金属橡胶材料隔震器性能研究

金属橡胶材料隔震器性能研究

新型金属橡胶材料隔震器的研发实际设计结构中有许多类型的灾难，其中强震和飓风灾害的影响最大。其中，地震灾害的发生具有随机性、突发性和不确定性的特点。因此，强烈的地震破坏尤其严重。在各种被动减隔震控制方法中,基础隔震技术是当前减隔震研究与工程应用的主流技术之一。当前基础隔震技术中,主要采用的隔震方式为(有铅芯)叠层橡胶隔震技术和摩擦滑移隔震技术。叠层橡胶支座在长期工作期间,存在着橡胶老化、徐变和疲劳破坏等耐久性能问题。纯摩擦滑移支座滑移位移较大不易控制,且不能自动复位,一般需要与其他恢复力装置配合使用,这使得隔震层的构造形式与施工变得复杂。金属橡胶材料是一种功能结构材料,是一种新型低密度多孔阻尼材料,具有疏松的内部网状结构,类似于天然橡胶的大分子结构,因具有橡胶的类似弹性而得名。目前金属橡胶材料在航空、航天、军事装备、机械工程等许多隔振领域已得到广泛应用,但在建筑领域尤其是建筑隔震设计领域应用还不多。金属橡胶材料隔震器则是采用金属橡胶材料替代传统橡胶而设计的隔震器,是一种新型材料隔震装置。由于金属橡胶材料具有优越的力学性能,将使这种新型隔震器可以弥补上述两种主要建筑隔震方式的不足。本文通过对金属橡胶材料摩擦减震力学性能的研究分析,在满足隔震装置功能要求下,自行研制一种新型金属橡胶隔震器,它采用有金属丝缠绕绑扎成形的金属杆为元件,设计制作了叠层组合形式的隔震器,并对其进行竖向承载力性能实验以及水平隔震性能实验。实验结果表明,自行设计的金属橡胶材料隔震器具有良好的承载力效果和隔震作用。1隔震装置的设计金属橡胶材料具有优良的力学性能,在宏观上具有类似橡胶的大分子结构和弹性,微观上金属橡胶依靠其内部金属丝间相互的干摩擦作用,可以耗散振动能量,达到减振隔振目的。它具有耐高低温、抗腐蚀、不易老化且强度高的特点,是传统橡胶的最佳替代品,并且在航空航天、机械工程等许多领域已得到广泛应用,但在建筑领域中尤其是建筑隔震设计领域应用还不多。目前在建筑隔震装置中,叠层橡胶在承受长期竖向荷载的同时,将受到日常振动、气温变化引起的热胀冷缩以及空气、水等带来的物理化学作用。并且在置于建筑物基础的情况下,随着环境气温的变化,温度经常处于-20℃~40℃甚至更高的循环温度的作用。因此在实际工程中,当前使用的隔震支座将存在着隔震橡胶材料氧化、耐火耐热、化学变化、疲劳变形等诸多方面的耐久性使用问题。金属橡胶是全金属制品,具有优良的环境适应性能,可解决叠层橡胶隔震支座使用中的耐久性问题。由于金属橡胶材料的减振隔震主要为其结构材料内部相互缠绕的金属丝之间的相互内摩擦作用,将使得采用金属橡胶材料的隔震装置在大多数程度下均可以消耗地震能量,可起到各种微震、中震情况下以及大震情况下的耗能作用。此种材料的摩擦系数均匀性可以较好地控制在成形体内,通过适当设计可以同时具有普通橡胶隔震支座和摩擦滑移隔震元件的优点,起到混合隔震支座的效果。因此可以预见金属橡胶材料必将在建筑隔震方面得到广泛应用,具有广泛的应用前景和市场。隔震结构设计中,隔震装置的设计非常重要。隔震装置的基本特性包括:竖向承载特性,即确保有足够的竖向刚度以承载上部结构;隔震特性,即在地震作用下,隔震装置发生水平滑动,使“刚性”抗震结构变成“柔性”隔震结构,结构自振周期加大并远离地震优越周期;弹性恢复特性,即隔震装置具有足够的恢复力,使隔震装置自动复位,在地震后结构能自动恢复到初始位置;阻尼耗能功能,即隔震装置要有足够大的阻尼系数,并具有足够大的消耗地震能量的能力。下面将介绍本文研究的金属橡胶材料隔震器的制作。2隔震阻尼器装置设计为了达到金属橡胶摩擦隔震的效果,自行设计制作包含金属橡胶材料的隔震阻尼器装置必须有较好的摩擦耗能作用,使之能够运用于承受水平地震荷载的建筑结构隔震设计中。2.1杆件组合成型本文以单根金属丝为基本材料,对其经过一定的缠绕、编织、加工与成型后,制作出金属橡胶定型产品。由于单根杆件需要有一定的刚度,并且要能达到摩擦耗能的作用,根据这一目的,制作中采用两根12#(直径为2.642mm)铁丝拧成一股作为最内层的支撑杆,并将3根18#(直径为1.219mm)铁丝拧成一股,类似于钢绞线方式,用它紧密缠绕在内杆的表面。第2层缠绕采用排布更为杂乱的金属球线以达到更好的摩擦效果,但此种材料刚度略显不足,因此用量较少。第3层与第5层采用与第1层相同的材料,而第4层与第2层相同。这样不同种材料之间相互缠绕的方式将能更好得使材料内部产生摩擦。如图1和图2所示。上述金属丝缠绕而成的杆件虽然已经有一定的强度和承载能力,但是仍然不足以承受上部荷载,并且没有足够的刚度,因此需要对杆件进行组合成型。