铅芯橡胶支座2分析

1、22:31:19 p铅芯橡胶支座的发展历史、发展现状 p铅芯橡胶支座的工作原理和装置 p铅芯橡胶支座的设计方法及流程 p铅芯橡胶支座的未来发展趋势 p总结 概况 一、发展历史和现状 22:31:19 1.1铅芯橡胶支座（LRB）介绍： 铅芯橡胶支座(LRB)是新西兰学者在1975年 发展的,它是由普通叠层橡胶支座在其中间竖直 地灌入适当直径的的铅芯形成(图1),利用铅芯在 地震动过程中弹塑性性能来达到耗散地震能量 的效果。由于铅的屈服应力较低(约7 MPa),并 在塑性变形条件下具有较好的疲劳特性,被认为 是一种较好的阻尼器。 铅芯必须紧固在孔中,并稍微挤进橡胶层中,因此,铅芯的体积往往比中心

2、孔 的体积要大些,使铅芯能牢固地压入孔中,当橡胶支座发生水平变形时,整个铅芯 由于被钢板约束而强迫发生剪切变形。铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性,其初 始剪切刚度可以达到普通叠层橡胶支座刚度的10倍以上,而屈服后刚度接近与普 通叠层橡胶支座刚度。由于LRB构造比较简单,能够提供较大阻尼,可以单独作为 桥梁减隔震支座使用,在新西兰、美国和日本被广泛用于桥梁和建筑物的减、隔 震。 22:31:19 国内外将减震、隔震支座应用于结构震动控制的经验表明,合理选择减 震、隔震支座动力特性参数是减小结构地震响应的关键所在,要达到最优的 减震目的并为延性抗震设计提供指导,需要对支座动力特性地震响应的影响 特点

3、与规律进行深入的研究。近十年来,有关LRB的研究蓬勃开展,方兴未艾 。这里就LRB的若干方向的近期研究状况作些总结和评述： 1.2 铅芯橡胶支座（LRB）发展现状： 1.2.1 LRB的非线性地震反应分析和非线性动力学性态 FerraioliM等研究了高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座隔震结构的弹塑性地 震反应,考虑支座的滞回特性和上部结构的弹塑性,然后把材料非线性因素当作 等效线性化系统的虚拟力,用复模态分解和迭代方法计算模态反应。朱东升等 对一座采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条具有相同反应谱、且时 域内强度包线形状相似的应对地震动的全过程十分敏感; LRB是一种有效的隔 震装置;

4、LRB的初始屈服力对隔震效果影响较大。 一、发展历史和现状 22:31:19 王丽、阎贵平等对LRB隔震桥梁的减震效果进行了研究,分别采用非线性 水平和转动弹簧单元来模拟减隔震支座和桥墩延性铰的非线性性能,首次把支 座和桥梁结构纳入一个系统中,并考虑其相互影响和相互作用。利用大型通用 结构分析软件(ANSYS),对采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条实 际地震波进行时程分析,系统地讨论了隔震桥梁的减震性能,得出在设计减隔 震桥梁时,应考虑将非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置上,避免桥墩屈 服先于减隔震装置屈服。 1.2.2 LRB的简化分析方法 从隔震结构的的设计来看,建立满足工程

5、设计精度要求的实用简化分析 方法是很有意义的。TsaiH C等研究了铅芯橡胶支座非线性隔震结构的基于 反应谱的地震反应分析,他们首先建立实际模型和等效线性单自由体模型,由 震动台试验输入大量地震记录,比较两个模型的最大位移和加速度反应,从而 识别出等效结构的等效刚度、等效阻尼比,同时得到了等效刚度与最大位移的 关系。Hwang等对LRB隔震桥梁的等效线性化设计方法及隔震桥梁的等效阻 尼比进行了研究,指出现行等效刚度和等效阻尼比计算方法中存在的问题,建 议了新的计算公式。 一、发展历史和现状 22:31:19 吴兵、庄军生等系统研究了铅芯橡胶 支座等效线性分析模型参数与其几何结构 及外加动力荷载

