鉛芯橡膠支座[2]

1、18:40:5018:40:50p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(shè)計(jì)方法及流程p鉛芯橡膠支座的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)p總結(jié)概況一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀18:40:501.1鉛芯橡膠支座（LRB）介紹： 鉛芯橡膠支座(LRB)是新西蘭學(xué)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(dāng)直徑的的鉛芯形成(圖1),利用鉛芯在地震動(dòng)過(guò)程中彈塑性性能來(lái)達(dá)到耗散地震能量的效果。由于鉛的屈服應(yīng)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(rèn)為是一種較好的阻尼器。 鉛芯必須緊固在孔中,并稍微擠進(jìn)橡膠層中,因此,鉛芯的體積往往比中心孔的體積要大些

2、,使鉛芯能牢固地壓入孔中,當(dāng)橡膠支座發(fā)生水平變形時(shí),整個(gè)鉛芯由于被鋼板約束而強(qiáng)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(dá)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(gòu)造比較簡(jiǎn)單,能夠提供較大阻尼,可以單獨(dú)作為橋梁減隔震支座使用,在新西蘭、美國(guó)和日本被廣泛用于橋梁和建筑物的減、隔震。18:40:51 國(guó)內(nèi)外將減震、隔震支座應(yīng)用于結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)表明,合理選擇減震、隔震支座動(dòng)力特性參數(shù)是減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的關(guān)鍵所在,要達(dá)到最優(yōu)的減震目的并為延性抗震設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),需要對(duì)支座動(dòng)力特性地震響應(yīng)的影響特點(diǎn)與規(guī)律進(jìn)行深入的研究。近十年來(lái),有

3、關(guān)LRB的研究蓬勃開(kāi)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(jié)和評(píng)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(yīng)分析和非線性動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng),考慮支座的滯回特性和上部結(jié)構(gòu)的彈塑性,然后把材料非線性因素當(dāng)作等效線性化系統(tǒng)的虛擬力,用復(fù)模態(tài)分解和迭代方法計(jì)算模態(tài)反應(yīng)。朱東升等對(duì)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(yīng)譜、且時(shí)域內(nèi)強(qiáng)度包線形狀相似的應(yīng)對(duì)地震動(dòng)的全過(guò)程十分敏感; LRB是一種有效的隔震裝置; LRB的初始屈服力對(duì)隔震效果影響較大。一、發(fā)展歷史

4、和現(xiàn)狀18:40:51 王麗、閻貴平等對(duì)LRB隔震橋梁的減震效果進(jìn)行了研究,分別采用非線性水平和轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元來(lái)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(jié)構(gòu)納入一個(gè)系統(tǒng)中,并考慮其相互影響和相互作用。利用大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件(ANSYS),對(duì)采用鉛芯橡膠支座(LRB)隔震的橋梁輸入了多條實(shí)際地震波進(jìn)行時(shí)程分析,系統(tǒng)地討論了隔震橋梁的減震性能,得出在設(shè)計(jì)減隔震橋梁時(shí),應(yīng)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(jiǎn)化分析方法 從隔震結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)來(lái)看,建立滿足工程設(shè)計(jì)精度要求的實(shí)用簡(jiǎn)化分析方法是很有意義的。TsaiH C等研究了鉛

5、芯橡膠支座非線性隔震結(jié)構(gòu)的基于反應(yīng)譜的地震反應(yīng)分析,他們首先建立實(shí)際模型和等效線性單自由體模型,由震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入大量地震記錄,比較兩個(gè)模型的最大位移和加速度反應(yīng),從而識(shí)別出等效結(jié)構(gòu)的等效剛度、等效阻尼比,同時(shí)得到了等效剛度與最大位移的關(guān)系。Hwang等對(duì)LRB隔震橋梁的等效線性化設(shè)計(jì)方法及隔震橋梁的等效阻尼比進(jìn)行了研究,指出現(xiàn)行等效剛度和等效阻尼比計(jì)算方法中存在的問(wèn)題,建議了新的計(jì)算公式。一、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀18:40:51 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(jié)構(gòu)及外加動(dòng)力荷載特性的關(guān)系。研究結(jié)果表明:鉛芯橡膠支座等效線性分析模型參數(shù)(水平耗能、等效剛度及等效阻尼比

