车力文 秦 文

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

在地震区，隔震橡胶支座用于房屋、桥梁或其他结构的隔震构造，按照类型和工艺可分为天然橡胶支座(LNR)，铅芯橡胶支座(LRB)和高阻尼橡胶支座(HDR)等。为确保隔震橡胶支座能在工程中发挥应有作用，在产品研发、出厂和进场时应进行力学性能试验[2,3]。

使用电液伺服压—剪试验机进行隔震橡胶支座的力学性能试验(压—剪试验机如图1所示)，试验过程由计算机控制，原始数据可由计算机的控制程序保存。但程序并未包含对数据进行处理得到相关力学参数的功能。为满足计算精度要求，单次试验的数据量一般较大，传统方法通过人工筛选数据进行计算，较为费时，也可能出现偏差。

VBA全称Visual Basic for Application，是Microsoft Office扩展的面向对象型宏语言，语法与Visual Basic语言相似，且能方便地与Office主程序通信。试验原始数据为带有格式的文本文档(.txt)，可方便地放入Microsoft Excel文档形成表格。根据原始数据特点，决定利用嵌入常用办公软件Microsoft Excel的VBA宏语言接口实现隔震橡胶支座原始试验数据处理。

1 功能需求分析

隔震橡胶支座主要力学性能参数包括竖向压缩刚度Kv、水平等效刚度Kh、等效阻尼比heq、屈服后刚度Kd、屈服力Qd等，这些参数均可由隔震橡胶支座应力和应变的关系导出。压—剪试验机带有应力传感器和位移传感器，可记录试验过程中各通道的应力或位移状态并反馈给计算机。形成的原始数据文件是给定间隔时间(一般为0.1 s)的传感器数值记录文档。计算程序需实现：从数据列中截取数据段，并用数值分析方法计算得到相关参数的功能。

2 设计思路

计算程序设计的总体思路为：先遍历数据找到计算所需的数据段，然后对该段数据进行操作，计算得到参数。计算程序总体架构如图2所示。

3 具体算法实现

3.1 竖向压缩刚度Kv

按照规范[1]要求，竖向压缩刚度试验应采用0—设计压力P0—较大压力P2—P0—较小压力P1(第一次加载)，P1—P0—P2—P0—P1，P1—P0—P2—P0—P1(第三次加载)的加载方式，并取第3次加载过程的较大压力P2、较小压力P1及对应的较大位移Y2、较小位移Y1进行计算，见式(1)。

(1)

原始数据文件为按照时间序列保存的数据列。算法通过搜索竖向加载压力数列求极小值找到各次加载的分界处，标记后选取第三次加载数据段。该段竖向荷载的起始值即为较小压力P1，极大值为较大压力P2，对应的位移分别为较小位移Y1和较大位移Y2，代入式(1)计算得竖向压缩刚度Kv。

3.2 水平等效刚度Kh

按照规范[1]要求，水平等效刚度应在3次循环加载中取第3次循环的最大位移X1、最小位移X2及对应的最大剪力Q1、最小剪力Q2进行计算，见式(2)。

(2)

原始数据文件为按照时间序列保存的数据列，算法搜索水平位移数值变号处，即为各次循环加载的分界处，标记后选取第三次循环加载数据段。该段水平荷载数据列的极大值为最大剪力Q1，极小值为最小剪力Q2，对应的位移分别为最大位移X1和最小位移X2，代入式(2)计算得到水平等效刚度Kh。

3.3 等效阻尼比heq

按照规范[1]要求，对于铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座，等效阻尼比应在3次循环加载中取第3次循环的最大位移X1、最小位移X2、水平等效刚度Kh及滞回曲线包络面积ΔW进行计算，见式(3)。

(3)