6、特性的关系。研究结果表 明:铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数( 水平耗能、等效刚度及等效阻尼比)主要 由其本身的几何构造及组成材料决定,且 在往复加、卸载循环中具有较好的稳定性 。 一、发展历史和现状 22:31:19 1.2.3 LRB的土-结构相互作用 隔震结构一般都建在硬土场地,研究者通常将隔震结构的地基视为无限 刚度,但研究隔震结构的土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)仍 然是有意的。而且软土地区也可能需要建造一些隔震结构,比如隔震桥梁, 这需要与新型隔震装置的开发和先进技术的应用相结合来解决。刘云贺、 赵晓娟等探讨了地震作用下桩基础刚度对

7、采用铅芯橡胶支座(LRB)桥梁的 减震效果的影响,提出以墩底弹簧约束模型模拟群桩基础的方法,建立了考 虑地基刚度影响的桥梁非线性动力分析模型。算例的非线性时程分析结果 表明:结构中如采用刚性基础假设,即忽略土-结构相互作用,对普通橡胶支座 (RB)和铅芯橡胶支座(LRB)都会使设计结果偏于安全,尤其对LRB而言富裕 度较大。 1.2.4 LRB的实验 试验研究在隔震技术发展中的重要性是不言而喻的,多年来研究者在隔 震结构、隔震装置的试验、开发应用方面作出了重要的贡献。刘文光、杨 巧荣等对建筑用铅芯橡胶隔震支座温度性能进行了研究,在试验结果的基础 上,提出了支座屈服后刚度及屈服载荷的温度修正方程

8、。 一、发展历史和现状 22:31:19 1.2.5 工程实例 下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界上使用铅芯橡胶支座 中基底面积最大的建筑(日本)。 一、发展历史和现状 22:31:19 二、工作原理和装置介绍 2.2 铅芯橡胶支座的工作原理 铅芯叠层橡胶隔震支座由钢板 与橡胶分层叠合,经高温硫化粘结而 成,并通过上下联结板与结构相连, 装置正中央为铅芯,其剖面图如图 由上连接板 上封板、铅芯、多 层橡胶、加劲钢板 、保护层橡胶、 下封板和下连接板组成。多层橡胶 、加劲钢板构成多层橡胶支座

9、承担 建筑物重量和水平位移的功能，铅 芯在多层橡胶支座剪切变形时，靠 塑性变形吸收能量，地震后，铅芯 又通过动态恢复与再结晶过程，以 及橡胶的剪切拉力的作用，建筑物 自动恢复原位。 2.1 构造 22:31:19 对应不同铅芯的要求，隔震橡胶支座可以 有不同的叠层结构、制造工艺和配方设计， 以满足所需要的垂直钢度、侧向变形、阻尼 、耐久性、抗倾覆等性能要求。 支座中的铅芯具有较低的屈服点和较高的 塑性变形能力,可使支座的的阻尼比达到20%一 30%,同时又具有增加支座的初始刚度,控制风 反应和抵抗微地震的作用。铅芯在单独使用时 不容易吸收能量,但铅的性能较为稳定,可以在 常温下结晶,利用叠层橡

10、胶对铅芯的约束,在反 复变形时可以发挥其稳定的耗能作用。铅芯橡 胶支座具有隔震和阻尼两种特性,因此可以单独 使用,而无需另设阻尼器,使得隔震系统变得比 较简单,可以节省空间,并利于施工。另外,通过 控制支座铅芯的直径,可以调整支座的耗能能力 。 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 工程案例 上海赛车场 在目前多层隔震体系中,铅芯叠层橡胶支座应用广泛,在日本2000年全年度审查 的隔震结构中,部分或全部采用铅芯橡胶隔震支座的隔震结构数量占总数的50%以 上,我国占到90%以上。 日本横滨路标塔大厦 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 2.3 铅芯橡胶支座的工作性能 叠层铅芯橡胶隔震支

