基础隔震模型中铅芯橡胶支座性能试验研究

基础隔震模型中铅芯橡胶支座性能试验研究

一、合成隔震建筑合成支架性能试验防雨窗由橡胶及其组合材料组成。这些材料的特性随着时间、温度、加载时间、适应性速度和速度等因素的变化而显著变化。迄今为止隔震房屋的设计者对材料特性的变化及其对隔震系统性能的影响重视不够。由于隔震房屋的震害经验较少,有关的设计规范、规程还不够成熟,因此试验便成为保证隔震房屋设计安全可靠的关键环节。美国AASHTO和欧洲UBC规范要求隔震房屋中所使用的支座必须全部进行原型性能试验,并利用支座试验结果对隔震房屋系统进行分析,包括计算隔震房屋的上部结构反应、基底剪力及支座位移等。日本规范也规定所有的隔震元件安装前必须进行性能试验。中国抗震规范对隔震房屋中支座性能试验也做了相应规定。目前国内外隔震支座性能试验一般都是对单个支座进行且输入的是正弦波,而实际隔震房屋受到的是地面运动,文中通过对单个支座在正弦波输入时和振动台模型试验输入地震动时支座的性能比较,分析了两种情况下支座性能可能存在的差异和其对隔震房屋计算分析产生的影响。另外,地震是一种随机运动,房屋服役期内可能遭受不同频谱、不同烈度地震动的袭击,经历若干次地震后隔震支座的性能是否具有显著变化对隔震房屋的应用也具有重要意义。二、振动储备库的试验1.铅芯橡胶克氏针装固结构振动台试验采用的铅芯橡胶支座外径为100mm,铅芯直径18mm,橡胶1.2×16层,橡胶剪切模量G=0.6MPa,铅芯橡胶支座几何尺寸如表1所示,上、下连接钢板厚度为20mm,设计面压为7.9MPa,第一形状系数S1为15.6,第二形状系数S2为3.91,支座总高度为74.2mm,支座详图见图1。2.振动台模型试验试验振动台试验前后,分别采用1000kN的两轴试验机(见表2)对模型中采用的橡胶支座进行性能试验,试验是在日本藤田公司完成的,两轴试验机加载情况如下,竖向最大加载力为1000kN,水平最大加振力为100kN,水平最大加振振幅为300mm,水平最大加振速度为120mm/s。试验中支座面压为7.9MPa,剪切变形分别为50%,100%,振动频率为0.1Hz,输入四个正弦波。水平刚度由零点处曲线切线斜率确定,屈服荷载由位移为零处曲线与坐标轴交点的平均值确定。设计的橡胶支座是圆形的,振动台试验前支座两方向性能相同,所以试验前仅测定了一个方向的性能,共进行了8个橡胶支座的性能试验。振动台模型试验输入了不同方向、不同频谱、不同幅值的地震波,进行了40个工况的试验,模型x,y向输入地震波不同,性能变化可能不同,故振动台试验后分别对支座x,y向的性能进行测试。详细试验情况参见文。3.正弦波和地震波对合成起落架性能的单一性,单模型振动台试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行。模型试验选用了ElCentro,Hachinohe,Taft,Kobe四种地震波作为模型地震动输入,共进行了40个工况试验。这里仅对正弦波输入时单个支座性能与地震波输入时振动台模型试验中支座的性能进行比较,另外,不同地震波输入时对支座性能也有影响,这方面的研究目前正在进行中。进行振动台模型试验支座与单个支座性能试验对比研究采用的是Hachinohe地震动三向输入,输入加速度幅值分别为0.32g和0.49g,相应支座剪切应变分别为50%,100%;进行振动台试验不同阶段对比输入ElCentro地震波,输入x向加速度幅值为0.26g,相应支座剪切应变为30%。三、试验结果的分析与比较1.橡胶合成事件积分试验前后支护性能变化振动台试验前进行了8个支座的性能试验,分析发现各支座性能几乎一致;试验后对模型中采用的四个支座进行了试验,各支座性能变化很小。图2,3分别列出一组振动台试验前后橡胶支座水平力-位移滞回曲线。从图可见,振动台试验前后支座滞回曲线形状相近,但试验后滞回曲线相对规则,滞回环面积稍有减小。这主要是由于经历大量工况振动台试验后,橡胶支座产生了一定的残余变形,滞回特性趋于稳定。表2为振动台试验前后橡胶支座水平刚度和屈服荷载,其值分别为试验支座的平均值。结果显示,振动台试验后支座的水平刚度和屈服荷载均有所降低,但变化较小,水平刚度变化率为-4%,屈服荷载变化率为-8%。x,y两方向性能变化相差不大。经历几十次地震动后,橡胶支座性能未有明显退化现象,具有良好的抗震性能。2.模型无砂胶结后无砂仓排试验为了进行比较,模型试验设计了支座剪切变形为50%,100%的加载工况,与单个支座试验条件相同。图4,5分别是支座剪切变形为50%,100%时振动台模型试验中橡胶支座的水平力-位移滞回曲线与支座试验中水平力-位移滞回曲线的比较。表3是支座剪切变形为50%,100%时的水平刚度和屈服荷载,其值确定方法与单个支座试验相同。比较可见,两者x向滞回曲线稍有不同,y向差别较大。由于振动台试验输入的是地震动,且模型支座情况较单个支座复杂,单个支座滞回曲线较规则;同时水平刚度和屈服荷载也有变化,模型试验中水平刚度较单个支座试验增加,而屈服荷载降低,且剪切变形越大,变化越显著。这可能是由于单个支座试验条件与模型试验条件的差别所致,剪切变形越大,影响也越大。3.加速度加载工况为了研究模型经历若干次地震动之后支座性能的变化,在模型振动台试验的开始阶段和结束时设计了同样的加载工况。输入x向ElCentro地震动,加速度幅值为0.26g,相应支座剪应变为30%,表4为支座性能变化情况,图6为支座力-位移滞回曲线。振动台x向对应地震动输入的南北方向。试验结果表明,经历若干次地震动之后滞回曲线形状相近,支座水平刚度降低,滞回环面积增加,有塑性变形积累。四、应变能力模型试验对应变橡胶支护性能试验结果影响通过对不同受力环境及不同受力阶段支座性能试验的分析,可得如下结论:(1)振动台试验前后,铅芯橡胶支座滞回曲线形状变化不大,但面积稍有变化,剪应变为100%时水平刚度和屈服荷载均有变化,水平刚度变化幅度在-4%以内,屈服荷载变化幅度为-8%。(2)单个橡胶支座试验结果与模型试验有明显不同,单个橡胶支座滞回曲线面积稍大,剪应变为100%时,模型试验中支座水平刚度较单个橡胶支座试验增加30%,但屈服荷载降低20%。(3)经历若干次地震动之后,橡胶支座具有良好的稳定性,振动台试验结束时支座水平刚度稍有降低,降低幅度为16%,屈服荷载变化较小。(4)以往的分析研究认为,影响隔震支座性能的主要因素是支座面压和支座剪切变形,因此国内外的隔震规范一般规定设计隔震房屋时,需进行单个支座在规定面压和剪切变形条件下的性能试验,并根据性能试验中支座的有关参数