碟簧-叠层橡胶三维复合隔震支座力学性能试验研究*

2021-05-28李雄彦梁栓柱薛素铎高佳玉

建筑结构 2021年8期

李雄彦，梁栓柱，薛素铎，高佳玉

(北京工业大学空间结构研究中心，北京 100124)

0 引言

大跨度空间结构因其自重轻、施工速度快、造型多样等诸多优点，被广泛应用于大型公共建筑。近年来空间结构向规模超大化、体系复杂化不断发展，仅靠抗震设计很难满足空间结构的安全性[1]，隔震成为一种有效的减震手段。大跨度空间结构由于跨度大，结构的阻尼比低，在水平地震与竖向地震作用下响应均较强烈[2-3]；在高烈度地区，强震作用下空间结构可能严重受损甚至发生倒塌破坏[4-6]。

1995年日本阪神地震是一次典型的竖向地震，震中烈度达到我国烈度表最高级10～12度，阪神赛马场大型钢管拱桁架结构，支座底板受竖向拉力局部发生上拔破坏。2008年汶川县发生8.0级特大地震，距汶川县170km的江油市市体育馆，因受到地震作用网架屋盖支座处松动严重；2013年庐山县发生7.0级地震，导致芦山中学体育馆双层网架屋盖杆件发生严重屈曲[7]。因此适用于大跨度空间结构的隔震支座应具有三维复合隔震的功能。

国外相关学者对三维隔震支座的研究主要集中在阻尼器与螺旋弹簧的串联应用，随着橡胶支座的普及，国内相关学者将橡胶支座与弹簧、碟簧等竖向隔震单元串联实现三维隔震。

熊世树等[8]提出了铅芯橡胶碟簧三维(Three-Dimensional Bearings)隔震支座，并对一栋装有3DB基础隔震的五层框架结构进行多维地震仿真分析，结果表明装有3DB隔震支座的结构地震响应可降低50%。李雄彦[9]针对大跨机库结构的隔震，研发了一种摩擦-碟簧三维复合隔震支座，并对其力学性能进行振动台试验研究，研究表明该支座水平及竖向均能提供较大的阻尼，具有良好的隔震性能。刘海卿[10]将SAM-橡胶支座与碟簧并联组成三维隔震支座，将其应用在单层柱面网壳，并进行地震作用下的数值模拟；赵亚敏[11]将铅芯橡胶支座与碟簧组合实现三维隔震，利用振动台试验研究了一栋五层框架结构的地震响应，试验结果表明该支座具有良好的三维隔震性能。

针对大跨度空间结构隔震，笔者课题组开发了一种新型碟簧-叠层橡胶三维复合隔震支座(简称三维复合隔震支座)[12]。该支座是由叠层橡胶支座与碟簧组串联组成，满足竖向隔震及水平隔震功能。利用“压剪试验机”对该支座进行水平及竖向隔震性能试验，对比该三维复合隔震支座与叠层橡胶支座间的隔震性能。

1 试验支座设计和试验装置

1.1 试验支座设计

三维复合隔震支座如图1，2所示，水平向采用叠层橡胶隔震装置，叠层橡胶支座具有较强的耗能能力可延长结构周期，同时具有较强的复位功能；竖向设置碟簧组改变叠层橡胶支座的竖向刚度，碟簧具有变刚度特性，受压产生变形，靠碟片间的摩擦提供竖向阻尼，降低结构的竖向地震响应。

该支座水平剪切变形量设计为120mm，竖向压力取某大跨结构在最不利荷载组合下支座处所受载荷1 400kN。

根据《隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007)[13]及《碟型弹簧》(GB/T 1972—2005)[14]综合考虑上部橡胶支座及下部碟簧的承载力，其竖向设计承载力最终取1 445kN，竖向设计位移为15mm。水平叠层橡胶支座的直径依据竖向承载力及水平剪切变形量确定为400mm，相关参数如表1所示。依据竖向压力及竖向设计位移，可确定竖向由7组碟簧并联组成，其中每组由2片叠合、6组对合的12片碟簧构成，单片碟簧的相关参数如表2所示。

