橡膠座非線性彈性壓縮特性的理論和試驗研究

1、文章編號 :100021301 (2003) 052 01962 09橡膠座非線性彈性壓縮特性的理論和試驗研究劉文光1 ,楊巧榮1 ,馮德民2( 1 . 廣州大學(xué)工程抗震研究中心 ,廣東 廣州 510405 中國 ; 2 . 株式會社藤田技術(shù)中心 神奈川 厚木 224 - 0125 ,日本)摘要 :本文系統(tǒng)地研究分析了與橡膠隔震支座 (以下簡稱為橡膠座) 壓縮特性有關(guān)的基礎(chǔ)理論 ,提出了 原點縱向壓縮彈性模量 、 原點壓縮剛度 、

2、 偏壓彈性模量 、 偏壓豎向剛度的基本概念 ,同時還提出了計算 剪切變形狀態(tài)下橡膠座豎向剛度的計算理論 ?；诩儔嚎s原點豎向剛度和偏壓原點剛度理論 ,提出 了預(yù)測橡膠座壓縮變形量的計算理論 。文中針對新提出的概念和計算理論采用天然橡膠和鉛芯橡膠 座共計 16 個原型試件進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究工作 ,試驗結(jié)果表明本文建立的計算理論能夠較理想地 定量分析橡膠座的剛度和變形特性 。關(guān)鍵詞 :非線性彈性 ;橡膠座 ;原點壓縮剛度 ;偏壓豎向剛度中

3、圖分類號 : P315 . 966 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :ATheoret ical an d experimental studieson nonl inear ela st ic compression property of rubber isolatorsL IU Wen2guang1 , YAN G Qiao2ro ng1 , F EN G De2min2( 1 . Guangzho u U nivers

4、it y , Guangzho u 510405 ,China ; 2 . Technology Develop ment Divisio n of FujitaCo rpo ratio n , 243 - 0125 , Kanagawa At sugi 243 - 0125 , J apan)Abstract :The co mp ressio n p ropert y t heo ry of r

5、ubber bearings is systemetically researched in t he paper . A seriesof basic co ncep t s , such as o rigin co mp ressio n stiff ness , o rigin co mp ressio n lo ngit udinal elastic mo dulus , biasingp ressur

6、e vertical stiff ness , etc. are suggested wit h co rrespo nding t heo retical fo r mulas and testing estimatio n met ho ds. Based o n t he basic co ncep t and calculating t heo ry suggested newly , t

7、he defo r matio n calculating t heo ry related to p ure co mp ressio n state and shear2 co mp ressio n state of isolating bearing is established. The vertical stiff ness , biasing p ressure vertical stiff ness and de

8、fo r matio n test s are perfo r med wit h nat ural rubber bearings and lead plug rubber bearings , in o rder to verif y t he new co ncep t s and co mp utatio n mo del of rubber isolato rs. All test result

9、s show t hat t he t heo ry established in t he paper is effective to analyze t he stiff ness and defo r matio n of rubber isolato rs.K ey words :rubber isolato rs ; no nlinear elasticity ;o rigin co mp ressio

10、 n stiff ness ; biasing p ressure vertical stiff ness1 引言橡膠座是由薄橡膠層和薄鋼板層交互疊置經(jīng)高溫加壓硫化制作而成的隔震器材 ,與建筑物其他構(gòu)件相 比 ,其力學(xué)性能具有穩(wěn)定性良好 、 可靠程度高的特點 。Gent ,Lindley (1981 年) 提出了橡膠座豎向剛度計算理 論 ,計算理論基于橡膠體非壓縮性的彈性理論建立1 。目前各國都采用這一豎向剛度計算理論進(jìn)行

11、設(shè)計和收稿日期 :2003208210 ; 修回日期 :2003209224基金項目 :建設(shè)部項目 ( 20030506) ,廣東省建設(shè)廳項目 ( 200391)作者簡介 :劉文光 ( 1968 - ) ,副教授 ,博士 ,主要從事工程抗震研究地 震 工 程 與 工 程 振 動 23 卷 198橡膠座原點壓縮剛度與標(biāo)準(zhǔn)豎向剛度的試驗評價方法如圖 2 所示 ,原點壓縮剛度等于設(shè)定豎向荷載與相應(yīng)的

12、豎向變形的比值P0 Kv = δ 0( ) 93 剪切變形狀態(tài)豎向性能評價3 . 1 偏壓豎向剛度的概念和計算理論上一節(jié)研究了橡膠座剪切應(yīng)變 γ= 0 狀態(tài)下的豎向剛度特性 ,本節(jié)研究伴隨不同剪切應(yīng)變狀態(tài)下隔震支座的豎向剛度特性及計算式 ,這種狀態(tài)的豎圖 2 原點壓縮剛度的試驗評價方法 向剛度定義為偏壓豎向剛度 ,如圖 3 所示 。 橡膠座在壓縮及剪切應(yīng)力狀態(tài)下 ,產(chǎn)生水平位移 δ,支座上下面產(chǎn)生錯動使支座相交有效面積減少

13、 ,支座豎向剛度產(chǎn)生變化 。當(dāng)不考慮橡膠座中孔對剛度的影響時 ,對式 (3) 展開可以得到 :π Kv = 4 φGD S 1 S 2 ( 10)式中 S 2 為第二形狀系數(shù) ( S 2 = D/ n t R) 。藤田隆史 、 飯冢真巨等先后提出了橡膠座剪切狀態(tài)下偏壓豎向剛度的計算式5 6式為 :。藤田隆史以橡膠支座有效面積代替支座面積提出豎向剛度計算EcbA e ( 11) Kv , s = n t r式中 :δ

14、 h δ h ( ) D- 1 δ h2 A e = 1 - 2 A ( 12) 1 - + sin ( ) D π D式 (12) 的物理意義為橡膠座的豎向剛度與隔震支座上下面相交面積與截面面積比成比例 。該公式計算簡便 ,不少文獻(xiàn)至今作為豎向剛度的計算式 ,但該計算式隨剪切變形的增加與試驗結(jié)果的差顯著增加 ,在剪切變形 γ = 200 %時的理論計算值與試驗 結(jié)果的誤差超過 105 %7 。考察剛度因子計算展

15、開式 (10) ,在橡膠材料 、 形狀系數(shù)相同的條件下 ,隔震支座豎向剛度與直徑成正比(壓縮剛度因子按常數(shù)考慮) ,如圖 4 所示 。因此 ,剪切變形狀態(tài)下偏壓豎向剛度計算式為 :圖 3 豎向剛度計算簡圖A e EcbAEcb A e φ L S 1 Kh0 ( 13) Kv , s = = A A e n t = A n t A r r圖 5 為式 (13) 與藤田計算理論偏壓豎向剛度降低率的比較圖 ,