鉛芯橡膠支座[2]

1、* * p鉛芯橡膠支座的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀 p鉛芯橡膠支座的工作原理和裝置 p鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 p鉛芯橡膠支座的未來發(fā)展趨勢 p總結 概況 一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 * 1.1鉛芯橡膠支座（LRB）介紹： 鉛芯橡膠支座(LRB)是新西蘭學者在1975年 發(fā)展的,它是由普通疊層橡膠支座在其中間豎直 地灌入適當直徑的的鉛芯形成(圖1),利用鉛芯在 地震動過程中彈塑性性能來達到耗散地震能量 的效果。由于鉛的屈服應力較低(約7 MPa),并 在塑性變形條件下具有較好的疲勞特性,被認為 是一種較好的阻尼器。 鉛芯必須緊固在孔中,并稍微擠進橡膠層中,因此,鉛芯的體積往往比中心孔 的體積要大些,使鉛芯

2、能牢固地壓入孔中,當橡膠支座發(fā)生水平變形時,整個鉛芯 由于被鋼板約束而強迫發(fā)生剪切變形。鉛芯橡膠支座具有較好的滯回特性,其初 始剪切剛度可以達到普通疊層橡膠支座剛度的10倍以上,而屈服后剛度接近與普 通疊層橡膠支座剛度。由于LRB構造比較簡單,能夠提供較大阻尼,可以單獨作為 橋梁減隔震支座使用,在新西蘭、美國和日本被廣泛用于橋梁和建筑物的減、隔 震。 * 國內外將減震、隔震支座應用于結構震動控制的經(jīng)驗表明,合理選擇減 震、隔震支座動力特性參數(shù)是減小結構地震響應的關鍵所在,要達到最優(yōu)的 減震目的并為延性抗震設計提供指導,需要對支座動力特性地震響應的影響 特點與規(guī)律進行深入的研究。近十年來,有關L

3、RB的研究蓬勃開展,方興未艾 。這里就LRB的若干方向的近期研究狀況作些總結和評述： 1.2 鉛芯橡膠支座（LRB）發(fā)展現(xiàn)狀： 1.2.1 LRB的非線性地震反應分析和非線性動力學性態(tài) FerraioliM等研究了高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座隔震結構的彈塑性地 震反應,考慮支座的滯回特性和上部結構的彈塑性,然后把材料非線性因素當作 等效線性化系統(tǒng)的虛擬力,用復模態(tài)分解和迭代方法計算模態(tài)反應。朱東升等 對一座采用鉛芯橡膠支座(LRB)隔震的橋梁輸入了多條具有相同反應譜、且時 域內強度包線形狀相似的應對地震動的全過程十分敏感; LRB是一種有效的隔 震裝置; LRB的初始屈服力對隔震效果影響較大。

4、 一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 * 王麗、閻貴平等對LRB隔震橋梁的減震效果進行了研究,分別采用非線性 水平和轉動彈簧單元來模擬減隔震支座和橋墩延性鉸的非線性性能,首次把支 座和橋梁結構納入一個系統(tǒng)中,并考慮其相互影響和相互作用。利用大型通用 結構分析軟件(ANSYS),對采用鉛芯橡膠支座(LRB)隔震的橋梁輸入了多條實 際地震波進行時程分析,系統(tǒng)地討論了隔震橋梁的減震性能,得出在設計減隔 震橋梁時,應考慮將非彈性變形和耗能主要集中在減隔震裝置上,避免橋墩屈 服先于減隔震裝置屈服。 1.2.2 LRB的簡化分析方法 從隔震結構的的設計來看,建立滿足工程設計精度要求的實用簡化分析 方法是很有意義的。Tsa