图1 三维复合隔震支座构造

叠层橡胶支座基本参数表1

碟簧基本参数表2

1.2 试验装置和测试内容

测试支座性能的试验装置为图3所示的“橡胶支座压剪试验机”，该试验机可提供10 000kN的竖向力，竖向行程1 000mm，竖向空载速率0～200mm/min，通过设置在四角的4个光纤位移计进行竖向位移的测量，数据处理时取4个位移计读数的平均值；水平方向可提供2 100kN的水平力，水平行程为±800mm，水平方向空载速率0～100mm/s，利用水平力传感器和内置的拉线位移计自动采集水平方向试验数据。

支座性能测试包含支座水平和竖向隔震性能两部分。水平隔震性能测试主要考察剪应变、竖向压力及加载频率变化对三维复合隔震支座水平力学性能影响；竖向隔震性能测试主要考察加载幅值、预压力和加载频率对其力学性能影响；为考察竖向刚度变化对叠层橡胶支座水平力学性能的影响，同时对叠层橡胶支座的隔震性能进行测试。

图2 三维复合隔震支座实物图

图3 隔震支座剪压试验装置

2 水平隔震性能测试

2.1 剪应变对支座水平隔震性能影响

为考察剪应变对支座水平隔震性能的影响，采用“单剪试验方法”[12]对碟簧-叠层橡胶三维复合隔震支座进行压剪试验研究，竖向压力900kN，水平方向施加频率为0.01Hz正弦荷载，水平加载由位移控制，依据文献[12]，支座剪应变取设计剪应变γ0的0.5，0.75，1.0，1.25，1.5倍，即取50%，75%，100%，125%及150%五级，采用3周往复循环加载，试验工况如表3所示。测试前将试件置于加载系统之上，对中校准后预压3次，预压力取300kN。

水平隔震性能试验工况表3

图4为试验所得支座的滞回曲线，支座的水平等效刚度、等效阻尼比的计算方法参考高阻尼橡胶支座，水平等效刚度Kh按公式(1)计算，水平等效阻尼比heq(γ)按公式(2)计算。

(1)

(2)

式中：A0为有效面积，mm2；Tr为橡胶层总厚度，mm；G为橡胶剪切模量，MPa；γ为支座对应的剪应变；Wd为滞回曲线包络面积(一个荷载循环所吸收的能量)。

水平等效刚度及等效阻尼比计算结果如表4所示，图5，6为剪应变相关试验支座水平等效刚度与等效阻尼比的变化。

支座水平等效刚度及等效阻尼比的计算结果表4

由图5可以看出，随着剪应变的增大，支座的水平等效刚度先减小后增大，这是由于在一定范围随着剪应变的增大，支座核心受压区面积减小，支座中远离核心受压区的橡胶受约束程度变小，而随着剪应变的持续增大，由于支座封板与橡胶硫化在一起，约束了邻近几层橡胶的水平变形，使支座水平等效刚度变大。由图6可以看出支座的等效阻尼比随着剪应变的增大而减小，这是因为由支座刚度引起的弹性应变能的增加比支座滞回曲线面积的增加幅度快。

2.2 竖向压力对支座水平隔震性能影响

为考察竖向压力对支座水平隔震性能的影响，对支座分别施加900，1 100，1 445kN的竖向压力，水平方向施加频率为0.01Hz正弦荷载，水平加载由位移控制，支座剪应变取100%(试验工况见表3)。图7为试验测得的滞回曲线，图8、图9为不同竖向压力作用下，支座水平等效刚度与等效阻尼比的变化趋势。

由图8可看出支座的水平等效刚度随着竖向压力的增大而减小，这是由于随着竖向压力的增大，支座中间层橡胶产生一定的横向变形，使得支座中的钢板对橡胶的有效约束面积与橡胶层总面积之比减小，钢板对橡胶的约束力变小。由图9可看出支座的等效阻尼比随着竖向压力的增大而增大，这是因为随着竖向压力的增大，支座中橡胶层变得更加密实，橡胶材料中的石墨分子间的摩擦力变大使支座的耗能能力增加。

2.3 加载频率对支座水平隔震性能影响

橡胶材料为运动相关性材料，不同加载频率对支座水平隔震性能有一定的影响，为此对支座进行加载频率相关性试验，竖向施加900kN的压力，水平方向施加频率为0.005，0.01，0.05，0.1，0.2Hz的正弦荷载，水平加载采取位移控制，支座剪应变取100%(试验工况见表3)。图10为试验测得的滞回曲线。图10表明随着加载频率的增大支座的滞回曲线整体上趋于饱满，呈现出良好的双非线性。支座的水平等效刚度与等效阻尼比计算结果如表4所示。

