多级性态隔震支座滞回模型和力学性能试验研究
刘文光 许浩 冯祎鑫
摘要： 叠层橡胶支座在大变形下力学性能会有所衰减，实际工程中为满足性能要求通常需要增大橡胶支座直径。基于滑板支座和橡胶材料的力学性能特点，设计开发出一种新型高性能多级性态支座，实现较大的竖向承载性能及可靠的水平耗能能力；介绍了高性能多级性态支座的组成构造和变形机理；提出了高性能多级性态支座的水平滞回模型，探讨了支座竖向刚度与水平变形的关系，给出了回转刚度的计算公式。并对提出的装置进行了力学性能试验，试验结果表明，高性能多级性态支座具有变刚度特性，滞回特性呈现为双线性特点，在竖向高承载条件下力学性能稳定，提出的理论力学模型与试验结果吻合较好，可有效地模拟高性能多级性态支座的力学性能。
关键词： 隔震； 多级支座； 叠层橡胶支座； 静力试验
中图分类号： TU352.12； TU317.2文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2018）04-0582-09
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.04.005
引言
隔震技术通过设置柔性隔震层，延长建筑的自振周期，可有效隔绝地震能量输入，保护结构安全[1]。1994年美国Northridge地震和1995年日本KOBE地震中，观测到的隔震结构顶层加速度峰值仅为非隔震结构的20%[2]。
目前常用的隔震装置主要有叠层橡胶支座、滑板支座、摩擦摆支座等。工程上常将不同种类的隔震支座混用，并配合阻尼器以获得更优越的抗震性能。Franco Braga等对高阻尼橡胶支座-摩擦滑移组合隔震体系进行了足尺结构动力试验，采用组合隔震系统可以有效控制结构高阶振型的影响，提升结构抗震性能[3]。P Y Lin等提出了一种高阻尼橡胶支座和磁流变阻尼器组合的半主动隔震系统，基于模糊控制理论进行了振动台试验，所提出隔震系统可同时控制结构加速度和隔震层位移[4]。D Cancellara等将铅芯橡胶支座和摩擦滑板串联，形成高阻尼组合隔震系统，试验和时程分析结果表明所提出隔震装置在高峰值和低频地震作用下抗震性能优越[5]。Athanasios A Markou等采用高阻尼橡胶支座、黏弹性阻尼器和摩擦滑动支座组成混合隔震系統应用于某实际工程中，构建了新型隔震体系的计算理论并进行了地震响应分析[6]。Marco Donà1等提出了一种新型滚珠橡胶隔震装置，进行了力学性能试验并构建了设计理论[7]。吕西林等进行了叠层橡胶支座和滑板摩擦支座的组合隔震体系振动台试验研究及地震响应分析，叠层橡胶支座能自动复位，滑板摩擦隔震支座具有良好的耗能能力，验证了组合隔震体系的有效性[8-9]。杜东升等进行了高层建筑组合隔震体系的研究，并在实际高层建筑中应用了天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑移支座等隔震器[10]。范夕森等进行了组合隔震体系的力学性能试验，研究了铅芯橡胶支座和摩擦滑移支座不同比例组合的力学性能和骨架曲线[11]。邹爽等在隔震层中采用摩擦阻尼器以控制隔震层位移[12]。何文福等采用锥形金属块和黏弹性材料，开发一种非固结隔震支座，并进行了振动台试验[13]。
叠层橡胶支座的竖向抗压刚度较高而抗拉刚度较弱，输入峰值加速度较大时易发生支座受拉，分析设计时需严格控制支座的拉应力[14-15]。Gordon P Warn等在2006年对铅芯橡胶支座水平和竖向的耦合响应做了理论与试验分析，水平位移增大时橡胶支座竖向刚度会减小，大变形下竖向刚度会减小40%～50%[16]。Manish Kumar，Venkata S M等指出橡胶支座的水平刚度和拉压刚度都会受到水平位移影响，尤其是在特大地震和超设计基准地震下，水平刚度的损耗是不可恢复的，在大地震作用下应采用考虑双向耦合的支座力学模型[17-20]。
当前关于新型隔震体系的研究多以橡胶支座为主，在隔震层中混用多种装置。橡胶支座在大变形下力学性能的衰减问题仍无法得到解决，且不同类型支座的混搭使用，容易引起结构扭转和竖向轴力变化，进而影响隔震层滞回性能和结构抗震安全性[21-22]。