5、iH C等研究了鉛芯橡膠支座非線性隔震結構的基于 反應譜的地震反應分析,他們首先建立實際模型和等效線性單自由體模型,由 震動臺試驗輸入大量地震記錄,比較兩個模型的最大位移和加速度反應,從而 識別出等效結構的等效剛度、等效阻尼比,同時得到了等效剛度與最大位移的 關系。Hwang等對LRB隔震橋梁的等效線性化設計方法及隔震橋梁的等效阻 尼比進行了研究,指出現(xiàn)行等效剛度和等效阻尼比計算方法中存在的問題,建 議了新的計算公式。 一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 * 吳兵、莊軍生等系統(tǒng)研究了鉛芯橡膠 支座等效線性分析模型參數(shù)與其幾何結構 及外加動力荷載特性的關系。研究結果表 明:鉛芯橡膠支座等效線性分析模型參數(shù)( 水

6、平耗能、等效剛度及等效阻尼比)主要 由其本身的幾何構造及組成材料決定,且 在往復加、卸載循環(huán)中具有較好的穩(wěn)定性 。 一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 * 1.2.3 LRB的土-結構相互作用 隔震結構一般都建在硬土場地,研究者通常將隔震結構的地基視為無限 剛度,但研究隔震結構的土-結構相互作用(soil-structure interaction, SSI)仍 然是有意的。而且軟土地區(qū)也可能需要建造一些隔震結構,比如隔震橋梁, 這需要與新型隔震裝置的開發(fā)和先進技術的應用相結合來解決。劉云賀、 趙曉娟等探討了地震作用下樁基礎剛度對采用鉛芯橡膠支座(LRB)橋梁的 減震效果的影響,提出以墩底彈簧約束模型模擬群樁

7、基礎的方法,建立了考 慮地基剛度影響的橋梁非線性動力分析模型。算例的非線性時程分析結果 表明:結構中如采用剛性基礎假設,即忽略土-結構相互作用,對普通橡膠支座 (RB)和鉛芯橡膠支座(LRB)都會使設計結果偏于安全,尤其對LRB而言富裕 度較大。 1.2.4 LRB的實驗 試驗研究在隔震技術發(fā)展中的重要性是不言而喻的,多年來研究者在隔 震結構、隔震裝置的試驗、開發(fā)應用方面作出了重要的貢獻。劉文光、楊 巧榮等對建筑用鉛芯橡膠隔震支座溫度性能進行了研究,在試驗結果的基礎 上,提出了支座屈服后剛度及屈服載荷的溫度修正方程。 一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 * 1.2.5 工程實例 下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯

8、橡膠支座隔震的建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界上使用鉛芯橡膠支座 中基底面積最大的建筑(日本)。 一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 * 二、工作原理和裝置介紹 2.2 鉛芯橡膠支座的工作原理 鉛芯疊層橡膠隔震支座由鋼板 與橡膠分層疊合,經(jīng)高溫硫化粘結而 成,并通過上下聯(lián)結板與結構相連, 裝置正中央為鉛芯,其剖面圖如圖 由上連接板 上封板、鉛芯、多 層橡膠、加勁鋼板 、保護層橡膠、 下封板和下連接板組成。多層橡膠 、加勁鋼板構成多層橡膠支座承擔 建筑物重量和水平位移的功能，鉛 芯在多層橡膠支座剪切變形時，靠 塑性變形吸收能量，地震后，鉛芯 又通過

9、動態(tài)恢復與再結晶過程，以 及橡膠的剪切拉力的作用，建筑物 自動恢復原位。 2.1 構造 * 對應不同鉛芯的要求，隔震橡膠支座可以 有不同的疊層結構、制造工藝和配方設計， 以滿足所需要的垂直鋼度、側向變形、阻尼 、耐久性、抗傾覆等性能要求。 支座中的鉛芯具有較低的屈服點和較高的 塑性變形能力,可使支座的的阻尼比達到20%一 30%,同時又具有增加支座的初始剛度,控制風 反應和抵抗微地震的作用。鉛芯在單獨使用時 不容易吸收能量,但鉛的性能較為穩(wěn)定,可以在 常溫下結晶,利用疊層橡膠對鉛芯的約束,在反 復變形時可以發(fā)揮其穩(wěn)定的耗能作用。鉛芯橡 膠支座具有隔震和阻尼兩種特性,因此可以單獨 使用,而無需另