11、座的工作性能主要包括以下几个方面: u 压缩性能。即在竖向荷载作用下,支座的纵向收缩和横向扩张性能。叠层铅 芯橡支座中的钢板与橡胶垫的弹性模量和横向变形系数有较大差异,但钢板 会对橡胶片的横向变形产生约束,使橡胶片内部处于三向受压状态。因此,叠 层铅芯橡胶胶支座的竖向承载力比橡胶本身大得多,几乎与同样截面大小的 钢筋混凝土柱子相当。 u 受拉性能。橡胶材料的拉应力 在10一20kN/cm2以内时,基本 表现为弹性。在弹性范围内,橡 胶材料的受拉刚度只有受压刚 度的1/10左右。另有实验表明, 叠层铅芯橡胶隔震支座经过较 大的受拉变形后再压缩时,其受 压刚度降低为初期刚度的1/2 左右。因此,在

12、实际工程中不宜 采用叠层橡胶隔震支座的受拉 性能。 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 u 耐火性实验研究表明,在一般的火灾下,叠 层橡胶隔震支座仍有一定的承载力,不会 使结构立即倒塌,因为支座外部约有10一 20mm左右的橡胶覆盖,燃烧时形成的碳 化层具有较好得热阻性能,能够阻止支座 进一步燃烧。虽然支座有一定的耐火性, 但是还是应该在支座外部做好防火构造 。 u 耐久性。叠层橡胶隔震支座在工作期间,由于橡胶老化、徐变等都有 可能对叠层橡胶支座的力学性能产生不同程度的影响。周福霖等人的 实验研究表明:经过60年后,叠层橡胶支座水平刚度增加10%一20%左 右,水平极限变形降低10%左右

13、。因此在设计中考虑支座老化而引起 的隔震层水平刚度的增加,可基本消除支座老化对隔震结构减震效果 的影响。关于徐变的实验测试结果表明,橡胶在100年后的徐变量不到 橡胶片总厚度的10%。因此,叠层钢板橡胶支座作为结构构件,其耐久 性与建筑物的寿命相当 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 2.4 LRB设计行业标准（规范） 2.4.1 设计依据 u GB 20688.2-2006 橡胶支座 第 2 部分：桥梁隔震橡胶支座 u GB/T 469-2005 铅锭 u GB/T 528-2009 硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定 u GB/T 912-2008 碳素结构钢和低合金结构钢

14、 热轧薄钢板和钢带 u GB/T 1682-1994 硫化橡胶低温脆性的测定 单试样法 u GB/T 3274-2007 碳素结构钢和低合金结构钢 热轧厚钢板和钢带 u GB/T 3512-2001 硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试 验 u GB/T 6031-1998 硫化橡胶或热塑性橡胶硬度的测定(10100IRHD) u GB/T 7759-1996 硫化橡胶、热塑性橡胶 常温、高温和低温下压缩 永久变形测定 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 u GB/T 7760-2003 硫化橡胶或热塑性橡胶与硬质板材粘合强度的测定 90剥离法 u GB/T 7762-2003

15、硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧龟裂 静态拉伸试验法 u CJJ77-98 城市桥梁设计荷载标准 u CJJ 166-2011 城市桥梁抗震设计规范 u HG/T 2198-2011 硫化橡胶物理试验方法的一般要求 u JT/T 722-2008 公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件 u JT/T 822-2011 公路桥梁铅芯隔震橡胶支座 u JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范 u JTG/T B02-01-2008 公路桥梁抗震设计细则 u EN 1337-3: 2005 Structural bearings - Part 3: Elastomeric bearings u EN 15

16、129: 2009 Anti-seismic devices 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 LRB 系列铅芯隔震橡胶支座按 本体形状分为矩形铅芯隔震橡 胶支座和圆形铅芯隔震橡胶支 座。 2.4.2 支座分类 2.4.3 支座型号 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 2.4.4 支座结构铅芯支座的结构形式如下图 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 LRB 系列铅芯隔震橡胶支座的竖向载荷传递过程是楼体上预埋钢 板上连接钢板上封板橡胶、铅芯、加劲钢板叠层结构下封 板下连接钢板支座。 LRB 系列铅芯隔震橡胶支座的地震水平载荷传递过程是支座下锚 固组件下连接钢板剪切键、下封板橡