经过仔细思考与方案对比,发现立方体框架式和层叠式在理论上均能满足实验装置的物理力学性能,但是其中立方体框架式由于节点难于处理,在制作过程不能达到理论计算的要求,因此最终选择层叠式组合形式。层叠式顾名思义是将缠绕好的金属杆件分层叠合而成,利用其组合效应发挥金属丝的耗能作用,利用铁芯承担上部荷载,并且该方法比较容易保证模型的刚度,同时易于制作。2.2锚索结构设计及制作根据上面提供的制作思路与方案,现简单介绍隔震器制作过程,具体如下:(1)以4根杆件为一小组,分组绑定。用3根长度为1m的细金属丝缠绕成钢绞线作为捆绑杆件的连接线,用相同方法制作若干根,然后将4根已经绕好的杆件并排放在一个平面,用上述钢绞线对杆件进行捆绑,过程类似于纺织中的穿针引线,首尾相连,确认杆件已经捆绑好,将各组上下层叠后初步成形。然后将上述捆绑好的单层杆件组平置于水平面上,依次向上堆叠,保证中心在一条竖直线上。同时为了在竖直向能良好传力,且剪切时不易发生错动,宜每层相对于上一层旋转90°。由于抵抗层与层之间的剪切和扭转力很大,而且需要兼顾X,Y方向的受力,绑扎时需要格外注意,为此制作过程中选择节点交叉换向连接方式,即利用中部绕多层杆件组一圈,于相交处钢绞线两头各绕Z轴旋转90°,如此反复,尽量使钢绞线节点在各面分布均匀。这样理论上在各个方向上受力时可以相互牵制和分配使得受力均匀,这一点在后来的实际加载实验中得到了证明。(2)构件的压实。金属橡胶材料阻尼特性和耗能能力有赖于金属丝的密实程度,只有密实程度达到一定后,才能更好的利用金属丝内部的摩擦消耗能量。在上述构件制作完成后,需要在压力试验机上压实成型,这样既可提高其密实度,同时也能检测出构件的承压能力,毕竟实际建筑结构隔震设备是需要承受巨大的竖向压力的。在力学中心实验室的万能试验机上进行的非破坏性实验中,获得这个构件的基本承压能力为1t,隔震器经过8mm竖直方向上的变形后,构件变形趋于稳定,实验结果与预期基本吻合。至此,自行设计的金属橡胶隔震器制作完毕,如图3所示。3隔震装置的自然力隔震装置的基本特性包括:竖向承载特性和水平恢复力特性,即隔震装置要确保有足够的竖向刚度以承载上部结构,也要有足够的恢复力,使隔震装置自动复位。本文将针对自行设计的隔震器进行竖向承载特性和水平恢复力特性研究。3.1试验结果与分析在实验室中,将隔震器模型置于大型万能试验机的竖向压缩试验夹头中进行加载,接入计算机系统后进行荷载控制,记录相应的位移输出,如图4所示,在非破坏荷载下进行加载,得到基本试验数据。同时当试验荷载卸载后,模型构件能够自行恢复,表明竖向存在的一定的弹性性能。图5为试验得到的隔震器荷载与位移关系曲线。由图5可以看出,隔震器在开始加载阶段,曲线上升地比较平缓,分析原因应是由于构件制作时存在一些间隙所致,当施加一定荷载后构件即被压实。随后曲线呈现为近似于直线的上升,这是由于隔震器构件经过一定的压实后趋于稳定并处于弹性阶段。此阶段反映出了荷载-位移关系曲线成线性变化的关系,同时也说明该隔震器模型不仅具有良好的竖向承载能力,同时也具有较好的弹性。3.2滞回特性分析在隔震器水平性能实验中,将压实后的隔震器模型置于竖向压缩试验仪器中,接入计算机系统进行荷载控制,记录相应的位移输出,在非破坏荷载下进行加载,经过反复加载卸载后,即可得出隔震器结构的荷载-位移滞回曲线图,如图6所示。根据重复加载卸载多次的试验数据,选出试验中数据较为稳定的4组数据,并作出隔震器构件水平方向上荷载-位移关系的滞回特性曲线图。由图6可以看出,在施加恢复力的过程中,构件在其水平方向上的位移亦呈现出相应的回复效果。此曲线线条光滑稳定,未出现大的跃动,且具有明显的非线性特征,同时滞回特性曲线较为饱满,说明所设计的隔震器有着较好的阻尼耗能特性。隔震器刚度发生软化并伴随较大迟滞耗能,在地震情况下可起到较好的隔震作用。同时隔震器模型在水平方向上较好的弹性性能也能够很好地起到隔震的效果,而这正是隔震装置在实际应用中的关键。4隔震性能分析本文分析了金属橡胶材料减隔震作用的机理,并自行制作了一种金属橡胶材料隔震器,通过在材料试验机上进行相关竖向承载特性和水平恢复力特性实验,获得隔震器恢复力与位移关系的滞后曲线,并得出以下结论:(1)自行设计的金属橡胶原材料为金属丝,通过弹性元件变形产生的结构阻尼和元件内金属丝接触点产生的干摩擦可以实现阻尼减振隔震。(2)自行设计的金属橡胶隔震器装置有着良好的竖向承载性能,且工艺简单。(3)金属橡胶隔震器具有良好的水平恢复力性能,水平向荷载-位移曲线呈现明显的非线性特征,滞回曲线饱满,由于金属丝间的相对摩