6、)主要由其本身的幾何構(gòu)造及組成材料決定,且在往復(fù)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18:40:511.2.3 LRB的土-結(jié)構(gòu)相互作用 隔震結(jié)構(gòu)一般都建在硬土場(chǎng)地,研究者通常將隔震結(jié)構(gòu)的地基視為無(wú)限剛度,但研究隔震結(jié)構(gòu)的土-結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),比如隔震橋梁,這需要與新型隔震裝置的開(kāi)發(fā)和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用相結(jié)合來(lái)解決。劉云賀、趙曉娟等探討了地震作用下樁基礎(chǔ)剛度對(duì)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基礎(chǔ)的方法,建立了考慮地基剛度影響的

7、橋梁非線性動(dòng)力分析模型。算例的非線性時(shí)程分析結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)中如采用剛性基礎(chǔ)假設(shè),即忽略土-結(jié)構(gòu)相互作用,對(duì)普通橡膠支座(RB)和鉛芯橡膠支座(LRB)都會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果偏于安全,尤其對(duì)LRB而言富裕度較大。1.2.4 LRB的實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)研究在隔震技術(shù)發(fā)展中的重要性是不言而喻的,多年來(lái)研究者在隔震結(jié)構(gòu)、隔震裝置的試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面作出了重要的貢獻(xiàn)。劉文光、楊巧榮等對(duì)建筑用鉛芯橡膠隔震支座溫度性能進(jìn)行了研究,在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)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18:40:511.2.5 工程實(shí)例 下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯橡膠支座隔震的建筑(The William

8、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18:40:51二、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(jié)而成,并通過(guò)上下聯(lián)結(jié)板與結(jié)構(gòu)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(hù)層橡膠、下封板和下連接板組成。多層橡膠、加勁鋼板構(gòu)成多層橡膠支座承擔(dān)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(shí)，靠塑性變形吸收能量，地震后，鉛芯又通過(guò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程，以及橡膠的剪切拉力的作用，建筑物自動(dòng)

9、恢復(fù)原位。2.1 構(gòu)造18:40:51 對(duì)應(yīng)不同鉛芯的要求，隔震橡膠支座可以有不同的疊層結(jié)構(gòu)、制造工藝和配方設(shè)計(jì)，以滿足所需要的垂直鋼度、側(cè)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(diǎn)和較高的塑性變形能力,可使支座的的阻尼比達(dá)到20%一30%,同時(shí)又具有增加支座的初始剛度,控制風(fēng)反應(yīng)和抵抗微地震的作用。鉛芯在單獨(dú)使用時(shí)不容易吸收能量,但鉛的性能較為穩(wěn)定,可以在常溫下結(jié)晶,利用疊層橡膠對(duì)鉛芯的約束,在反復(fù)變形時(shí)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(dú)使用,而無(wú)需另設(shè)阻尼器,使得隔震系統(tǒng)變得比較簡(jiǎn)單,可以節(jié)省空間,并利于施工。另外,通過(guò)控

10、制支座鉛芯的直徑,可以調(diào)整支座的耗能能力。二、工作原理和裝置介紹18:40:51工程案例上海賽車場(chǎng) 在目前多層隔震體系中,鉛芯疊層橡膠支座應(yīng)用廣泛,在日本2000年全年度審查的隔震結(jié)構(gòu)中,部分或全部采用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)數(shù)量占總數(shù)的50%以上,我國(guó)占到90%以上。日本橫濱路標(biāo)塔大廈 二、工作原理和裝置介紹18:40:512.3 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(gè)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(kuò)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形系數(shù)有較大差異,但鋼板會(huì)對(duì)橡膠片的橫向變形產(chǎn)生約束,使橡膠片內(nèi)部處于三向

11、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(dāng)。u 受拉性能。橡膠材料的拉應(yīng)力在10一20kN/cm2以內(nèi)時(shí),基本表現(xiàn)為彈性。在彈性范圍內(nèi),橡膠材料的受拉剛度只有受壓剛度的1/10左右。另有實(shí)驗(yàn)表明,疊層鉛芯橡膠隔震支座經(jīng)過(guò)較大的受拉變形后再壓縮時(shí),其受壓剛度降低為初期剛度的1/2左右。因此,在實(shí)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18:40:51u 耐火性實(shí)驗(yàn)研究表明,在一般的火災(zāi)下,疊層橡膠隔震支座仍有一定的承載力,不會(huì)使結(jié)構(gòu)立即倒塌,因?yàn)橹ё獠考s有10一20mm左右的橡膠覆蓋,燃燒時(shí)形成的碳化層具有較