10、設阻尼器,使得隔震系統(tǒng)變得比 較簡單,可以節(jié)省空間,并利于施工。另外,通過 控制支座鉛芯的直徑,可以調整支座的耗能能力 。 二、工作原理和裝置介紹 * 工程案例 上海賽車場 在目前多層隔震體系中,鉛芯疊層橡膠支座應用廣泛,在日本2000年全年度審查 的隔震結構中,部分或全部采用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結構數(shù)量占總數(shù)的50%以 上,我國占到90%以上。 日本橫濱路標塔大廈 二、工作原理和裝置介紹 * 2.3 鉛芯橡膠支座的工作性能 疊層鉛芯橡膠隔震支座的工作性能主要包括以下幾個方面: u 壓縮性能。即在豎向荷載作用下,支座的縱向收縮和橫向擴張性能。疊層鉛 芯橡支座中的鋼板與橡膠墊的彈性模量和橫向變

11、形系數(shù)有較大差異,但鋼板 會對橡膠片的橫向變形產(chǎn)生約束,使橡膠片內部處于三向受壓狀態(tài)。因此,疊 層鉛芯橡膠膠支座的豎向承載力比橡膠本身大得多,幾乎與同樣截面大小的 鋼筋混凝土柱子相當。 u 受拉性能。橡膠材料的拉應力 在10一20kN/cm2以內時,基本 表現(xiàn)為彈性。在彈性范圍內,橡 膠材料的受拉剛度只有受壓剛 度的1/10左右。另有實驗表明, 疊層鉛芯橡膠隔震支座經(jīng)過較 大的受拉變形后再壓縮時,其受 壓剛度降低為初期剛度的1/2 左右。因此,在實際工程中不宜 采用疊層橡膠隔震支座的受拉 性能。 二、工作原理和裝置介紹 * u 耐火性實驗研究表明,在一般的火災下,疊 層橡膠隔震支座仍有一定的承

12、載力,不會 使結構立即倒塌,因為支座外部約有10一 20mm左右的橡膠覆蓋,燃燒時形成的碳 化層具有較好得熱阻性能,能夠阻止支座 進一步燃燒。雖然支座有一定的耐火性, 但是還是應該在支座外部做好防火構造 。 u 耐久性。疊層橡膠隔震支座在工作期間,由于橡膠老化、徐變等都有 可能對疊層橡膠支座的力學性能產(chǎn)生不同程度的影響。周福霖等人的 實驗研究表明:經(jīng)過60年后,疊層橡膠支座水平剛度增加10%一20%左 右,水平極限變形降低10%左右。因此在設計中考慮支座老化而引起 的隔震層水平剛度的增加,可基本消除支座老化對隔震結構減震效果 的影響。關于徐變的實驗測試結果表明,橡膠在100年后的徐變量不到 橡

13、膠片總厚度的10%。因此,疊層鋼板橡膠支座作為結構構件,其耐久 性與建筑物的壽命相當 二、工作原理和裝置介紹 * 2.4 LRB設計行業(yè)標準（規(guī)范） 2.4.1 設計依據(jù) u GB 20688.2-2006 橡膠支座 第 2 部分：橋梁隔震橡膠支座 u GB/T 469-2005 鉛錠 u GB/T 528-2009 硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定 u GB/T 912-2008 碳素結構鋼和低合金結構鋼 熱軋薄鋼板和鋼帶 u GB/T 1682-1994 硫化橡膠低溫脆性的測定 單試樣法 u GB/T 3274-2007 碳素結構鋼和低合金結構鋼 熱軋厚鋼板和鋼帶 u GB/T

