高阻尼橡胶支座竖向刚度试验研究

王建强1，魏明明2，李  政1，刘耀东1，赵  军1

（1．郑州大学土木工程学院，河南郑州450001；2．郑州市公共交

通总公司，河南郑州450002）

[摘要]对高阻尼橡胶支座的竖向刚度进行了试验研究，分析了支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响。结果表明，高阻尼橡胶支座具有稳定的竖向承载能力和变形性能；在纯压状态下，支座的竖向刚度随着竖向压应力的增大近似呈线性增大；在偏压状态下，随着支座剪切应变的增大，在相同竖向压应力作用下支座的竖向刚度近似呈线性减小，并且在

不同竖向压应力作用下，支座竖向刚度的减小幅度基本一致。

 [关键词]高阻尼橡胶支座；竖向刚度；竖向压应力；剪切应变；试验研究

 [中图分类号]  TU352.1 

0  引言

 近年来全球多次发生强烈地震，造成了重大的人员伤亡和财产损失，亟待提高工程结构的抗震能力。目前，隔震技术在房屋建筑和桥梁工程中得到了广泛的应用，并在多次实际地震中表现出良好的隔震效果。常用的隔震支座主要是铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座。高阻尼橡胶支座是在橡胶中加入一些特殊材料，如石墨等，使橡胶材料的粘滞性增大，耗能能力增强，从而替代铅芯橡胶支座中的铅芯，以避免对环境造成污染，并且高阻尼橡胶支座的初始刚度较大，更有利于保证支座在风荷载和较小地震作用下的稳定性。

 Tsai等对高阻尼橡胶支座的剪切性能进行了试验研究，分析了加载速度及剪切变形等对支座剪切性能的影响，提出了支座的水平恢复力模型，与试验结果吻合较好。Burtscher等对不同形式的高阻尼橡胶支座的力学性能进行了试验研究，分析了支座形状系数和钢板形式对支座竖向刚度和水平剪切性能的影响，表明支座形状系数和钢板形式对支座力学性能有较大影响。Masashi Yamamoto等对高阻尼橡胶支座的水平剪切性能进行了试验研究，分析了双向耦合效应对支座剪切性能的影响，并提出了支座的水平恢复力模型，与试验结果吻合较好。庄学真等对高阻尼橡胶支座的竖向刚度和水平剪切性能进行了试验研究，分析了纯压状态下支座的竖向刚度，研究了水平剪切变形对支座剪切性能的影响，表明高阻尼橡胶支座具有稳定的竖向刚度和较强的耗能性能。袁涌等研究了水平加载频率和加载经历对高阻尼橡胶支座剪切性能的影响，表明水平加载频率对支座水平等效刚度影响较大，但其对支座等效阻尼比影响较小，而加载经历对支座水平等效刚度和等效阻尼比影响较大。沈朝勇等对高阻尼橡胶支座的水平剪切性能进行了试验研究，分析了支座水平剪切变形、竖向压力和水平加载频率等对支座剪切性能的影响，表明剪切变形、竖向压力和水平加载频率等对支座水平等效刚度、屈服后刚度和等效阻尼比等有一定影响。陈彦江等对高阻尼橡胶支座进行了力学性能试验，研究了纯压状态下竖向压力对支座竖向刚度的影响，分析了竖向压力和水平剪切变形等对支座水平剪切性能的影响，表明竖向压力对支座竖向刚度和水平等效刚度和等效阻尼比等有一定影响，剪切变形对支座的水平等效刚度有较大影响。

 综上所述，目前研究人员对高阻尼橡胶支座的水平剪切性能和纯压状态下的竖向刚度进行了较为深入的研究，但对偏压状态下支座竖向刚度的研究则较少，然而在地震中支座将产生剪切变形，支座的竖向力学性能将会有所不同，因而，本文将对高阻尼橡胶支座的竖向刚度进行试验研究，分析支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响。

1试验概况

 本试验采用HDR200型高阻尼橡胶支座，支座构造如图1所示，支座参数见表1。试验加载设备包括：竖向加载采用1台1500kN电液伺服作动器，行程为±250mm；水平加载采用1台500kN电液伺服作动器，行程为±125mm；竖向加载和水平加载可同时进行，加载方式为荷载或位移，输入波形为正弦波、三角波、梯形波、斜波、组合波、地震波等。本试

