高阻尼厚层橡胶支座力学性能试验研究

祖萍萍，张 巍，雷亚辉，顾镇媛，袁小军，孙 昊

（1.江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008；2.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210033；3.西安三好软件技术股份有限公司，陕西 西安 710018；4.南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019；5.淮安新业电力建设有限公司，江苏 淮安 223021）

0 引言

目前，橡胶隔震体系在基础隔震技术中应用最为广泛、技术最为成熟。高阻尼橡胶支座满足社会对隔震支座的高性能需求［1，2］，同时具备构造简单、力学性能稳定、耗能能力强、屈服前刚度大、环保有利等优点，成为隔震支座的优良之选。与普通橡胶支座相比，高阻尼橡胶支座具有较高的等效阻尼比［3，4］，目前可做到 20 % 甚至更高，且因为无需搭配阻尼器使用，可以节省安装空间。与铅芯橡胶支座相比，高阻尼橡胶支座更加环保，另外后者屈服前刚度更大，对结构所受风荷载制动效果更好；当地震作用于结构时，高阻尼橡胶支座产生较大变形，刚度减小，可以实现更好的隔震效果。

普通橡胶支座、铅芯橡胶支座及高阻尼橡胶支座一般均为水平隔震支座，一般可降低结构水平地震加速度反应的 60 % 左右，但不能有效降低甚至会放大其竖向地震作用。而国内外近年发生的（特）大地震表明，高烈度区、尤其在近断层附近地震区产生了较强的竖向地震动，甚至可能超过水平地震作用分量。隔震建筑降低水平地震作用后，峰值较高的竖向地震动便成为结构破坏的主要诱因。因此，竖向隔震技术成为国内外学者研究的热点问题［5］，相对于水平隔震技术，竖向隔震技术的发展较为缓慢。国内外学者提出并研制了一些装置，可以实现建筑结构的竖向或三维隔震［6-9］。但现存装置有些造型较复杂难加工，且价格昂贵；有些还需额外的竖向附加阻尼器，加大了支座的竖向刚度，不利于竖向隔震。

厚层橡胶支座是重要的竖向隔震形式之一［10-12］。与普通橡胶支座相比，厚层橡胶支座橡胶层厚度明显增大，一般后者为前者的 4～6 倍。厚层橡胶支座竖向刚度小，可有效延长结构竖向周期。综合高阻尼橡胶材料支座和厚层橡胶支座的优点，本文设计了高阻尼厚层橡胶支座，研究支座的基本力学性能特点，并基于试验结果提出了关于高阻尼厚层橡胶支座竖向刚度的理论公式修正。

1 支座力学性能理论

根据橡胶支座国家标准［13］，支座第一形状系数 S1 等于橡胶层有效承压面及其内部所开孔洞直径的差值除以 4 倍的单层橡胶厚度，其值越大支座的竖向刚度越大，表明钢板对橡胶的约束程度越强，承载能力越大；支座第二形状系数 S2 等于橡胶层有效承压面积的直径除以橡胶层总厚度，其值越大表明支座水平刚度越大、稳定性越好。

在竖向压缩荷载作用下，普通橡胶支座橡胶层受到钢板的约束，因此竖向变形较小，记单层橡胶的压缩刚度为kc，则支座竖向刚度见式（1）。

其中：tr、n分别为内部单层橡胶厚度和橡胶总层数；A为橡胶有效承载面积；Ecb为修正的表观弹性常数，与橡胶的体积弹性模量Eb（可参考英国标准和文献［14］取值）和表观弹性模量Ec相关，计算公式见式（2）。

橡胶隔震支座的水平刚度KH可按 Haringx 理论［15］计算，见式（3）。

式中：W d为剪力-位移滞回曲线的包络面积，通过试验确定取值。

2 压缩性能和剪切性能试验

2.1 试验概况

本次试验试件采用国内某厂家生产的高阻尼厚层橡胶支座，试验所用的多功能电液伺服加载系统及支座构造如图 1、图 2 所示。支座所用高阻尼橡胶材料配比为 50 %，硬度为 56 度，剪切模量G为 0.64 MPa；钢板均采用 Q235，支座参数如表 1 所示。

2.2 竖向压缩性能试验

表1 高阻尼厚层橡胶支座基本参数

图1 试验加载装置

图2 高阻尼厚层橡胶支座模型（单位：mm）

在 0.01、0.02、0.05 Hz 和 0.1 Hz 这四种加载频率下，对高阻尼厚层橡胶支座进行了不同预压力、不同竖向压力下的竖向压缩性能试验。在P±0.3P范围内对支座的每个工况进行 4 个循环的加载卸载，加载 2 模式如图 3 所示。