14、 3512-2001 硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試 驗 u GB/T 6031-1998 硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定(10100IRHD) u GB/T 7759-1996 硫化橡膠、熱塑性橡膠 常溫、高溫和低溫下壓縮 永久變形測定 二、工作原理和裝置介紹 * u GB/T 7760-2003 硫化橡膠或熱塑性橡膠與硬質板材粘合強度的測定 90剝離法 u GB/T 7762-2003 硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐臭氧龜裂 靜態(tài)拉伸試驗法 u CJJ77-98 城市橋梁設計荷載標準 u CJJ 166-2011 城市橋梁抗震設計規(guī)范 u HG/T 2198-2011 硫化橡膠物理

15、試驗方法的一般要求 u JT/T 722-2008 公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件 u JT/T 822-2011 公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座 u JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規(guī)范 u JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設計細則 u EN 1337-3: 2005 Structural bearings - Part 3: Elastomeric bearings u EN 15129: 2009 Anti-seismic devices 二、工作原理和裝置介紹 * LRB 系列鉛芯隔震橡膠支座按 本體形狀分為矩形鉛芯隔震橡 膠支座和圓形鉛芯隔震橡膠支 座。 2.4.

16、2 支座分類 2.4.3 支座型號 二、工作原理和裝置介紹 * 2.4.4 支座結構鉛芯支座的結構形式如下圖 二、工作原理和裝置介紹 * LRB 系列鉛芯隔震橡膠支座的豎向載荷傳遞過程是樓體上預埋鋼 板上連接鋼板上封板橡膠、鉛芯、加勁鋼板疊層結構下封 板下連接鋼板支座。 LRB 系列鉛芯隔震橡膠支座的地震水平載荷傳遞過程是支座下錨 固組件下連接鋼板剪切鍵、下封板橡膠、鉛芯、加勁鋼板疊 層結構上封板、剪切鍵上連接鋼板上預埋鋼板通過上錨固 組件傳遞到樓體。 2.4.5 支座技術性能 u 規(guī)格系列 圓形鉛芯隔震橡膠支座分為 22 類： d420， d470 ，d520， d570，d620， d67

17、0， d720 ，d770， d820，d870， d920， d970 ，d1020，d1070，d1120，d1170，d1220，d1270，d1320，d1370，d1420， d1470。 矩形鉛芯隔震橡膠支座分為 25 類： 300420 ， 350350 ， 350520 ， 420420 ， 470570 ， 520520 ， 520620 ， 570570 ，570670 ， 620620 ， 670670 ， 720720 ， 770770 ， 820820 ， 870870 ， 920920 ，970970 ， 10201020 ， 10701070 ， 11201120

18、 ， 11701170 ， 12201220 ， 12701270 ，13201320，13701370 。 二、工作原理和裝置介紹 * u 剪切模量 支座設計剪切模量為 0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa。 u 水平等效剛 度 175%剪應變時矩形鉛芯隔震橡膠支座最大水平等效剛度為 9.7kN/mm，最小水平等效剛度為1.3kN/mm，圓形鉛芯隔震 橡膠支座最大水平等效剛度為 10.4kN/mm，最小水平等效 剛度為1.1kN/mm。 u 等效阻尼比 175%剪應變時矩形鉛芯隔震橡膠支座最大等效阻尼比為 22.7%，最小等效阻尼比為 14.4%，圓形鉛芯隔震橡膠支座 最大等效阻尼比為2

19、0%，最小等效阻尼比為13.5%。 二、工作原理和裝置介紹 * u 設計剪切位移 二、工作原理和裝置介紹 * 2.4.6 鉛芯隔震橡膠支座的常規(guī)選型流程為： 確定橡膠剪切模量 G（G0.8、G1.0、G1.2）支座本體形狀（圓形、 矩形）設計豎向承載力設計剪切位移量校核計算或優(yōu)化設計（ 反復）。 二、工作原理和裝置介紹 * 徐變老化問題 支座受拉 溫度影響 恢復力模型 計算模型 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.1 徐變老化問題 大部分隔震建筑都首選具有阻尼功能的鉛芯橡膠支座( LRB) 作為隔震 裝置，LRB橡膠支座的應用范圍最為廣泛。建筑物的使用壽命一般都超過 50年，在使用期限內