验对高阻尼橡胶支座的竖向刚度进行研究，竖向加载采用荷载控制，水平加载采用位移控制，试验方法采用国家标准《隔震橡胶支座试验方法》( GB/T20688. 1-2007)中有关支座压缩性能试验所推荐的方法2，如图2所示，即：0-P0-P2-P0-P1（第1次加载），P1-P0-P2-P0-P1（第2次加载），P1-P0-P2-P0-P1（第3次加载），其中Po为设计压力，P2为1.3P0，P1为0.7P0。同时，根据《隔震橡胶支座试验方法》( GB/T 20688. 1-2007)的要求在加载平台两侧沿支座对称设置两个位移传感器，用于测量支座的竖向位移。支座的竖向压应力分别为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa和18MPa，竖向荷载和水平位移均采用正弦加载，加载频率均为0. 01Hz，具体工况如下所示：

 1)工况1：支座在纯压状态下的竖向刚度试验，首先对支座施加竖向压力P0，而后按照试验方法对支座在±0. 3P0范围内加载、卸载循环4次，取第3次循环的结果计算竖向刚度，最后对支座进行卸载。

 2)工况2：支座在偏压状态下的竖向刚度试验，首先对支座施加1. 5MPa的竖向压应力，再对支座施加水平位移X0，使支座的剪切应变分别为50%、100%、150%和200%，继续对支座施加荷载至竖向压力为P0，而后按照试验方法对支座在±0.3P0范围内加载、卸载循环4次，取第3次循环的结果计算竖向刚度，加载完成后支座竖向压应力卸载至1. 5MPa，支座水平回复原位，最后对支座进行卸载。

 高阻尼橡胶支座的竖向压缩刚度按式(1)计算：

式中：P1为第3次循环时的较小压力；P2第3次循环时的较大压力；Y1为第3次循环时的较小位移；Y2为第3次循环时的较大位移。

2试验结果分析

2.1  纯压状态下支座竖向刚度

 对高阻尼橡胶支座进行纯压状态下的竖向刚度试验研究，竖向压应力为12MPa时支座竖向荷载与竖向位移的关系曲线如图3所示，支座的竖向刚度如图4所示。

 由图3可以看出，高阻尼橡胶支座在竖向加载过程中，支座的4次竖向荷载和竖向位移关系曲线几乎重合在一起，并且支座在加载过程中未出现破坏，卸载后支座基本恢复原状，表明支座具有稳定的竖向承载能力和变形性能。

 由图4可以看出，在纯压状态下支座的竖向刚度随着竖向压应力的增大而显著增大，近似呈线性关系，竖向压应力由3MPa增大至18MPa时，支座的竖向刚度由1. 42×105 k N/m增至6.83×105 k N/m，竖向刚度增大了约3.8倍。

2.2偏压状态下支座竖向刚度

 对高阻尼橡胶支座进行偏压状态下的竖向刚度试验研究，竖向压应力为12MPa时各剪切应变状态下支座竖向荷载与竖向位移的关系曲线如图5所示，支座在不同竖向压应力和剪切应变状态下的竖向刚度如图6所示。

 由图5可以看出，高阻尼橡胶支座在竖向加载过程中，在不同剪切应变下支座的4次竖向荷载和竖向位移关系曲线均几乎重合在一起，并且随着支座剪切应变的增大，支座竖向荷载和竖向位移关系曲线的斜率逐渐减小，支座的竖向刚度逐渐减小。同时，在各工况加载过程中支座均未出现破坏，卸载后支座均能基本恢复原状，表明支座在不同剪切应变下均具有稳定的竖向承载能力和变形性能。由图6可以看出，在不同竖向压应力作用下，随着支座剪

切应变的增大，支座的竖向刚度近似呈线性减小，并且在不同竖向压应力作用下，支座竖向刚度的减小幅度基本一致，如：竖向压应力为3MPa时，支座剪切应变由0增大至200%，支座的竖向刚度由1.42×105 k N/m减小至1.06×105 k N/m，减小了约25%；竖向压应力为18MPa时，支座剪切应变由0增大至200%，支座的竖向刚度由6.83×105kN/m减小至5. 60×105 k N/m，减小了约20%。

3  结论

 通过对高阻尼橡胶支座在纯压和偏压状态下竖向刚度的试验研究，分析了支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响，得出了以下主要结论：

 1)在纯压和偏压状态下，在竖向加载过程中高阻尼橡胶支座具有稳定的竖向承载能力和变形性能。

 2)在纯压状态下，高阻尼橡胶支座的竖向刚度随着竖向压应力的增大而显著增大，近似呈线性关系；在偏压状态下，随着支座剪切应变的增大，在相同竖向压应力作用下支座的竖向刚度近似呈线性减小，并且在不同竖向压应力作用下，支座竖向刚度的减小幅度基本一致。