12、好得熱阻性能,能夠阻止支座進(jìn)一步燃燒。雖然支座有一定的耐火性,但是還是應(yīng)該在支座外部做好防火構(gòu)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(duì)疊層橡膠支座的力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。周福霖等人的實(shí)驗(yàn)研究表明:經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)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(duì)隔震結(jié)構(gòu)減震效果的影響。關(guān)于徐變的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,橡膠在100年后的徐變量不到橡膠片總厚度的10%。因此,疊層鋼板橡膠支座作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件,其耐久性與建筑物的壽命相當(dāng)二、工作原理和裝置介紹18:40:512

13、.4 LRB設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）2.4.1 設(shè)計(jì)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(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定u GB/T 912-2008 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 熱軋薄鋼板和鋼帶u GB/T 1682-1994 硫化橡膠低溫脆性的測(cè)定 單試樣法u GB/T 3274-2007 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 熱軋厚鋼板和鋼帶u GB/T 3512-2001 硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)u GB/T 6031-1998 硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測(cè)定

14、(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(cè)定二、工作原理和裝置介紹18:40:51u GB/T 7760-2003 硫化橡膠或熱塑性橡膠與硬質(zhì)板材粘合強(qiáng)度的測(cè)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(yàn)法u CJJ77-98 城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)u CJJ 166-2011 城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范u HG/T 2198-2011 硫化橡膠物理試驗(yàn)方法的一般要求u JT/T 722-2008 公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件u JT/T 822-2011 公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座u

15、JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范u JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則u EN 1337-3: 2005 Structural bearings - Part 3: Elastomeric bearingsu EN 15129: 2009 Anti-seismic devices二、工作原理和裝置介紹18:40:51LRB 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。2.4.2 支座分類2.4.3 支座型號(hào)二、工作原理和裝置介紹18:40:522.4.4 支座結(jié)構(gòu)鉛芯支座的結(jié)構(gòu)形式如下圖二、工作原理和裝置介紹18:40:52

16、 LRB 系列鉛芯隔震橡膠支座的豎向載荷傳遞過(guò)程是樓體上預(yù)埋鋼板上連接鋼板上封板橡膠、鉛芯、加勁鋼板疊層結(jié)構(gòu)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(guò)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(jié)構(gòu)上封板、剪切鍵上連接鋼板上預(yù)埋鋼板通過(guò)上錨固組件傳遞到樓體。2.4.5 支座技術(shù)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， d670， d720 ，d770， d820，d870， d920， d970 ，d1020，d1070，d1120，d1170，d1220，d1270，d1

17、320，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 ， 11701170 ， 12201220 ， 12701270 ，13201320，13701370。二、工作原理和裝置介紹18:40:52u 剪切模量

18、支座設(shè)計(jì)剪切模量為 0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa。u 水平等效剛度175%剪應(yīng)變時(shí)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(yīng)變時(shí)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20%，最小等效阻尼比為13.5%。二、工作原理和裝置介紹18:40:52u 設(shè)計(jì)剪切位移二、工作原理和裝置介紹18:40:522.4.6 鉛芯隔震橡膠支座的常規(guī)選型流程

19、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(shè)計(jì)豎向承載力設(shè)計(jì)剪切位移量校核計(jì)算或優(yōu)化設(shè)計(jì)（反復(fù)）。二、工作原理和裝置介紹18:40:53 徐變老化問(wèn)題 支座受拉 溫度影響 恢復(fù)力模型 計(jì)算模型三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:533.1 徐變老化問(wèn)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(yīng)用范圍最為廣泛。建筑物的使用壽命一般都超過(guò) 50年，在使用期限內(nèi)橡膠支座會(huì)因?yàn)楹奢d、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(xué)性能發(fā)生變化，老化和徐變特性是橡膠

20、隔震支座十分重要的 長(zhǎng)期性能指標(biāo)。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:53 日本福岡大學(xué)的森田慶子和高山峰夫等人，對(duì)橡膠支座的長(zhǎng)期性能進(jìn)行了 15a的試驗(yàn)，記錄 了橡膠支座徐變量的變化。2000 年，劉文光等針對(duì)直徑 300mm的普通鉛芯橡膠隔震支座在使用期限 60a的力學(xué)性能進(jìn)行了熱老化及徐變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明隔震支座在使用期限內(nèi)力學(xué)性能穩(wěn)定。 2002年，劉文光等又系統(tǒng)地對(duì)橡膠材料進(jìn)行了老化試驗(yàn)，確定了低硬度橡膠使用 60a的力學(xué)性能變化率。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(shí)間情況下的性質(zhì)變化。上述研究均以 試驗(yàn)測(cè)試為主，由于受