图3 竖向压缩性能试验加载模式图

在 4 种加载频率下，对高阻尼厚层橡胶支座分别施加 2 900、3 400、3 700 kN 的竖向压力，得到的荷载-位移曲线如图 4 所示。可以看出，高阻尼厚层橡胶支座的竖向压缩位移随着竖向压力的增加而增加；加载频率较低时，加载频率对支座竖向压缩位移的影响很小，而较高的加载频率（0.1 Hz）对支座的竖向压缩位移影响较大，导致不同竖向压力下支座的竖向压缩位移明显增大或者减小。

图4 无预压力下竖向压缩荷载-位移曲线

当加载频率为 0.1 Hz、竖向压力P为 3 400 kN 时，对高阻尼厚层橡胶支座分别施加 1 700、2 040、2 720 kN 的预压力，相应的加载幅值分别为 1 700、1 360、680 kN，得到的竖向滞回曲线如图 5 示。从图 5 中可以看出，随着预压力的增大，高阻尼厚层橡胶支座竖向滞回曲线趋于饱满，但这一现象不够明显；当预压力较大（2 720 kN）时，支座滞回曲线振荡明显。

图5 不同预压力下竖向压缩荷载-位移曲线

高阻尼厚层橡胶支座在不同加载频率下、不同预压力、不同竖向压力下的竖向压缩荷载-位移曲线循环的第 3 次结果，竖向刚度见式（7）。

式中：P1、P2为第 3 次循环时的较小压力、较大压力，分别取 1.3P和 0.7P；Y1、Y2为第 3 次循环时的较小位移、较大位移。

在无预应力试验工况下，高阻尼厚层橡胶支座竖向刚度的计算结果如表 2 所示。从表 2 中可以看出：在加载频率相同的情况下，支座的竖向刚度随着竖向压力的增大而增大，这是由于高阻尼厚层橡胶支座钢板的约束作用增大，橡胶在三向受压的状态下压缩模量随之增大。支座竖向刚度随着加载频率的增大而增大，与加载频率 0.01 Hz 情况下相比，加载频率为 0.02 Hz 时，不同竖向压力下支座竖向刚度增大了 1.3 %～3.3 %；加载频率为 0.05 Hz 时，支座竖向刚度增大了 8.1%～9.2 %；当加载频率较高（0.1 H z）时，支座竖向刚度增大了 18.2 %～21.9 %。

表2 无预压力情况下支座竖向刚度 kN/mm

表 3 列出了有预压力（总竖向压力为 2 900 kN）情况下支座的竖向刚度。从表 3 可以看出预压力对高阻尼厚层橡胶支座的竖向刚度影响较大，而随着预压力的增大，支座的竖向刚度也随之增大，甚至出现超过无预压情况下支座竖向刚度的现象。

表3 有预压力情况下支座竖向刚度 kN/mm

计算不同工况下支座竖向刚度的理论值，表 4 仅列出加载频率为 0.1 Hz、无预压情况下支座的竖向刚度计算结果对比。

表4 支座竖向刚度理论值与试验值对比

2.3 支座水平剪切性能试验

在 3 400 kN 的恒定轴向竖向压力下，施加剪应变γ=100 % 的剪切位移测定高阻尼厚层橡胶支座的剪切性能，加载频率为 0.01 Hz 和 0.008 2 Hz。试验进行 4 次加载循环，得到的荷载-位移曲线如图 6 所示。从图 6 中可以看出，滞回曲线饱满，呈月牙形，且水平加载频率较小时，支座在多圈加载下状态更加稳定。

图6 水平荷载-位移曲线

记Q1、Q2为支座受到最大剪力、最小剪力，X1、X2为支座受到最大正向位移、最大负向位移。取第3次循环的测试值，按照式（8）计算支座的水平等效刚度，按式（6）计算支座的等效阻尼比。支座水平等效刚度及等效阻尼比如表 5 所示。

由表 5 可知，高阻尼厚层橡胶支座水平等效刚度、水平等效阻尼比的试验值均小于理论计算值，且误差均＜20 %，因此支座设计满足规范要求。支座水平等效刚度受到加载频率的影响，频率越低，水平等效刚度越小，支座的等效阻尼比均在 9 % 左右，具有良好的耗能能力。