算法选取第三次循环加载数据段，用梯形公式[5]进行数值积分计算滞回曲线包络面积ΔW，并与式(2)中相关参数一同代入式(3)，计算得到等效阻尼比heq。

3.4 屈服力Qd、屈服后刚度Kd

按照规范[1]要求，对于铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座，屈服力和屈服后刚度可由第三次循环加载的滞回曲线与剪力轴正负交叉点Qd1,Qd2,最大剪力Q1,最小剪力Q2，以及最大位移X1,最小位移X2导出,见式(4)，式(5)。

(4)

(5)

选取第三次循环加载数据段，搜索得到位移数值由正变负(或由负变正)区间，用线性内插法计算位移为0时对应的剪力，即为Qd1,Qd2。Qd1,Qd2与式(2)中的相关参数一同代入式(4),式(5)，计算得到屈服力Qd和屈服后刚度Kd。

3.5 温度修正

按照规范[1,3]要求，试验基准温度为23 ℃，否则应进行温度修正。计算程序包含了竖向压缩刚度的温度修正模块，在计算完成后会弹出对话框，手动输入试验温度进行修正。温度修正公式参考了李黎、叶昆等[4]的研究，见式(6)。

(6)

3.6 数据可视化

用VBA图表操作语法实现了滞回曲线的可视化，图表X轴为位移，单位mm；Y轴为剪力，单位kN。某支座3次循环加载的滞回曲线图如图3所示。

4 实例计算

为验证计算程序的有效性进行了隔震橡胶支座力学性能试验。在试验中将原始试验数据文档输入Excel表格，执行计算程序并查看结果。

4.1 竖向力学参数

某铅芯隔震橡胶支座有效直径为400 mm，试验前利用升降机将支座吊装至实验平台上固定，然后在支座周围对称位置安装竖向位移传感器。之后启动压剪试验机液压泵，在计算机上设定试验压力加载谱线开始试验。试验加载结束后保存原始数据，生成文本文档。支座竖向参数试验情况如图4所示。

将文档数据输入表格中，竖向压力数据位于表格第A列～第C列，对应的位移数据位于表格第E列～第G列。在Excel的“宏”选项卡下启动计算程序，选择执行“竖向”宏。计算完成后出现对话框，此时可输入试验时室温并点击“确定”进行温度修正，否则点击“取消”不进行修正。该支座的竖向力学参数计算截图如图5,图6所示。

由图6可知，该次试验加载开始在数据列第132行，加载结束在数据列第1 361行，计算得该支座竖向压缩刚度Kv=702 kN/mm，在室温22 ℃下温度修正系数为1.00。

4.2 水平力学参数

竖向力学试验结束后将位移传感器撤去，保持支座在试验机内固定的状态，在计算机上设定试验水平位移加载谱线开始试验。试验结束后保存原始数据，生成文本文档。支座进行水平力学试验情况如图7所示。

将原始试验数据输入表格，数据位于表格第A列～第C列，在Excel的“宏”选项卡下启动计算程序，并执行“水平”宏。该支座的水平力学参数计算结果如图8,图9所示。

由图9可知，该支座水平等效刚度Kh=1.387 kN/mm，等效阻尼比heq=26.6%，屈服后刚度Kd=0.807 kN/mm，屈服力Qd=37.7 kN。

5 结论与展望

本文主要介绍了用嵌入Microsoft Excel的VBA宏语言实现的隔震橡胶支座力学试验数据处理程序。该程序可用于计算隔震橡胶支座的竖向刚度Kv，水平等效刚度Kh，等效阻尼比heq及(对铅芯橡胶支座)屈服后刚度Kd，屈服力Qd等参数，可进行竖向参数的温度修正。经过较长时间的实际试验验证，计算程序可满足需求，计算结果有效，精度满足要求。

目前计算程序内嵌于Microsoft Excel，平台机能受限，且需要手动粘贴原始文件内的数据。未来可移植至其他高级语言并形成独立的可执行程序，进行自动读取和图形界面操作，实现更友好的操作和更高效的数据处理。