21、到支座的形狀系數(shù)，橡膠硬度和壓應(yīng)力等參數(shù)的影響，測(cè)試結(jié)果相差較大，因此，對(duì)于橡膠支座的老化和徐變性能仍需要補(bǔ)充大量的實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以掌握其在建筑使用壽命期限內(nèi)的力學(xué)性能變化率。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:533.2 支座受拉問(wèn)題 橡膠支座的豎向拉伸能力遠(yuǎn)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(duì)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(jì)算理論的拉伸剛度Kvt計(jì)算式。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:53 橡膠支座可采用圖1所示的模型表示支座非線性變形領(lǐng)域拉伸狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,這種模型

22、定義為雙剛度模型.OA彈性段的剛度Kvty稱為第一剛度,A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變稱為屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變,當(dāng)拉伸應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力后進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)方法及流程18:40:533.2.1評(píng)價(jià)拉伸性能的彈塑性分析模型基本原則(1)整個(gè)曲線包括壓縮段和拉伸段,壓縮段認(rèn)為是線性的;(2)拉伸加載段分為彈性段,剛度退化段(小拉伸應(yīng)變階段)和剛度強(qiáng)化段(大拉伸應(yīng)變);(3)在彈性范圍內(nèi),橡膠支座的拉伸剛度不受反復(fù)拉伸的影響;(4)在彈塑性范圍內(nèi),經(jīng)過(guò)反復(fù)拉伸,橡膠支座的拉伸剛

23、度逐漸降低;(5)鉛芯僅在彈性段對(duì)拉伸性能有影響.三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:543.2.2 3G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則 規(guī)定在罕遇地震作用下,隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,當(dāng)隔震支座不可避免地處于受拉狀態(tài)時(shí),其拉應(yīng)力不應(yīng)大于112 Mpa。對(duì)高層和超高層隔震結(jié)構(gòu)、塔型隔震結(jié)構(gòu)等較大高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系,這一規(guī)定很難實(shí)現(xiàn)。 在實(shí)際工程中按以下“3G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則”來(lái)判定橡膠支座的拉伸性能?！?G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則”就是在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,隔震支座可取3倍橡膠剪切彈性模量作為拉伸設(shè)計(jì)應(yīng)力界限。因?yàn)樵谶@一應(yīng)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(shí)限制拉伸應(yīng)變不超過(guò)10%,即 時(shí),橡膠支座能

24、夠確保隔震結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。當(dāng)試驗(yàn)曲線在圖中測(cè)試曲線的上方區(qū)域內(nèi)時(shí),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(shè)計(jì)方法及流程18:40:541)對(duì)于上部較為剛性的大高寬比結(jié)構(gòu),隔震后水平向減震效果都是明顯的。大高寬比方向在強(qiáng)震時(shí)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(méi)有隔震效果,如果要減少豎向反應(yīng),需要研究新型隔震支座。3)大高寬比隔震結(jié)構(gòu)在超過(guò)八度的罕遇地震或周期較長(zhǎng)的八度罕遇地震下,支座豎向可能進(jìn)入非線性屈服,結(jié)構(gòu)存在傾覆的可能。研究高寬比限值和抗傾覆裝置對(duì)拓廣隔震結(jié)構(gòu)使用范圍,是十分必要的。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:5

25、43.2.3 工程實(shí)例 1994年1月17日，美國(guó)圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級(jí)M=6.7，直下型地震，死亡56人，傷7300人，損失很大。南加州大學(xué)醫(yī)院采用隔震結(jié)構(gòu)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(gè)，多層橡膠隔震器81個(gè)。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:54三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:543.3 溫度影響問(wèn)題 我國(guó)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(duì)橡膠隔震支座與溫度相關(guān)的力學(xué)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