20、橡膠支座會因為荷載、溫度、空氣和水等因素的影響 發(fā)生硬化、老化、裂紋或變形等 老化和徐變現(xiàn)象，并引起支座的力學性能 發(fā)生變化，老化和徐變特性是橡膠隔震支座十分重要的 長期性能指標。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 日本福岡大學的森田慶子和高山峰夫等人，對橡膠支座的長期性 能進行了 15a的試驗，記錄 了橡膠支座徐變量的變化。2000 年，劉 文光等針對直徑 300mm的普通鉛芯橡膠隔震支座在使用期限 60a的 力學性能進行了熱老化及徐變試驗，結果表明隔震支座在使用期限內 力學性能穩(wěn)定。 2002年，劉文光等又系統(tǒng)地對橡膠材料進行了老化試驗，確定 了低硬度橡膠使用 60a的力學性能變化率。

21、2010年，程桂勝建立了 天然橡膠支座的 老化模型，可以模擬天然橡膠支座在任意溫度和任 意老化時間情況下的性質變化。上述研究均以 試驗測試為主，由于 受到支座的形狀系數(shù)，橡膠硬度和壓應力等參數(shù)的影響，測試結果相 差較大，因此，對于橡膠支座的老化和徐變性能仍需要補充大量的實 驗室和工程現(xiàn)場測試以掌握其在建筑使用壽命期限內的力學性能變化 率。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.2 支座受拉問題 橡膠支座的豎向拉伸能力遠小于豎向壓縮能力,界限拉伸 能力僅為壓縮能力的1/301/20。 Uyu(1996年)針對Gent和Lindley建立的橡膠彈性體壓縮 豎向剛度,提出了類似壓縮剛度計算理論的

22、拉伸剛度Kvt計算 式。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 橡膠支座可采用圖1所示的模型表示支座非線性變形領域拉伸狀態(tài)的應力 應變關系,這種模型定義為雙剛度模型.OA彈性段的剛度Kvty稱為第一剛度,A點 對應的應力和應變稱為屈服應力和屈服應變,當拉伸應力超過屈服應力后進入 AB非線性段. AB非線性段的剛度vKvty稱為第二剛度,v為非線性剛度系數(shù),表示 拉伸時非線性段拉伸剛度的降低程度,取為0.06。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.2.1評價拉伸性能的彈塑性分析模型 基本原則 (1)整個曲線包括壓縮段和拉伸段,壓縮 段認為是線性的; (2)拉伸加載段分為彈性段,剛度退化段

23、(小拉伸應變階段)和剛度強化段(大拉 伸應變); (3)在彈性范圍內,橡膠支座的拉伸剛度 不受反復拉伸的影響; (4)在彈塑性范圍內,經(jīng)過反復拉伸,橡 膠支座的拉伸剛度逐漸降低; (5)鉛芯僅在彈性段對拉伸性能有影響. 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.2.2 3G評價準則 規(guī)定在罕遇地震作用下,隔震支座不宜出現(xiàn)拉應力,當隔震支座 不可避免地處于受拉狀態(tài)時,其拉應力不應大于112 Mpa。對高層和 超高層隔震結構、塔型隔震結構等較大高寬比隔震結構體系,這一 規(guī)定很難實現(xiàn)。 在實際工程中按以下“3G評價準則”來判定橡膠支座的拉伸 性能?！?G評價準則”就是在拉伸應力-應變曲線中,隔震支座