17、胶、铅芯、加劲钢板叠 层结构上封板、剪切键上连接钢板上预埋钢板通过上锚固 组件传递到楼体。 2.4.5 支座技术性能 u 规格系列 圆形铅芯隔震橡胶支座分为 22 类： d420， d470 ，d520， d570，d620， d670， d720 ，d770， d820，d870， d920， d970 ，d1020，d1070，d1120，d1170，d1220，d1270，d1320，d1370，d1420， d1470。 矩形铅芯隔震橡胶支座分为 25 类： 300420 ， 350350 ， 350520 ， 420420 ， 470570 ， 520520 ， 520620 ， 5

18、70570 ，570670 ， 620620 ， 670670 ， 720720 ， 770770 ， 820820 ， 870870 ， 920920 ，970970 ， 10201020 ， 10701070 ， 11201120 ， 11701170 ， 12201220 ， 12701270 ，13201320，13701370 。 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 u 剪切模量 支座设计剪切模量为 0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa。 u 水平等效刚 度 175%剪应变时矩形铅芯隔震橡胶支座最大水平等效刚度为 9.7kN/mm，最小水平等效刚度为1.3kN/mm，圆形铅

19、芯隔震 橡胶支座最大水平等效刚度为 10.4kN/mm，最小水平等效 刚度为1.1kN/mm。 u 等效阻尼比 175%剪应变时矩形铅芯隔震橡胶支座最大等效阻尼比为 22.7%，最小等效阻尼比为 14.4%，圆形铅芯隔震橡胶支座 最大等效阻尼比为20%，最小等效阻尼比为13.5%。 二、工作原理和装置介绍 22:31:20 u 设计剪切位移 二、工作原理和装置介绍 22:31:21 2.4.6 铅芯隔震橡胶支座的常规选型流程为： 确定橡胶剪切模量 G（G0.8、G1.0、G1.2）支座本体形状（圆形、 矩形）设计竖向承载力设计剪切位移量校核计算或优化设计（ 反复）。 二、工作原理和装置介绍 2

20、2:31:21 徐变老化问题 支座受拉 温度影响 恢复力模型 计算模型 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:21 3.1 徐变老化问题 大部分隔震建筑都首选具有阻尼功能的铅芯橡胶支座( LRB) 作为隔震 装置，LRB橡胶支座的应用范围最为广泛。建筑物的使用寿命一般都超过 50年，在使用期限内橡胶支座会因为荷载、温度、空气和水等因素的影响 发生硬化、老化、裂纹或变形等 老化和徐变现象，并引起支座的力学性能 发生变化，老化和徐变特性是橡胶隔震支座十分重要的 长期性能指标。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:21 日本福冈大学的森田慶子和高山峰夫等人，对橡胶支座的长期性 能进

21、行了 15a的试验，记录 了橡胶支座徐变量的变化。2000 年，刘 文光等针对直径 300mm的普通铅芯橡胶隔震支座在使用期限 60a的 力学性能进行了热老化及徐变试验，结果表明隔震支座在使用期限内 力学性能稳定。 2002年，刘文光等又系统地对橡胶材料进行了老化试验，确定 了低硬度橡胶使用 60a的力学性能变化率。2010年，程桂胜建立了 天然橡胶支座的 老化模型，可以模拟天然橡胶支座在任意温度和任 意老化时间情况下的性质变化。上述研究均以 试验测试为主，由于 受到支座的形状系数，橡胶硬度和压应力等参数的影响，测试结果相 差较大，因此，对于橡胶支座的老化和徐变性能仍需要补充大量的实 验室和工

22、程现场测试以掌握其在建筑使用寿命期限内的力学性能变化 率。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:21 3.2 支座受拉问题 橡胶支座的竖向拉伸能力远小于竖向压缩能力,界限拉伸 能力仅为压缩能力的1/301/20。 Uyu(1996年)针对Gent和Lindley建立的橡胶弹性体压缩 竖向刚度,提出了类似压缩刚度计算理论的拉伸刚度Kvt计算 式。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:22 橡胶支座可采用图1所示的模型表示支座非线性变形领域拉伸状态的应力 应变关系,这种模型定义为双刚度模型.OA弹性段的刚度Kvty称为第一刚度,A点 对应的应力和应变称为屈服应力和屈服应变,当拉