26、用壽命及地震發(fā)生的隨機(jī)性,因而橡膠隔震支座涉及的溫度性能應(yīng)包括三方面內(nèi)容:首先是外界溫度下隔震支座各種力學(xué)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(xué)性能的穩(wěn)定性;最后是自然火災(zāi)或地震帶來(lái)火災(zāi)對(duì)隔震支座力學(xué)性能的影響。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:54 隔震支座作為隔震建筑豎向承載和提供水平彈性恢復(fù)力的器材,其耐火性能世界各國(guó)要求不一。在日本對(duì)于隔震支座的耐火能力不作具體要求,但對(duì)于整個(gè)隔震層的防火要求較高,且隔震層不允許放置物品。對(duì)中間層采用隔震建筑,多數(shù)將隔震支座進(jìn)行防火處理,即在支座外附加防火材料,隔震建筑造價(jià)會(huì)因此而略有提高。我國(guó)建筑隔震橡膠支座規(guī)程中對(duì)隔

27、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(shí),冷卻后測(cè)定隔震支座的力學(xué)性能變化。然而由于明火試驗(yàn)的非恒定性,規(guī)程并未規(guī)定明火的溫度等具體試驗(yàn)措施,僅籠統(tǒng)地規(guī)定為模擬隔震支座的使用條件進(jìn)行耐火試驗(yàn)。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:54 模擬工程條件進(jìn)行的燃燒試驗(yàn)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(jìn)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(yīng)力仍超過(guò)規(guī)定的90MPa而未破壞。研究結(jié)果同時(shí)表明對(duì)使用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力分析時(shí),應(yīng)充分考慮支座剛度及

28、屈服力的溫度因素對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的影響。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:543.4 恢復(fù)力模型 橡膠材料具有不可壓縮性,同時(shí)又具有較好的彈性,橡膠的拉伸實(shí)驗(yàn)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(xué)性能，可以認(rèn)為,在一定的荷載范圍之內(nèi),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?；谶@種假定,可以推出一個(gè)具有一段初始彈性剛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(shè)計(jì)方法及流程18:40:54 現(xiàn)有的鉛芯橡膠支座恢復(fù)力模型中,常見(jiàn)的有雙線性模型、修正雙線性模型、Ramberg-Osgood模型及雙線性+

29、RO模型等。雙線形恢復(fù)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(fù)力模型視為雙線性。雙線性模型的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單、計(jì)算較為方便。Skinner、Robinson(1993)研究指出采用雙線性恢復(fù)力模型進(jìn)行隔震計(jì)算,可以得到較為精確的近似結(jié)果,但對(duì)于高度非線性的分析結(jié)果誤差過(guò)大。部分學(xué)者提出了修正雙線性模型,通過(guò)修正橡膠支座的屈服剛度和屈服力來(lái)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(shè)計(jì)方法及流程18:40:55 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

30、芯橡膠支座的恢復(fù)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(fù)力模型具有一個(gè)共同的特點(diǎn)是僅在初始彈性段范圍內(nèi)考慮了鉛芯橡膠支座的小應(yīng)變相關(guān)特性,當(dāng)鉛芯橡膠支座進(jìn)入屈服狀態(tài)后不考慮小應(yīng)變特性,對(duì)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(shí)程段的不同特點(diǎn)。這使得在復(fù)雜的非線性分析計(jì)算中存在較大誤差。觀察偽靜力試驗(yàn)所得的滯回曲線看出,橡膠支座的滯回曲線與加載時(shí)程密切聯(lián)系。針對(duì)這一特性,考慮鉛芯橡膠支座加載時(shí)程的應(yīng)變特性,提出鉛芯橡膠支座的“扁環(huán)”效應(yīng)及其恢復(fù)力模型。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方

31、法及流程18:40:55 何文福提出了鉛芯橡膠支座“扁環(huán)”效應(yīng)的概念,并建立了鉛芯橡膠支座考慮加載時(shí)程應(yīng)變特性的剪切恢復(fù)力的“扁環(huán)”效應(yīng)模型,并對(duì)提出的模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:553.5 計(jì)算模型3.5.1 LRB恢復(fù)力計(jì)算模型 大量的LRB的擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)表明,由于鉛芯的灌入,LRB的初始剛度K1較RB的剛度Kr有較大的提高。當(dāng)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(dá)到耗能的目的,其滯回特性可由圖1所示的雙線性模型來(lái)描述。圖1中,Qy為鉛芯屈服力,剛度K1與K2和Qy有關(guān)本文按下式確定: 式中,W為支座的豎向設(shè)計(jì)承載力