24、可取 3倍橡膠剪切彈性模量作為拉伸設計應力界限。因為在這一應力狀 態(tài)下,支座即使發(fā)生較大的剪切變形,仍可保持較高的拉伸剛度。同 時限制拉伸應變不超過10%,即 時,橡膠支座能夠確保隔 震結構處于安全狀態(tài)。當試驗曲線在圖中測試曲線的上方區(qū)域內時 ,可以判定該支座的拉伸性能滿足工程使用要求,如圖6所示。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 1)對于上部較為剛性的大高寬比結構,隔震后 水平向減震效果都是明顯的。大高寬比方向 在強震時變形仍以第一振型為主,但有彎曲 變形的影響。 2)橡膠墊支座豎向沒有隔震效果,如果要減少 豎向反應,需要研究新型隔震支座。 3)大高寬比隔震結構在超過八度的罕遇地震 或

25、周期較長的八度罕遇地震下,支座豎向可 能進入非線性屈服,結構存在傾覆的可能。 研究高寬比限值和抗傾覆裝置對拓廣隔震結 構使用范圍,是十分必要的。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.2.3 工程實例 1994年1月17日，美國圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級M=6.7， 直下型地震，死亡56人，傷7300人，損失很大。南加州大學醫(yī)院采用 隔震結構幸免于難。 地下一層，地上7層，建筑面積：33000平方米；占地：4100平米； 最高高度：36。0m；鉛芯多層橡膠隔震器68個，多層橡膠隔震器81個。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.3 溫度影響問

26、題 我國地域遼闊,地震區(qū)域分布廣泛,各地氣候條件等差異較大,在 對橡膠隔震支座與溫度相關的力學性能研究分析方面尚未取得系統(tǒng) 研究成果。 由于隔震支座的使用期限不低于建筑物的使用壽命及地震發(fā)生 的隨機性,因而橡膠隔震支座涉及的溫度性能應包括三方面內容:首 先是外界溫度下隔震支座各種力學性能的穩(wěn)定性和變化范圍;其次是 建筑物使用壽命期間隔震支座力學性能的穩(wěn)定性;最后是自然火災或 地震帶來火災對隔震支座力學性能的影響。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 隔震支座作為隔震建筑豎向承載和提供水 平彈性恢復力的器材,其耐火性能世界各國要 求不一。在日本對于隔震支座的耐火能力不作 具體要求,但對于整個隔

27、震層的防火要求較高, 且隔震層不允許放置物品。對中間層采用隔震 建筑,多數(shù)將隔震支座進行防火處理,即在支座 外附加防火材料,隔震建筑造價會因此而略有 提高。我國建筑隔震橡膠支座規(guī)程中對隔 震支座的耐火性能有明確要求,提出用明火連 續(xù)燃燒一小時,冷卻后測定隔震支座的力學性 能變化。然而由于明火試驗的非恒定性,規(guī)程 并未規(guī)定明火的溫度等具體試驗措施,僅籠統(tǒng) 地規(guī)定為模擬隔震支座的使用條件進行耐火試 驗。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 模擬工程條件進行的燃燒試驗表明鉛芯隔震 支座外周合成橡膠形成的碳化層阻止了外周橡膠 層的進一步燃燒,燃燒初期隔震支座溫度增加緩慢, 燃燒中期及燃燒后期隔震支座

28、溫度變化明顯增加 。燃燒后隔震支座水平剛度變化率為-6.9%,極限 壓縮應力仍超過規(guī)定的90MPa而未破壞。研究結 果同時表明對使用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結構 進行彈塑性動力分析時,應充分考慮支座剛度及屈 服力的溫度因素對結構動力反應的影響。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.4 恢復力模型 橡膠材料具有不可壓縮性,同時又 具有較好的彈性,橡膠的拉伸實驗表明, 橡膠比鉛芯具有較高的屈服極限。根 據(jù)鉛和橡膠材料的上述力學性能，可 以認為,在一定的荷載范圍之內,隔震支 座在循環(huán)荷載作用下,鉛芯發(fā)生理想彈 塑性變形,而橡膠則是始終保持彈性變 形。基于這種假定,可以推出一個具有 一段初始彈性剛

