1 緒論

1.1 引言
我國(guó)是世界上的多地震國(guó)家之一。從古至今，地震這種突發(fā)性、毀滅性的自然災(zāi)害，一直對(duì)人類生存和社會(huì)安定構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，人口逐漸向城市聚集，地震災(zāi)害給城市帶來的是更嚴(yán)重甚至是毀滅性的破壞。我國(guó)經(jīng)歷的幾次大地震，如邢臺(tái)地震、海城地震、唐山大地震、汶川地震、青海玉樹地震、四川雅安地震等，世界其他國(guó)家經(jīng)歷的幾次大地震，如前蘇聯(lián)亞美尼亞大地震、美國(guó)加州大地震、印尼大地震、日本阪神大地震、福島地震等都造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地震巨大的能量不僅會(huì)造成建筑物和各種設(shè)施的破壞與倒塌，而且隨著城市現(xiàn)代化與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，地震誘發(fā)的次生災(zāi)害中因交通及其他設(shè)施的毀壞造成的經(jīng)濟(jì)損失也十分巨大[1]。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的大量聚集使得抗震防災(zāi)問題更為突出，各國(guó)對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震的研究也更為重視。在結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域，尋求更有效的抗震手段來抵抗地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞一直是抗震研究的主要課題。為了有效的抵抗地震作用，我們的抗震設(shè)計(jì)方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度和變形能力向減輕地震作用和改善結(jié)構(gòu)延性方向轉(zhuǎn)變。減隔震技術(shù)就是這樣一種有效的抗震設(shè)計(jì)方法。減隔震技術(shù)是通過減震、隔震裝置來消耗地震能量，同時(shí)阻止振動(dòng)在結(jié)構(gòu)上的傳播。減隔震設(shè)計(jì)思想體系的提出已有近 100 多年的歷史。1881 年日本的河合浩藏提出了在地基上交錯(cuò)放置圓木，以此來削弱地震向建筑物的傳遞；1890 年德國(guó)人 Jacob Bechtold 設(shè)計(jì)了一種由鋼盤、滾珠構(gòu)成的隔震器；1909 年英格蘭醫(yī)生 Calantantarients 提出了用滑石粉層或云母將房屋與基礎(chǔ)隔開的隔震方法；我國(guó)古代也有被稱為“版筑”的地基處理技術(shù)，依次來把建筑物和基礎(chǔ)隔開。像這樣的有關(guān)隔震的具體方法在 60 年代以前有很多，但是因缺少實(shí)踐檢驗(yàn)，學(xué)者們沒有對(duì)其進(jìn)行深入研究，也沒有形成一套系統(tǒng)的減隔震理論。直到 1923 年發(fā)生東京大地震，由 Frank LloydWright 設(shè)計(jì)的日本東京帝國(guó)飯店，因其建立在有軟泥層所支承的硬土上得以幸存，這樣的現(xiàn)象引起了學(xué)者們對(duì)于基礎(chǔ)隔震技術(shù)的進(jìn)一步關(guān)注，有關(guān)基礎(chǔ)隔震技術(shù)的研究才得以逐步深入[1]。
.........

1.2 高阻尼橡膠支座概述
高阻尼橡膠支座（High Damping Rubber Bearing，HDR），是用復(fù)合橡膠材料制成的具有較高阻尼性能的隔震橡膠支座，通過高阻尼橡膠支座在水平方向大位移剪切變形及滯回耗能實(shí)現(xiàn)減隔震功能。支座中使用的復(fù)合橡膠材料，是在天然橡膠或合成橡膠的聚合物中，加入填充劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等配合劑制成，不需要額外的阻尼器也能獲得較強(qiáng)的阻尼特性，同時(shí)仍有普通橡膠支座的水平和豎向力學(xué)性能。這樣的支座代替了傳統(tǒng)的隔震支座加阻尼器的形式，使得隔震層的結(jié)構(gòu)布置更加簡(jiǎn)單規(guī)則[4]。橡膠材料為超彈性材料，其力學(xué)性能隨著時(shí)間延長(zhǎng)而不斷變化，同時(shí)對(duì)環(huán)境條件、應(yīng)變歷程、加載速率和應(yīng)變率十分敏感，在大應(yīng)變下很多橡膠材料還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力加速增大或應(yīng)力加速減小的現(xiàn)象[5]。而高阻尼橡膠材料中聚合物的添加又使得其非線性特性更為復(fù)雜。由于高阻尼橡膠材料的使用，增加了疊層橡膠支座的阻尼，增強(qiáng)了支座抵抗水平變形的能力，起到一定的自復(fù)位效果，大震后自復(fù)位能力強(qiáng)，殘余變形��；并且支座較高的阻尼功能使得其滯回曲線較為豐滿，耗能顯著。對(duì)支座橡膠配方進(jìn)行改進(jìn)，可顯著提高高阻尼橡膠支座的等效阻尼比。在實(shí)際試驗(yàn)中，高阻尼橡膠支座的滯回曲線呈現(xiàn)橢圓形或月牙形，如圖 1.1和圖 1.2 所示。在剪切應(yīng)變較小時(shí)，支座的剛度較大，隨著剪切變形的增大，其剛度會(huì)軟化，滯回曲線為橢圓形，但當(dāng)剪切應(yīng)變幅值達(dá)到一定程度后，高阻尼橡膠支座表現(xiàn)出明顯的非線性特性，支座會(huì)出現(xiàn)剛度硬化現(xiàn)象[6]。
...........