23、伸应力超过屈服应力后进入 AB非线性段. AB非线性段的刚度vKvty称为第二刚度,v为非线性刚度系数,表示 拉伸时非线性段拉伸刚度的降低程度,取为0.06。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:22 3.2.1评价拉伸性能的弹塑性分析模型 基本原则 (1)整个曲线包括压缩段和拉伸段,压缩 段认为是线性的; (2)拉伸加载段分为弹性段,刚度退化段 (小拉伸应变阶段)和刚度强化段(大拉 伸应变); (3)在弹性范围内,橡胶支座的拉伸刚度 不受反复拉伸的影响; (4)在弹塑性范围内,经过反复拉伸,橡 胶支座的拉伸刚度逐渐降低; (5)铅芯仅在弹性段对拉伸性能有影响. 三、铅芯橡胶支座的设

24、计方法及流程 22:31:22 3.2.2 3G评价准则 规定在罕遇地震作用下,隔震支座不宜出现拉应力,当隔震支座 不可避免地处于受拉状态时,其拉应力不应大于112 Mpa。对高层和 超高层隔震结构、塔型隔震结构等较大高宽比隔震结构体系,这一 规定很难实现。 在实际工程中按以下“3G评价准则”来判定橡胶支座的拉伸 性能。“3G评价准则”就是在拉伸应力-应变曲线中,隔震支座可取 3倍橡胶剪切弹性模量作为拉伸设计应力界限。因为在这一应力状 态下,支座即使发生较大的剪切变形,仍可保持较高的拉伸刚度。同 时限制拉伸应变不超过10%,即 时,橡胶支座能够确保隔 震结构处于安全状态。当试验曲线在图中测试曲

25、线的上方区域内时 ,可以判定该支座的拉伸性能满足工程使用要求,如图6所示。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:22 1)对于上部较为刚性的大高宽比结构,隔震后 水平向减震效果都是明显的。大高宽比方向 在强震时变形仍以第一振型为主,但有弯曲 变形的影响。 2)橡胶垫支座竖向没有隔震效果,如果要减少 竖向反应,需要研究新型隔震支座。 3)大高宽比隔震结构在超过八度的罕遇地震 或周期较长的八度罕遇地震下,支座竖向可 能进入非线性屈服,结构存在倾覆的可能。 研究高宽比限值和抗倾覆装置对拓广隔震结 构使用范围,是十分必要的。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:22 3.2.3 工

26、程实例 1994年1月17日，美国圣菲尔南多发生洛杉矶地震，震级M=6.7， 直下型地震，死亡56人，伤7300人，损失很大。南加州大学医院采用 隔震结构幸免于难。 地下一层，地上7层，建筑面积：33000平方米；占地：4100平米； 最高高度：36。0m；铅芯多层橡胶隔震器68个，多层橡胶隔震器81个。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 3.3 温度影响问题 我国地域辽阔,地震区域分布广泛,各地气候条件等差异较大,在 对橡胶隔震支座与温度相关的力学性能研究分析方面尚未取得系统 研究成果。 由于隔震支座的使用期限不低于建筑物

27、的使用寿命及地震发生 的随机性,因而橡胶隔震支座涉及的温度性能应包括三方面内容:首 先是外界温度下隔震支座各种力学性能的稳定性和变化范围;其次是 建筑物使用寿命期间隔震支座力学性能的稳定性;最后是自然火灾或 地震带来火灾对隔震支座力学性能的影响。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 隔震支座作为隔震建筑竖向承载和提供水 平弹性恢复力的器材,其耐火性能世界各国要 求不一。在日本对于隔震支座的耐火能力不作 具体要求,但对于整个隔震层的防火要求较高, 且隔震层不允许放置物品。对中间层采用隔震 建筑,多数将隔震支座进行防火处理,即在支座 外附加防火材料,隔震建筑造价会因此而略有 提高。