32、。Qy/W可以認(rèn)為是反映LRB的橡膠用量與鉛芯用量之比等因素的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)參數(shù)。三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:553.5.2 系統(tǒng)的地震響應(yīng)方程 將支座和上部結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)體系用多質(zhì)點(diǎn)層剪切模型模擬,則系統(tǒng)的地震響應(yīng)方程可寫為三、鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法及流程18:40:55 1995年1月17日,日本兵庫(kù)縣發(fā)生了震驚世界的阪神大地震。這次地震造成了生命、財(cái)產(chǎn)極大的損失,同時(shí)也以慘重的代價(jià)留給科學(xué)界和工程界許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和發(fā)人深省的間題。其中最重要的問(wèn)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(guò)了水平地震作用。從國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用和研究中可以看出,基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在水平隔震方面具有較好

33、的隔震效果,但是對(duì)于豎向地震作用下其隔震效果如何,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這方面研究的比較少或者比較緩慢。四、LRB發(fā)展趨勢(shì)4.1 豎向隔震18:40:55四、LRB發(fā)展趨勢(shì)18:40:564.2 層間隔震 層間隔震結(jié)構(gòu)是在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的,只有一些在工程實(shí)踐中,由于特殊情況才采用層間隔震結(jié)構(gòu)。因此目前對(duì)于層間隔震結(jié)構(gòu)的研究成果還比較少,沒(méi)有系統(tǒng)的理論研究成果?，F(xiàn)有的大多數(shù)的研究成果是針對(duì)某一實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的動(dòng)力時(shí)程分析。日本的愛(ài)知縣名古屋市啊圣那大廈,是第一個(gè)采用層間隔震結(jié)構(gòu)的實(shí)例,隔震層設(shè)置在1層和2層之間。4.2.1 層間隔震優(yōu)點(diǎn)l 由于隔震層的水平剛度很小,地震時(shí)結(jié)構(gòu)

34、的變形主要位于隔震層。對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),隔震層通常位于基礎(chǔ)頂部或地下室頂部,一般低于室外地面,為了保證地震時(shí)隔震層能發(fā)揮作用,我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定,上部結(jié)構(gòu)的周邊應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)與地面之間,宜設(shè)置明確的水平隔震縫;當(dāng)設(shè)置隔離縫有困難時(shí),應(yīng)設(shè)置可靠的水平滑移墊層。而對(duì)于層間隔震由于隔震層設(shè)置在一層或一層以上的上柱頂,結(jié)構(gòu)的大變形將發(fā)生在沒(méi)有障礙的空中,也就不存在預(yù)留空間及相應(yīng)的構(gòu)造問(wèn)題。四、LRB發(fā)展趨勢(shì)18:40:56l 層間隔震可以提高結(jié)構(gòu)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(yīng)力。這樣可以

35、保證隔震結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不發(fā)生傾覆破壞。對(duì)于層間隔震結(jié)構(gòu),由于隔震層位置相對(duì)較高,使得結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值增大。因此,提高了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。l 施工方便。采用隔震技術(shù)的房屋,通過(guò)隔震層處的水暖管道均需設(shè)置成軟管。隔震層設(shè)置在層間時(shí),軟管部分就可以設(shè)置在地面以上,便于軟管部分的施工、維修和更換。對(duì)舊有房屋進(jìn)行抗震加固時(shí),若采用基礎(chǔ)隔震形式,需要在基礎(chǔ)頂部將原有結(jié)構(gòu)斷開(kāi),進(jìn)行施工,比較復(fù)雜。而在原有結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置隔震層,施工過(guò)程會(huì)方便很多。四、LRB發(fā)展趨勢(shì)18:40:56 通過(guò)研究隔振層位置的變化以及隔震層以下結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)層間隔震的影響,得出層間隔震結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下,不僅減隔震效果

36、不明顯,反而會(huì)增大結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。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(guān)注的問(wèn)題4.2.2 層間隔震豎向隔震效果四、LRB發(fā)展趨勢(shì)18:40:56u 鉛芯橡膠支座的構(gòu)造與性能關(guān)系的研究,確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和方法,并制定出產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)算量相當(dāng)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(lái)模擬,顯然會(huì)帶來(lái)很大的誤差,因此關(guān)于減隔震結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化分析中的一些做法,從總體性能上構(gòu)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(shí)際的支座而導(dǎo)致的巨大的計(jì)算量,則會(huì)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。u 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中存在大量的不確定性,如外部環(huán)境(載荷和場(chǎng)地)、結(jié)構(gòu)本身(構(gòu)件材料性能、截面幾何參數(shù)、構(gòu)件抗力)以及計(jì)算模型的不確定性等。引入隨機(jī)理論、可靠