2 高阻尼橡膠支座力學(xué)性能試驗(yàn)概況及結(jié)果分析

2.1 引言
隨著減隔震技術(shù)的推廣及應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)于隔震支座的研究逐步深入。但對(duì)高阻尼橡膠支座力學(xué)性能、恢復(fù)力模型的研究和支座的實(shí)際應(yīng)用均有限，并且試驗(yàn)多在水平單向壓剪狀態(tài)下進(jìn)行。而在實(shí)際地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)中的隔震支座處于多向受力狀態(tài)，并且在作用過程中支座的受力狀態(tài)是在不斷發(fā)生變化的。在水平荷載和豎向荷載同時(shí)作用時(shí)，隔震支座的力學(xué)性能與僅考慮水平荷載作用的力學(xué)性能有很大不同。在固定豎向荷載作用下，進(jìn)行水平雙向循環(huán)加載，由于支座兩個(gè)水平方向之間存在的耦合效應(yīng)，使得支座的雙向加載力學(xué)特性與支座的水平單向力學(xué)特性也有一定差別。因此，不僅僅要了解高阻尼橡膠支座在單向加載時(shí)的力學(xué)特性，更應(yīng)深入研究高阻尼橡膠支座在多向受力狀態(tài)下的力學(xué)性能，以及影響支座力學(xué)性能的重要因素。為研究高阻尼橡膠支座在多向受力狀態(tài)下的力學(xué)特性，本課題組[43]對(duì)高阻尼橡膠支座進(jìn)行了多向受力力學(xué)性能試驗(yàn)，本節(jié)對(duì)該力學(xué)試驗(yàn)概況進(jìn)行介紹，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更進(jìn)一步的分析。
..........

2.2 高阻尼橡膠支座試件

為深入研究高阻尼橡膠支座的水平力學(xué)特性及其恢復(fù)力模型，根據(jù) GB20668.3-2006 橡膠支座第 3 部分：建筑隔震橡膠支座[44]對(duì)高阻尼橡膠支座的橡膠鋼板材料的要求、基本參數(shù)取值的要求、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及現(xiàn)有試驗(yàn)條件，選用國(guó)內(nèi)某橡膠隔震支座生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的直徑為 200mm 的高阻尼橡膠支座作為試驗(yàn)對(duì)象。高阻尼橡膠支座力學(xué)性能試驗(yàn)在華北水利水電大學(xué)土木工程綜合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。本試驗(yàn)采用 MTS 電液伺服加載系統(tǒng)作為加載裝置,平面內(nèi) X 方向和 Y 方向的位移加載設(shè)備分別采用編號(hào)為 1#和 2#的 2 臺(tái) 500k N 電液伺服作動(dòng)器，最大行程分別為±127mm、±381mm。Z 方向的豎向加載設(shè)備采用編號(hào)為 3#的 1 臺(tái)1500k N 電液伺服作動(dòng)器，最大行程為±254mm。三個(gè)方向的工作壓力均為21MPa。試驗(yàn)過程中支座的受力與變形均由系統(tǒng)自動(dòng)采集。加載過程中，豎向采用荷載控制加載，水平向采用位移控制加載。為實(shí)現(xiàn)高阻尼橡膠支座的多向加載，本課題組設(shè)計(jì)了如圖 2.3 所示的力學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)。使用該平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行單向、雙向或三向力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖分別如圖 2.3 和如圖 2.4 所示。

.............

