弹性滑板支座性能试验研究

弹性滑板支座性能试验研究摘要：隔震支座的主要特性包括：竖向承载力、低的水平刚度和大的水平变形能力。弹性滑板支座是一典型的隔震支座，由橡胶体、聚四氟乙烯板和不锈钢板滑动面组成，聚四氟乙烯板镶嵌在橡胶体中。当水平剪切荷载小于静摩擦力时，水平变形仅由橡胶体产生，当水平荷载达到摩擦力时，支座在滑动面上滑动，并具有足够的变形能力。本文对弹性滑板支座的基本性能和相关性能进行了试验研究，试验结果表明，所研究的弹性滑板支座的摩擦系数在1%~3%之间，与竖向面压和水平加载速度相关。关键词：弹性滑板支座；橡胶体；聚四氟乙烯板；相关性能引言滑移隔震技术是在建筑物中设置滑移隔震层，提高建筑物的抗震安全性，是基础隔震中的一种。上世纪70年代起国内外学者对滑移隔震技术进行了多方面的研究与应用。我国学者对沙砾滑移层、石墨沙砾滑移层、滑块滑移层和滑板滑移层的隔震结构进行了研究，并制订了滑移隔震技术规程。滑移装置是滑移隔震技术中关键元件。弹性滑板支座是可标准化生产的滑移装置，既可用于滑移隔震层，又可与橡胶隔震支座组合使用。弹性滑板支座(见图4)结构包括橡胶体、聚四氟乙烯板和不锈钢板滑动面，为弹性元件与摩擦元件的串联型式。聚四氟乙烯板部分镶嵌在橡胶体内。聚四氟乙烯化学稳定性极好，长年在大气中暴露，表面性能保持不变。聚四氟乙烯板与不锈钢板有很低的滑动静摩擦系数，且与动摩擦系数相接近，聚四氟乙烯板承载能力高，适合在建筑中使用。弹性滑板支座中橡胶体提供支座的水平初始刚度（第一刚度）和竖向刚度，当水平剪切荷载小于静摩擦力时，水平变形仅由橡胶体产生，而当支座克服静摩擦力后支座滑动体可在不锈钢板面上进行滑动。支座的水平变形能力由滑动面的尺寸决定。聚四氟乙烯板与不锈钢板的摩擦系数是弹性滑板支座的关键参数。当在聚四氟乙烯板与不锈钢板之间加润滑剂时，文献[7]中测试的支座摩擦系数约为0.6%，与桥梁中使用的盆式支座相当。目前，日本常用的弹性滑板支座摩擦系数有10%和2%两种规格。为研究我国低摩擦系数的弹性滑板支座，本文对ESB600型弹性滑板支座进行了试验研究，试验内容包括支座基本性能、面压相关性、速度相关性和25次循环加载相关性。1弹性滑板支座弹性滑板支座结构如图1所示，试验试件的尺寸如图2所示。橡胶体为普通型多层橡胶支座，其结构参数见表1，聚四氟乙烯板厚4mm，其中2mm镶嵌在橡胶体中，不锈钢板采用镜面不锈钢。弹性滑板支座中聚四氟乙烯板的竖向极限压应力在400N/mm以上，橡胶体在屈服位时的界限性能决定了弹性滑板支座的极限性能，较橡胶隔震支座界限性能有较大的提高。一般情况下，弹性滑板支座中橡胶体的设计面压可取15N/mm，聚四氟乙烯板的设计面压可取为20N/mm。图1弹性滑板支座结构图图2ESB600结构尺寸Fig.1PhotoofelasticslidingbearingFig.2StructuredimensionofESB600表1橡胶体参数Table1Rubberisolatorparameter橡胶支座类型橡胶层总厚度/mm中孔/铅芯直径/mmn*tr/mm层厚内部钢板厚n*ts/mm1次形状系数S2次形状系数SESB60042307×66×2.523.814.3弹性滑板支座由橡胶体与聚四氟乙烯板竖向串联而成，其竖向刚度可采用公式（1）计算。(1)式中：橡胶体竖向刚度，聚四氟乙烯板竖向刚度。弹性滑板支座第1水平刚度即屈服前刚度由橡胶体的水平剪切性能决定，其计算可采用公式（2）进行。(2)式中：G橡胶剪切模量，橡胶体有效面积，橡胶层总厚度。弹性滑板支座的屈服荷载与支座摩擦系数和竖向承载力成正比，其计算可采用公式（3）进行。