叠层橡胶支座发生剪切变形时，竖向刚度可用上下面相交有效面积评价[2]，如图1所示。随着剪切变形增大，内部橡胶材料的应力显著增大，如图2所示。因此，在工程中往往需要采用大尺寸的橡胶支座以满足高承载要求，而大尺寸橡胶支座成本较高且其生产需要漫长的硫化时间[23]，对大型工程的成本、工期和质量控制带来挑战，开发一种新型高承载力高性能隔震体系是很有必要的。
本文介绍了一种高性能多级性态支座（High Performance Multi-level Bearing，HPMB），通过将滑板支座与高模量橡胶体组合，可以有效地将支座的竖向承载能力与水平回复力解耦，从而实现竖向高承载力的设计需求，同时以摩擦滑动变形替代橡胶支座变形，可显著减弱支座力学性能的衰减。
HPMB主要由橡胶支座、滑动面板、限位挡块和高模量橡胶体组成，其基本构造如图3所示。橡胶支座与下连接板以螺栓连接，在橡胶支座周围呈中心对称布置高模量橡胶体，分别与上、下连接板螺栓连接，高模量橡胶体的数量可由具体工程需要再行设计。橡胶支座的上封板镶嵌一块滑动面板，滑动面板与上连接板接触且可自由滑动，选用不同材料的滑动面板可得到多种摩擦性能。限位挡块固定在上连接板上，大变形状态下，限位挡块可推动橡胶支座继续变形，增强水平恢复力。
高模量橡胶体第一形状系数较小，其竖向刚度较弱，HPMB的竖向荷载主要由橡胶支座承担，高模量橡胶体主要提供水平恢复力，由此实现了竖向性能与水平性能的解耦。
2HPMB的力学模型
2.1水平变形状态分析在压剪变形状态下，HPMB的水平回复力包括高模量橡胶体的弹性力F1，橡胶支座的弹性力F2，以及滑动面板的摩擦力f，HPMB的水平变形记为δh。
在初始卸载阶段，上连接板与滑动面板不发生滑动，二者协同变形，直至橡胶支座变形恢复为0，此时F2=f=0；随着卸载继续进行，橡胶支座在静摩擦力的作用下发生变形，此时F2=f静<fmax，上连接板与滑动面板仍没有相对滑动；hpmb变形回复为0时，橡胶支座在静摩擦力的作用下存在反向的残余变形，为减小残余变形的影响，可适当增大橡胶支座的刚度，同时在震后对隔震层进行检修。
摘要： 叠层橡胶支座在大变形下力学性能会有所衰减，实际工程中为满足性能要求通常需要增大橡胶支座直径。基于滑板支座和橡胶材料的力学性能特点，设计开发出一种新型高性能多级性态支座，实现较大的竖向承载性能及可靠的水平耗能能力；介绍了高性能多级性态支座的组成构造和变形机理；提出了高性能多级性态支座的水平滞回模型，探讨了支座竖向刚度与水平变形的关系，给出了回转刚度的计算公式。并对提出的装置进行了力学性能试验，试验结果表明，高性能多级性态支座具有变刚度特性，滞回特性呈现为双线性特点，在竖向高承载条件下力学性能稳定，提出的理论力学模型与试验结果吻合较好，可有效地模拟高性能多级性态支座的力学性能。
关键词： 隔震； 多级支座； 叠层橡胶支座； 静力试验
中图分类号： TU352.12； TU317.2文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2018）04-0582-09
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.04.005
引言
隔震技术通过设置柔性隔震层，延长建筑的自振周期，可有效隔绝地震能量输入，保护结构安全[1]。1994年美国Northridge地震和1995年日本KOBE地震中，观测到的隔震结构顶层加速度峰值仅为非隔震结构的20%[2]。
目前常用的隔震装置主要有叠层橡胶支座、滑板支座、摩擦摆支座等。工程上常将不同种类的隔震支座混用，并配合阻尼器以获得更优越的抗震性能。Franco Braga等对高阻尼橡胶支座-摩擦滑移组合隔震体系进行了足尺结构动力试验，采用组合隔震系统可以有效控制结构高阶振型的影响，提升结构抗震性能[3]。P Y Lin等提出了一种高阻尼橡胶支座和磁流变阻尼器组合的半主动隔震系统，基于模糊控制理论进行了振动台试验，所提出隔震系统可同时控制结构加速度和隔震层位移[4]。D Cancellara等将铅芯橡胶支座和摩擦滑板串联，形成高阻尼组合隔震系统，试验和时程分析结果表明所提出隔震装置在高峰值和低频地震作用下抗震性能优越[5]。