28、我国建筑隔震橡胶支座规程中对隔 震支座的耐火性能有明确要求,提出用明火连 续燃烧一小时,冷却后测定隔震支座的力学性 能变化。然而由于明火试验的非恒定性,规程 并未规定明火的温度等具体试验措施,仅笼统 地规定为模拟隔震支座的使用条件进行耐火试 验。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 模拟工程条件进行的燃烧试验表明铅芯隔震 支座外周合成橡胶形成的碳化层阻止了外周橡胶 层的进一步燃烧,燃烧初期隔震支座温度增加缓慢, 燃烧中期及燃烧后期隔震支座温度变化明显增加 。燃烧后隔震支座水平刚度变化率为-6.9%,极限 压缩应力仍超过规定的90MPa而未破坏。研究结 果同时表明对使用铅芯橡胶隔

29、震支座的隔震结构 进行弹塑性动力分析时,应充分考虑支座刚度及屈 服力的温度因素对结构动力反应的影响。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 3.4 恢复力模型 橡胶材料具有不可压缩性,同时又 具有较好的弹性,橡胶的拉伸实验表明, 橡胶比铅芯具有较高的屈服极限。根 据铅和橡胶材料的上述力学性能，可 以认为,在一定的荷载范围之内,隔震支 座在循环荷载作用下,铅芯发生理想弹 塑性变形,而橡胶则是始终保持弹性变 形。基于这种假定,可以推出一个具有 一段初始弹性刚度的双线性滞回曲线 。 铅芯隔震橡胶支座水平剪切性能曲线 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 现有的铅芯橡胶支座

30、恢复力模型中,常见 的有双线性模型、修正双线性模型、 Ramberg-Osgood模型及双线性+RO模型等 。双线形恢复力模型是假定橡胶支座为理想 的弹性材料,铅芯为理想的弹塑性材料,把铅 芯橡胶支座的恢复力模型视为双线性。双线 性模型的优点是模型简单、计算较为方便。 Skinner、Robinson(1993)研究指出采用双 线性恢复力模型进行隔震计算,可以得到较为 精确的近似结果,但对于高度非线性的分析结 果误差过大。部分学者提出了修正双线性模 型,通过修正橡胶支座的屈服刚度和屈服力来 修正普通双线性模型。Ramberg-Osgood模 型适用于高阻尼橡胶隔震支座。 三、铅芯橡胶支座的设计

31、方法及流程 22:31:23 冯德民(1998年)提出了修正双线性模型 与Ramberg-Osgood模型组合使用的BRO铅 芯橡胶支座的恢复力模型,即在卸载段和 反向加载段采用Ramberg-Osgood模型,其 他段采用双线性模型。现有的铅芯橡胶支座 的剪切恢复力模型具有一个共同的特点是仅 在初始弹性段范围内考虑了铅芯橡胶支座的 小应变相关特性,当铅芯橡胶支座进入屈服 状态后不考虑小应变特性,对屈服荷载及屈 服后刚度的修正仅在未经历状态修正,经历 后不再考虑,骨架曲线未考虑各加载时程段 的不同特点。这使得在复杂的非线性分析计 算中存在较大误差。观察伪静力试验所得的 滞回曲线看出,橡胶支座的

32、滞回曲线与加载 时程密切联系。针对这一特性,考虑铅芯橡 胶支座加载时程的应变特性,提出铅芯橡胶 支座的“扁环”效应及其恢复力模型。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 何文福提出了铅芯橡胶支座“扁 环”效应的概念,并建立了铅芯橡胶支 座考虑加载时程应变特性的剪切恢复 力的“扁环”效应模型,并对提出的模 型进行了试验验证。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:23 3.5 计算模型 3.5.1 LRB恢复力计算模型 大量的LRB的拟动力实验表明,由于铅芯的灌 入,LRB的初始刚度K1较RB的刚度Kr有较大的提高 。当铅芯屈服后,其第2刚度K2趋于RB的刚度KR, 从而可

33、获得比较饱满的滞回曲线,达到耗能的目的, 其滞回特性可由图1所示的双线性模型来描述。 图1中,Qy为铅芯屈服力,刚度K1与K2和Qy有 关本文按下式确定: 式中,W为支座的竖向设计承载力。Qy/W可以认 为是反映LRB的橡胶用量与铅芯用量之比等因素的 一个综合设计参数。 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:24 3.5.2 系统的地震响应方程 将支座和上部结构组成的结构 体系用多质点层剪切模型模拟,则系 统的地震响应方程可写为 三、铅芯橡胶支座的设计方法及流程 22:31:24 1995年1月17日,日本兵库县发生了震惊世界的阪神大地震。这次地震造成 了生命、财产极大的损失,同时也以