3 高阻尼橡膠支座單向恢復(fù)力模型....... 31
3.1 引言..... 31
3.2 考慮豎向壓力相關(guān)性的恢復(fù)力模型.........31
3.2.1 多彈簧模型介紹.......... 32
3.2.2 雙彈簧模型介紹.......... 33
3.3 模型改進(jìn)方法........37
3.3.1 公式推導(dǎo)........ 38
3.3.2 試驗(yàn)曲線分析....... 39
3.4 單向壓剪試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比.........45
3.5 本章小結(jié).......... 49
4 高阻尼橡膠支座雙向恢復(fù)力模型....... 51
4.1 引言..... 51
4.2 模型改進(jìn).......... 51
4.3 雙向壓剪試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比.........54
4.4 本章小結(jié).......... 60
5 結(jié)論與展望...... 61
5.1 結(jié)論..... 61
5.2 展望..... 61

4 高阻尼橡膠支座雙向恢復(fù)力模型

4.1 引言
在實(shí)際地震中，結(jié)構(gòu)隔震層中的支座往往會(huì)受到雙向地震作用而非單向。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)高阻尼隔震橡膠支座在水平雙向荷載作用下支座的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析，發(fā)現(xiàn)支座在兩個(gè)水平方向上的力和變形存在一定的耦合效應(yīng)，即一個(gè)方向上力與位移的變化可能影響另一個(gè)方向上的恢復(fù)力特性，因此，在對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多維地震反應(yīng)分析時(shí)，需要采用能反映支座在兩個(gè)水平方向上力和變形耦合效應(yīng)的恢復(fù)力模型。文獻(xiàn)[33-37]基于高阻尼橡膠支座的雙向水平壓剪試驗(yàn)研究，提出了各種不同的雙向恢復(fù)力模型，并證明了這些模型的有效性。本文對(duì)高阻尼橡膠支座 HDR-C 的水平雙向壓剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在水平雙向壓剪試驗(yàn)中，高阻尼橡膠支座同樣具有剪切應(yīng)變相關(guān)性和豎向壓應(yīng)力相關(guān)性，并且相關(guān)性變化的規(guī)律與單向壓剪試驗(yàn)時(shí)基本一致，但由于水平雙向加載時(shí)兩個(gè)方向之間力和變形相互耦合作用的影響，支座性能參數(shù)相關(guān)性變化幅度略有不同。在進(jìn)行高阻尼橡膠支座的水平雙向恢復(fù)力模型研究時(shí)，不僅要考慮豎向與水平向之間力和變形的耦合作用，而且要考慮兩個(gè)水平方向力和變形之間相互作用的影響�；谝陨显囼�(yàn)結(jié)果分析，將已建立的水平單向恢復(fù)力模型進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，使其能夠較好的反映高阻尼橡膠支座水平恢復(fù)力的雙向耦合效應(yīng)。
..........

結(jié)論

高阻尼橡膠支座作為普遍應(yīng)用的隔震裝置之一，其力學(xué)性能和恢復(fù)力模型的研究對(duì)于基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析有著重要的作用。在實(shí)際地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)中的隔震支座處于多向受力狀態(tài)，且其力學(xué)性能較為復(fù)雜，本文基于高阻尼橡膠支座的水平單向和水平雙向壓剪試驗(yàn)，對(duì)得到的試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步深入分析，研究影響高阻尼橡膠支座滯回特性的因素以及支座性能參數(shù)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)高阻尼橡膠支座的力學(xué)特性，選取合適的恢復(fù)力模型，結(jié)合支座試驗(yàn)分析結(jié)果，建立了高阻尼橡膠支座的恢復(fù)力模型。本文得到的結(jié)論如下：
（1）在高阻尼橡膠支座的水平單向、雙向壓剪試驗(yàn)中，支座的剪切性能具有剪切應(yīng)變相關(guān)性和豎向壓應(yīng)力相關(guān)性。
（2）在水平雙向壓剪試驗(yàn)中，，高阻尼橡膠支座剪切性能的剪切應(yīng)變相關(guān)性和豎向壓應(yīng)力相關(guān)性的變化規(guī)律與水平單向加載試驗(yàn)時(shí)一致，但是，水平雙向耦合效應(yīng)使得支座性能參數(shù)的相關(guān)性變化幅度較單向時(shí)略有不同。
（3）對(duì)高阻尼橡膠支座的恢復(fù)力模型進(jìn)行了研究，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的深入分析，考慮豎向壓應(yīng)力、剪切應(yīng)變的影響，建立了高阻尼橡膠支座的水平單向和雙向恢復(fù)力模型。
（4）根據(jù)建立的水平單向和雙向恢復(fù)力模型，編制相應(yīng)的計(jì)算程序，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了所建立模型的有效性。
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：125064