的加載工況,與單個(gè)支座試驗(yàn)條件相同。圖4,5分別是支座剪切變形為50%,100%時(shí)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中橡膠支座的水平力-位移滯回曲線與支座試驗(yàn)中水平力-位移滯回曲線的比較。表3是支座剪切變形為50%,100%時(shí)的水平剛度和屈服荷載,其值確定方法與單個(gè)支座試驗(yàn)相同。比較可見,兩者x向滯回曲線稍有不同,y向差別較大。由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入的是地震動(dòng),且模型支座情況較單個(gè)支座復(fù)雜,單個(gè)支座滯回曲線較規(guī)則;同時(shí)水平剛度和屈服荷載也有變化,模型試驗(yàn)中水平剛度較單個(gè)支座試驗(yàn)增加,而屈服荷載降低,且剪切變形越大,變化越顯著。這可能是由于單個(gè)支座試驗(yàn)條件與模型試驗(yàn)條件的差別所致,剪切變形越大,影響也越大。3.加速度加載工況為了研究模型經(jīng)歷若干次地震動(dòng)之后支座性能的變化,在模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的開始階段和結(jié)束時(shí)設(shè)計(jì)了同樣的加載工況。輸入x向ElCentro地震動(dòng),加速度幅值為0.26g,相應(yīng)支座剪應(yīng)變?yōu)?0%,表4為支座性能變化情況,圖6為支座力-位移滯回曲線。振動(dòng)臺(tái)x向?qū)?yīng)地震動(dòng)輸入的南北方向。試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)歷若干次地震動(dòng)之后滯回曲線形狀相近,支座水平剛度降低,滯回環(huán)面積增加,有塑性變形積累。四、應(yīng)變能力模型試驗(yàn)對(duì)應(yīng)變橡膠支護(hù)性能試驗(yàn)結(jié)果影響通過對(duì)不同受力環(huán)境及不同受力階段支座性能試驗(yàn)的分析,可得如下結(jié)論:(1)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前后,鉛芯橡膠支座滯回曲線形狀變化不大,但面積稍有變化,剪應(yīng)變?yōu)?00%時(shí)水平剛度和屈服荷載均有變化,水平剛度變化幅度在-4%以內(nèi),屈服荷載變化幅度為-8%。(2)單個(gè)橡膠支座試驗(yàn)結(jié)果與模型試驗(yàn)有明顯不同,單個(gè)橡膠支座滯回曲線面積稍大,剪應(yīng)變?yōu)?00%時(shí),模型試驗(yàn)中支座水平剛度較單個(gè)橡膠支座試驗(yàn)增加30%,但屈服荷載降低20%。(3)經(jīng)歷若干次地震動(dòng)之后,橡膠支座具有良好的穩(wěn)定性,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)支座水平剛度稍有降低,降低幅度為16%,屈服荷載變化較小。(4)以往的分析研究認(rèn)為,影響隔震支座性能的主要因素是支座面壓和支座剪切變形,因此國(guó)內(nèi)外的隔震規(guī)范一般規(guī)定設(shè)計(jì)隔震房屋時(shí),需進(jìn)行單個(gè)支座在規(guī)定面壓和剪切變形條件下的性能試驗(yàn),并根據(jù)性能試驗(yàn)中支座的有關(guān)參數(shù)