(3)式中：为支座摩擦系数，2弹性滑板支座试验研究为支座竖向承载力。2.1支座性能试验内容为测试弹性滑板支座的基本性能和相关性能，对ESB600型支座进行了试验研究，试验内容见表2，设备的较小摩擦系数可保证支座的试验精度。表2弹性滑板支座试验内容Table2TestitemsofelasticslidingbearingNo.试验项目竖向荷载/kN水平变形/mm加载速度/mm/s1竖向性能2800±30%0/2水平性能2800±48103面压相关性1400/2800/4200/5600±55/±110/±220104速度相关性2800±1101.5/2.5/5/10/1525次循5环加载相关性2800±110102.2支座性能试验结果弹性滑板支座试验曲线见图3。支座合理的竖向刚度可保证结构的竖向频率较低，在与橡胶隔震支座组合使用时，可减小地震作用下竖向荷载重分布所导致的隔震支座受力的变化。当支座所受的水平荷载未达到屈服荷载时，支座的变形由橡胶体提供，试验曲线如图3（b）所示，对应刚度为弹性滑板支座的第1刚度，而当支座所受的水平荷载达到屈服荷载时，支座产生滑动，屈服后刚度为0，如图3(c)所示。支座的竖向性能与竖向荷载2800kN、水平变形110mm时水平性能测试结果见表3。支座的动摩擦系数小，为1.52%，可满足工程使用要求。弹性滑板支座动摩擦系数与竖向面压与加载速度相关，支座摩擦系数随面压增大而减小（见图3（d）），随加载速度的增大而增大（见图3（e）），摩擦系数在1%~3%之间。弹性滑板支座在25次循环加载下摩擦系数的变化见图3（f），摩擦系数随加载的次数增加略有增大，但变化不大。(a)竖向性能试验曲线(b)橡胶体水平性能试验曲线（c）弹性滑板支座水平性能试验曲线(P=2800kN)(d)面压相关性(e)速度相关性(f)25次循环加载相关性图3ESB600试验曲线Fig.3TestcurvesofESB600表3ESB600性能测试结果Table3TestresultsofESB600竖向刚度/kN/mm第1刚度/kN/mm屈服力/kN动摩擦系数屈服位移/mm1877.81.1442.51.52%37.33结论通过对ESB600弹性滑板支座进行试验研究，本文得出以下结论：1.我国生产的低摩擦系数的弹性滑板支座的性能稳定，动摩擦系数与竖向面压与加载速度相关，在1%~3%之间。2.弹性滑板支座的摩擦系数随加载的次数增加略有增大，但变化不大。在地震作用时，支座摩擦系数稳定。3.弹性滑板支座优点突出，竖向承载力大、水平刚度小且屈服后刚度为0。受设备加载速度限制，支座在较高速度下的性能还有待研究，支座的老化性能、徐变性能和温度相关性还需进一步研究与确定。参考文献：[1]R.G.Tyler(1997),DynamictestsonPTFEslidinglayersunderearthquakeconditions[J],Bull.NZNat.Soc.Earthq.Eng.,10,no.3.[2]张文芳、李爱群等.建筑物滑移隔震研究现状及新进展[J].东南大学学报，1997Vol.27(增刊)：45-49[3]李立，刘德馨.建筑物的滑动隔震.隔震技术的研究与应用[M].北京：地震出版社，1991[4]周锡元、彭尚达等.建筑结构隔震、减震、控震技术的研究和应用[C].第二届全国结构减振控制学术会议论文集，武汉，1992，10：41-53[5]樊水荣、苏经宇等.建筑基础摩擦滑移技术及其应用.工程抗震[J]，1997，第1期，P39-43[6]陕DBJ/T24-23-2