29、度的雙線性滯回曲線 。 鉛芯隔震橡膠支座水平剪切性能曲線 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 現(xiàn)有的鉛芯橡膠支座恢復力模型中,常見 的有雙線性模型、修正雙線性模型、 Ramberg-Osgood模型及雙線性+RO模型等 。雙線形恢復力模型是假定橡膠支座為理想 的彈性材料,鉛芯為理想的彈塑性材料,把鉛 芯橡膠支座的恢復力模型視為雙線性。雙線 性模型的優(yōu)點是模型簡單、計算較為方便。 Skinner、Robinson(1993)研究指出采用雙 線性恢復力模型進行隔震計算,可以得到較為 精確的近似結果,但對于高度非線性的分析結 果誤差過大。部分學者提出了修正雙線性模 型,通過修正橡膠支座的屈服剛度和

30、屈服力來 修正普通雙線性模型。Ramberg-Osgood模 型適用于高阻尼橡膠隔震支座。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 馮德民(1998年)提出了修正雙線性模型 與Ramberg-Osgood模型組合使用的BRO鉛 芯橡膠支座的恢復力模型,即在卸載段和 反向加載段采用Ramberg-Osgood模型,其 他段采用雙線性模型?，F(xiàn)有的鉛芯橡膠支座 的剪切恢復力模型具有一個共同的特點是僅 在初始彈性段范圍內考慮了鉛芯橡膠支座的 小應變相關特性,當鉛芯橡膠支座進入屈服 狀態(tài)后不考慮小應變特性,對屈服荷載及屈 服后剛度的修正僅在未經(jīng)歷狀態(tài)修正,經(jīng)歷 后不再考慮,骨架曲線未考慮各加載時程段 的不

31、同特點。這使得在復雜的非線性分析計 算中存在較大誤差。觀察偽靜力試驗所得的 滯回曲線看出,橡膠支座的滯回曲線與加載 時程密切聯(lián)系。針對這一特性,考慮鉛芯橡 膠支座加載時程的應變特性,提出鉛芯橡膠 支座的“扁環(huán)”效應及其恢復力模型。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 何文福提出了鉛芯橡膠支座“扁 環(huán)”效應的概念,并建立了鉛芯橡膠支 座考慮加載時程應變特性的剪切恢復 力的“扁環(huán)”效應模型,并對提出的模 型進行了試驗驗證。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.5 計算模型 3.5.1 LRB恢復力計算模型 大量的LRB的擬動力實驗表明,由于鉛芯的灌 入,LRB的初始剛度K1較RB的剛度Kr

32、有較大的提高 。當鉛芯屈服后,其第2剛度K2趨于RB的剛度KR, 從而可獲得比較飽滿的滯回曲線,達到耗能的目的, 其滯回特性可由圖1所示的雙線性模型來描述。 圖1中,Qy為鉛芯屈服力,剛度K1與K2和Qy有 關本文按下式確定: 式中,W為支座的豎向設計承載力。Qy/W可以認 為是反映LRB的橡膠用量與鉛芯用量之比等因素的 一個綜合設計參數(shù)。 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 3.5.2 系統(tǒng)的地震響應方程 將支座和上部結構組成的結構 體系用多質點層剪切模型模擬,則系 統(tǒng)的地震響應方程可寫為 三、鉛芯橡膠支座的設計方法及流程 * 1995年1月17日,日本兵庫縣發(fā)生了震驚世界的阪神大地震。這