34、惨重的代价留给科学界和工程界许多经验 教训和发人深省的间题。其中最重要的问题之一是这次地震发现了在震中地区 竖向地震作用超过了水平地震作用。从国内外的工程应用和研究中可以看出, 基础隔震结构在水平隔震方面具有较好的隔震效果,但是对于竖向地震作用下 其隔震效果如何,国内外学者对这方面研究的比较少或者比较缓慢。 四、LRB发展趋势 4.1 竖向隔震 22:31:24 四、LRB发展趋势 22:31:25 4.2 层间隔震 层间隔震结构是在基础隔震结构的基础上发展出来的,只有一些在工程实践 中,由于特殊情况才采用层间隔震结构。因此目前对于层间隔震结构的研究成果 还比较少,没有系统的理论研究成果。现有

35、的大多数的研究成果是针对某一实际 结构进行的振动台实验和相应的动力时程分析。日本的爱知县名古屋市啊圣那 大厦,是第一个采用层间隔震结构的实例,隔震层设置在1层和2层之间。 4.2.1 层间隔震优点 l 由于隔震层的水平刚度很小,地震时结构的变形主要位于隔震层。对于基础 隔震结构,隔震层通常位于基础顶部或地下室顶部,一般低于室外地面,为了保 证地震时隔震层能发挥作用,我国抗震规范规定,上部结构的周边应设置防震 缝,缝宽不宜小于各隔震支座在罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍。上部 结构与地面之间,宜设置明确的水平隔震缝;当设置隔离缝有困难时,应设置可 靠的水平滑移垫层。而对于层间隔震由于隔震层设

36、置在一层或一层以上的 上柱顶,结构的大变形将发生在没有障碍的空中,也就不存在预留空间及相应 的构造问题。 四、LRB发展趋势 22:31:25 l 层间隔震可以提高结构的抗倾覆能力。 由于隔震支座的抗拉性能较差,因此规范 规定,隔震支座不允许出现拉应力。这样 可以保证隔震结构在地震时不发生倾覆 破坏。对于层间隔震结构,由于隔震层位 置相对较高,使得结构的抗倾覆力矩与倾 覆力矩的比值增大。因此,提高了结构的 抗倾覆能力。 l 施工方便。采用隔震技术的房屋,通过隔 震层处的水暖管道均需设置成软管。隔 震层设置在层间时,软管部分就可以设置 在地面以上,便于软管部分的施工、维修 和更换。对旧有房屋进行

37、抗震加固时,若 采用基础隔震形式,需要在基础顶部将原 有结构断开,进行施工,比较复杂。而在 原有结构的顶部设置隔震层,施工过程会 方便很多。 四、LRB发展趋势 22:31:25 通过研究隔振层位置的变化以及隔 震层以下结构阻尼比对层间隔震的影响, 得出层间隔震结构在竖向地震作用下,不 仅减隔震效果不明显,反而会增大结构的 地震反应。并且随着隔震层位置的下移, 其增大竖向地震作用的能力随之增大。 这是我们需要关注的问题 4.2.2 层间隔震竖向隔震效果 四、LRB发展趋势 22:31:25 u 铅芯橡胶支座的构造与性能关系的研究,确定相应的设计参数和方法,并制定出 产品标准。 u 由于LRB的

38、力-位移的滞回特性,精确的分析必须采用非线性分析,计算量相当 大,且滞回曲线本身往往具有一定的误差。若将LRB以常值的刚度与阻尼来模 拟,显然会带来很大的误差,因此关于减隔震结构的数值分析方法,若能建立一 种特殊的隔震支座单元,借用简化分析中的一些做法,从总体性能上构造隔震支 座单元,模拟其刚度和阻尼性能,而避免了直接离散实际的支座而导致的巨大的 计算量,则会有很大的现实意义。 u 结构的抗震设计中存在大量的不确定性,如外部环境(载荷和场地)、结构本身( 构件材料性能、截面几何参数、构件抗力)以及计算模型的不确定性等。引入 随机理论、可靠度理论来分析LRB是必要的,从而可以深入研究考虑不确定性