Athanasios A Markou等采用高阻尼橡胶支座、黏弹性阻尼器和摩擦滑动支座组成混合隔震系統应用于某实际工程中，构建了新型隔震体系的计算理论并进行了地震响应分析[6]。Marco Donà1等提出了一种新型滚珠橡胶隔震装置，进行了力学性能试验并构建了设计理论[7]。吕西林等进行了叠层橡胶支座和滑板摩擦支座的组合隔震体系振动台试验研究及地震响应分析，叠层橡胶支座能自动复位，滑板摩擦隔震支座具有良好的耗能能力，验证了组合隔震体系的有效性[8-9]。杜东升等进行了高层建筑组合隔震体系的研究，并在实际高层建筑中应用了天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑移支座等隔震器[10]。范夕森等进行了组合隔震体系的力学性能试验，研究了铅芯橡胶支座和摩擦滑移支座不同比例组合的力学性能和骨架曲线[11]。邹爽等在隔震层中采用摩擦阻尼器以控制隔震层位移[12]。何文福等采用锥形金属块和黏弹性材料，开发一种非固结隔震支座，并进行了振动台试验[13]。
叠层橡胶支座的竖向抗压刚度较高而抗拉刚度较弱，输入峰值加速度较大时易发生支座受拉，分析设计时需严格控制支座的拉应力[14-15]。Gordon P Warn等在2006年对铅芯橡胶支座水平和竖向的耦合响应做了理论与试验分析，水平位移增大时橡胶支座竖向刚度会减小，大变形下竖向刚度会减小40%～50%[16]。Manish Kumar，Venkata S M等指出橡胶支座的水平刚度和拉压刚度都会受到水平位移影响，尤其是在特大地震和超设计基准地震下，水平刚度的损耗是不可恢复的，在大地震作用下应采用考虑双向耦合的支座力学模型[17-20]。
当前关于新型隔震体系的研究多以橡胶支座为主，在隔震层中混用多种装置。橡胶支座在大变形下力学性能的衰减问题仍无法得到解决，且不同类型支座的混搭使用，容易引起结构扭转和竖向轴力变化，进而影响隔震层滞回性能和结构抗震安全性[21-22]。
叠层橡胶支座发生剪切变形时，竖向刚度可用上下面相交有效面积评价[2]，如图1所示。随着剪切变形增大，内部橡胶材料的应力显著增大，如图2所示。因此，在工程中往往需要采用大尺寸的橡胶支座以满足高承载要求，而大尺寸橡胶支座成本较高且其生产需要漫长的硫化时间[23]，对大型工程的成本、工期和质量控制带来挑战，开发一种新型高承载力高性能隔震体系是很有必要的。
本文介绍了一种高性能多级性态支座（High Performance Multi-level Bearing，HPMB），通过将滑板支座与高模量橡胶体组合，可以有效地将支座的竖向承载能力与水平回复力解耦，从而实现竖向高承载力的设计需求，同时以摩擦滑动变形替代橡胶支座变形，可显著减弱支座力学性能的衰减。
HPMB主要由橡胶支座、滑动面板、限位挡块和高模量橡胶体组成，其基本构造如图3所示。橡胶支座与下连接板以螺栓连接，在橡胶支座周围呈中心对称布置高模量橡胶体，分别与上、下连接板螺栓连接，高模量橡胶体的数量可由具体工程需要再行设计。橡胶支座的上封板镶嵌一块滑动面板，滑动面板与上连接板接触且可自由滑动，选用不同材料的滑动面板可得到多种摩擦性能。限位挡块固定在上连接板上，大变形状态下，限位挡块可推动橡胶支座继续变形，增强水平恢复力。
高模量橡胶体第一形状系数较小，其竖向刚度较弱，HPMB的竖向荷载主要由橡胶支座承担，高模量橡胶体主要提供水平恢复力，由此实现了竖向性能与水平性能的解耦。
2HPMB的力学模型
2.1水平变形状态分析在压剪变形状态下，HPMB的水平回复力包括高模量橡胶体的弹性力F1，橡胶支座的弹性力F2，以及滑动面板的摩擦力f，HPMB的水平变形记为δh。
在初始卸载阶段，上连接板与滑动面板不发生滑动，二者协同变形，直至橡胶支座变形恢复为0，此时F2=f=0；随着卸载继续进行，橡胶支座在静摩擦力的作用下发生变形，此时F2=f静<fmax，上连接板与滑动面板仍没有相对滑动；hpmb变形回复为0时，橡胶支座在静摩擦力的作用下存在反向的残余变形，为减小残余变形的影响，可适当增大橡胶支座的刚度，同时在震后对隔震层进行检修。