33、次地震造成 了生命、財產(chǎn)極大的損失,同時也以慘重的代價留給科學界和工程界許多經(jīng)驗 教訓和發(fā)人深省的間題。其中最重要的問題之一是這次地震發(fā)現(xiàn)了在震中地區(qū) 豎向地震作用超過了水平地震作用。從國內外的工程應用和研究中可以看出, 基礎隔震結構在水平隔震方面具有較好的隔震效果,但是對于豎向地震作用下 其隔震效果如何,國內外學者對這方面研究的比較少或者比較緩慢。 四、LRB發(fā)展趨勢 4.1 豎向隔震 * 四、LRB發(fā)展趨勢 * 4.2 層間隔震 層間隔震結構是在基礎隔震結構的基礎上發(fā)展出來的,只有一些在工程實踐 中,由于特殊情況才采用層間隔震結構。因此目前對于層間隔震結構的研究成果 還比較少,沒有系統(tǒng)的理

34、論研究成果?，F(xiàn)有的大多數(shù)的研究成果是針對某一實際 結構進行的振動臺實驗和相應的動力時程分析。日本的愛知縣名古屋市啊圣那 大廈,是第一個采用層間隔震結構的實例,隔震層設置在1層和2層之間。 4.2.1 層間隔震優(yōu)點 l 由于隔震層的水平剛度很小,地震時結構的變形主要位于隔震層。對于基礎 隔震結構,隔震層通常位于基礎頂部或地下室頂部,一般低于室外地面,為了保 證地震時隔震層能發(fā)揮作用,我國抗震規(guī)范規(guī)定,上部結構的周邊應設置防震 縫,縫寬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 結構與地面之間,宜設置明確的水平隔震縫;當設置隔離縫有困難時,應設置可 靠的水平滑移墊層。而對于層間

35、隔震由于隔震層設置在一層或一層以上的 上柱頂,結構的大變形將發(fā)生在沒有障礙的空中,也就不存在預留空間及相應 的構造問題。 四、LRB發(fā)展趨勢 * l 層間隔震可以提高結構的抗傾覆能力。 由于隔震支座的抗拉性能較差,因此規(guī)范 規(guī)定,隔震支座不允許出現(xiàn)拉應力。這樣 可以保證隔震結構在地震時不發(fā)生傾覆 破壞。對于層間隔震結構,由于隔震層位 置相對較高,使得結構的抗傾覆力矩與傾 覆力矩的比值增大。因此,提高了結構的 抗傾覆能力。 l 施工方便。采用隔震技術的房屋,通過隔 震層處的水暖管道均需設置成軟管。隔 震層設置在層間時,軟管部分就可以設置 在地面以上,便于軟管部分的施工、維修 和更換。對舊有房屋進

36、行抗震加固時,若 采用基礎隔震形式,需要在基礎頂部將原 有結構斷開,進行施工,比較復雜。而在 原有結構的頂部設置隔震層,施工過程會 方便很多。 四、LRB發(fā)展趨勢 * 通過研究隔振層位置的變化以及隔 震層以下結構阻尼比對層間隔震的影響, 得出層間隔震結構在豎向地震作用下,不 僅減隔震效果不明顯,反而會增大結構的 地震反應。并且隨著隔震層位置的下移, 其增大豎向地震作用的能力隨之增大。 這是我們需要關注的問題 4.2.2 層間隔震豎向隔震效果 四、LRB發(fā)展趨勢 * u 鉛芯橡膠支座的構造與性能關系的研究,確定相應的設計參數(shù)和方法,并制定出 產(chǎn)品標準。 u 由于LRB的力-位移的滯回特性,精確的分析必須采用非線性分析,計算量相當 大,且滯回曲線本身往往具有一定的誤差。若將LRB以常值的剛度與阻尼來模 擬,顯然會帶來很大的誤差,因此關于減隔震結構的數(shù)值分析方法,若能建立一 種特殊的隔震支座單元,借用簡化分析中的一些做法,從總體性能上構造隔震支 座單元,模擬其剛度和阻尼性能,而避免了直接離散實際的支座而導致的巨大的 計算量,則會有很大的現(xiàn)實意義。 u 結構的抗震設計中存在大量的不確定性,如外部環(huán)境(載荷和場地)、結構本身( 構件材料性能、截面幾何參數(shù)、構件抗力)以及計算模型的不確定性等。引入 隨機理論、可