39、 因素对结构的动力反应和可靠度的影响,对铅芯橡胶支座的减震与桥梁的动力 响应特性关系的进行分析,找出地震波特性、铅芯橡胶支座的特性和下部结构 的特性及场地特性的关系,确定铅芯橡胶支座的适用范围。 u 为能充分发挥LRB的减震作用,还需进行减震细部构造设计的研究。 4.3 发展方向 四、LRB发展趋势 五、总结 22:31:25 5.1 铅芯橡胶支座优点 除了本身的隔震力学性能满足抗震设计及使用 要求外，铅芯隔震橡胶支座还具备耐久性好， 抗低周期疲劳性能、抗热空气老化、抗臭氧老 化、耐酸性、耐水性均较好，其寿命可达60 80年，期间的隔震力学性能不会发生明显变化 ，也就是说在60年之内不会影响使

40、用，可见， 与建筑物具有同等寿命。 具有足够的水平刚度，保证建筑物的基本周期 延长到1.53.0秒左右；另外具有足够竖向承载 力，能够稳定的支承建筑物。 具有足够大的水平变形能力储备，以确保在强 震作用于下不会出现失稳现象。 水平刚度受垂直压缩荷载的影响较小。 设计及施工方便。 五、总结 22:31:25 5.2 采用铅芯支座的效益 采用铅芯支座建造的房屋，可适当降低上部结构的设防水准，可使建 筑布置更加灵活，并可减少一些结构的构造措施及一些结构构件的尺 寸或配筋，节约土建造价。 建筑物在保证高宽比的前提下可以提高一到两层，这样提高建筑物的 容积率，节省建设用地。 可以提高一个设防等级，造价降

41、低7-15%。 保证在地震来临时建筑物的安全使用及人民群众的生命财产安全，对 于大震来临时的抢险、指挥及稳定民心具有重大意义。 参考文献 22:31:25 l 何文福,刘文光,霍达,滕海文,铅芯橡胶支座滞回曲线的扁环现象及其恢复力模型, 郑州大学学报(工学版),2006(4) l 刘文光，庄学真，周福霖，三山刚史，冯德民，加藤泰正，中国铅芯夹层橡胶 隔震支座各种相关性能及长期性能研究，地震工程与工程振动，2002(1) l 刘文光,韩 强,杨巧荣,李婕,建筑橡胶支座拉伸性能的计算模型与评价准则，沈阳 建筑大学学报(自然科学版)，2005(5) l 刘文光，周福霖，庄学真，冯德民，三山刚史，加藤

42、泰正，铅芯夹层橡胶隔震 垫基本力学性能研究，地震工程与工程振动，1999(1) l 刘文光，任 玥，何文福，冯德民，建筑 LRB橡胶支座的老化和徐变性能研究 ，世界地震工程，2012(4) l 陈云信，铅芯橡胶支座的研究现状与展望，现代机械，2005(6) l 田洁,张俊发,刘云贺,王克成,铅芯橡胶支座基础隔震体系参数优化配置研究，世 界地震工程，2003(1) l 吴杉，铅芯橡胶支座力学性能及其在桥梁工程中减、隔震应用的研究，铁道科 学研究院博士论文，2003 l 建筑隔震橡胶支座，中华人民共和国建筑工业行业标准（JB118-2000） l 刘兴衡,张志强,韩绪年，建筑隔震橡胶支座的种类及应用(一)，2008(2) 谢谢大家 22:31:25 22:31:25 p铅芯橡胶支座的发展历史、发展现状 p铅芯橡胶支座的工作原理和装置 p铅芯橡胶支座的设计方法及流程 p铅芯橡胶支座的未来发展趋势 p总结 概况 22:31:25 吴兵、庄军生等系统研究了铅芯橡胶 支座等效线性分析模型参数与其几何结构 及外加动力荷载特性的关系。研究结果表 明:铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数( 水平耗能、等效刚度及等效阻尼比)主要 由其本身的几何构造及组成材料决定,且 在往复加、卸载循环中具有较好的稳定性