图11，12为不同加载频率下，支座水平等效刚度与等效阻尼比的变化趋势。可看出在加载频率为0.01Hz时存在一个明显的转折点，此时支座的水平等效刚度最大，等效阻尼比最小，支座的水平隔震性能最差，而随着加载频率的增大，支座的水平等效刚度减小等效阻尼比变大，支座的力学性能趋于稳定。

图4 不同剪切位移支座的滞回曲线

图5 不同剪应变下支座水平等效刚度

图6 不同剪应变下支座水平等效阻尼比

图7 不同竖向压力下支座的滞回曲线

图8 不同竖向压力下支座水平等效刚度

图9 不同竖向压力下支座水平等效阻尼比

图10 不同水平加载频率下支座的滞回曲线

图11 不同加载频率下支座水平等效刚度

图12 不同加载频率下支座水平等效阻尼比

3 竖向隔震性能测试

3.1 加载幅值对支座竖向隔震性能影响

为研究不同加载幅值对支座竖向隔震性能的影响，对支座竖向施加700kN的预压力，以0.01Hz的加载频率对支座竖向施加三角荷载，加载幅值分100，200kN及300kN三级，竖向加载以力控制，采用3周往复循环加载，取第3个循环滞回曲线计算支座的竖向等效刚度和等效阻尼比，试验工况如表5所示。

竖向隔震性能试验工况表5

图13为支座在不同加载幅值条件下的竖向滞回曲线，可看出随着加载幅值的增加，支座的滞回曲线趋于饱满，滞回环面积有明显的增大，表明支座的耗能能力随着加载幅值的增大而增大；此外支座的滞回曲线具有明显的不对称性，这是由于支座的竖向阻尼主要来自于碟簧片之间的摩擦力，在加载过程中随着压力的增大，碟簧片之间的接触面积增加、摩擦阻尼变大，从而使滞回曲线趋于饱满；卸载过程中碟簧片之间摩擦力不断减小，碟簧片间的摩擦阻尼变小，使得滞回曲线趋于狭长。

如表6所示，参照水平等效刚度、等效阻尼比的算法计算得到竖向等效刚度及等效阻尼比计算值。图14，15为不同加载幅值条件下，支座竖向等效刚度和等效阻尼比的变化趋势。由图14，15可看出，由于碟簧的变刚度特性，支座的竖向等效刚度随着加载幅值的增大而减小；支座等效阻尼比随着加载幅值的增大有先增大后减小的趋势。

3.2 预压力对支座竖向隔震性能影响

为研究不同预压力对支座竖向隔震性能的影响，支座竖向预压力分700，900，1 100kN三级，以0.01Hz的加载频率对支座竖向施加三角荷载，加载幅值为200kN，竖向加载由力控制，试验工况如表5所示。

支座竖向等效刚度及等效阻尼比的计算结果表6

图16为支座在不同预压力下的竖向滞回曲线，可看出随着支座竖向预压力的增大，支座的滞回曲线整体有逆时针旋转的趋势；滞回环的面积减小，表明支座的竖向耗能能力随着支座竖向预压力的增大而减小。竖向等效刚度和等效阻尼比计算值如表6所示。图17，18为不同预压力下，支座竖向等效刚度和等效阻尼比的变化趋势。可看出支座的竖向等效刚度随着预压力的增大而增大，支座竖向等效阻尼比随着预压力的增大而减小。

3.3 加载频率对支座竖向隔震性能影响

为考虑加载频率对支座竖向隔震性能的影响，对支座竖向施加700kN预压力，分别以0.01，0.025，0.05，0.1，0.2Hz的加载频率对支座竖向施加三角荷载，加载幅值200kN，竖向加载由力控制，试验工况如表5所示。

图19为支座在不同加载频率下竖向滞回曲线，可看出随着支座加载频率的增大，支座的滞回曲线趋于饱满，支座的耗能能力增大。竖向等效刚度和等效阻尼比计算值如表6所示。图20，21为支座竖向等效刚度和等效阻尼比的变化趋势。可看出支座的竖向等效刚度随着加载频率的增大变化幅度很小；等效阻尼比随着加载频率的增大而增加，这是由于随着加载频率的增大，碟簧间的摩擦阻尼变大。