表5 支座水平等效刚度和等效阻尼比

2.4 支座剪切性能相关试验

2.4.1 剪应变相关性试验

试验中，竖向缓慢、连续施加压力至 3 400 kN，并保持压力值不变，测定 0.01 Hz 和 0.008 2 Hz 频率下，剪应变分别为 25 %、50 %、75 %、100 %时支座的水平等效刚度和等效阻尼比，支座的水平荷载-位移曲线如图 7 所示，可以看出，加载频率越大，支座的水平滞回曲线越饱满。

图7 不同剪应变下水平荷载-位移曲线

不同剪应变下，支座耗能的试验结果如图 8 所示，支座的等效阻尼比和水平等效刚度按式（6）和式（8）进行计算，结果如图 9 和图 10 所示。

由图 8～图 10 可知，支座的水平耗能随着剪应变的增大而随之增大，加载频率仅在剪应变较大（γ=100 %）时对支座的水平耗能有影响，且影响较小。支座的水平等效刚度试验值随着剪应变的增大先降低后增大，当剪应变较小时，等效刚度较大，当剪应变较大时（50 %<γ<75 %），等效刚度较小，而当等效刚度继续加大时（γ=100 %），等效刚度又缓慢增大。支座的等效阻尼比则随着剪应变的增大呈现先增大后减小的趋势。

图8 不同剪应变下支座的水平耗能（kN·mm）

图9 不同剪应变下支座水平等效刚度（kN/mm）

图10 不同剪应变下支座等效阻尼比（%）

2.4.2 竖向压力相关性试验

在 0.01 Hz 加载频率和 100 % 剪应变下，对支座分别施加 3 400、4 250、5 100 kN 的竖向压力，试验得到支座的水平滞回曲线如图 11 所示。

不同压力下支座的水平等效刚度和水平等效阻尼比的试验计算结果如表 6 所示。由图表可知，竖向压力越大，支座的水平滞回曲线越饱满。支座的水平等效刚度随着竖向压力的增加先增大后减小，而水平等效阻尼比随着竖向压力的增大而增大，这是因为较大的竖向压力让橡胶层的三向应力值提高，当承受水平变形时，橡胶的非弹性更加明显，导致橡胶的等效阻尼比变大。

表6 不同竖向压力下支座水平等效刚度和等效阻尼比

图11 支座竖向滞回曲线

3 竖向刚度修正

由表 4 可以看出，高阻尼厚层橡胶支座的竖向刚度试验值均比理论值偏大，这是因为，当橡胶总厚度相同时，普通薄层橡胶支座在压力作用下，橡胶受到钢板的约束作用明显，支座的竖向刚度较大；而厚层橡胶支座的单层橡胶厚度较大，钢板对橡胶的约束作用有限，橡胶产生较大的横向变形，其竖向刚度较小。高阻尼厚层橡胶支座的竖向刚度试验值与按规范计算的理论值误差太大，已经不能适应工程设计的要求，因此有必要对理论值进行修正。

经研究，支座竖向刚度的试验值与理论值误差与压应力和支座的S1有关，对理论公式进行修正，修正公式参照文献［18］见式（9）、式（10）。

式中：C为修正系数，可通过试验拟合得到；σ0为设计压力。

得到支座竖向刚度理论修正值，与试验值对比结果如表 7 所示。支座竖向刚度试验值及修正值随压力变化的情况如图 12 所示。由图表可以看出，修正之后的竖向刚度均略小于试验值，与试验值误差均＜25 %，修正方法基本可行；竖向压力越小，支座竖向刚度的修正值与试验值误差越小。

表7 支座竖向刚度理论修正值与试验值对比

图12 支座竖向刚度修正值与理论值的误差对比

4 结论

通过试验研究，分析了竖向压力、预压力、剪应变、加载频率对高阻尼厚层橡胶支座力学性能的影响，主要得到以下结论。

1）竖向和水平剪切荷载作用下，支座的滞回曲线饱满，表明支座耗能性能良好且稳定。

2）支座的竖向刚度随着竖向压力、预压力、加载频率的增大而增大，且加载频率较高时对支座竖向刚度的影响更大，刚度增加幅度在 20 % 左右。

3）支座的水平等效刚度随着剪应变的增大先降低后增大，等效阻尼比则随着剪应变的增大呈现先增大后减小的趋势。支座的水平力学性能受加载频率的影响较小，不同加载频率下的差距在 5 % 以内。随着竖向压力的增大，支座耗能能力增大。

4）支座的竖向刚度试验值与理论值误差太大，已经不能适应工程设计的要求，对理论值进行了修正，修正之后的竖向刚度均略小于试验值，与试验值误差均＜25 %，修正方法基本可行。Q