簡介

    合理地應(yīng)用隔震技術(shù)可保證建筑在中、大震后的正常使用性能，對高烈度區(qū)的建筑具有較強的適用性。隔震技術(shù)常用的是橡膠隔震支座，橡膠墊隔震裝置由鋼板和橡膠交替疊合而成。橡膠隔震墊技術(shù)發(fā)展已比較成熟，隔震裝置豎向承載力大，具有穩(wěn)定的彈性復(fù)位功能，且隔震周期長、阻尼比大。并且橡膠隔震技術(shù)是目前國際上研究最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種抗震技術(shù)。

   疊層橡膠支座是由夾層薄鋼板（內(nèi)部鋼板）和薄橡膠片相互交錯疊置制作而成。厚橡膠片受壓時的壓縮變形較大，橡膠會向水平方向膨脹，因此會降低承載能力。每層橡膠片越薄，水平方向的膨脹越小，因此壓縮變形也越小。疊層橡膠支座在剪切變形時，鋼板不約束剪切變形，因此水平剛度取決于橡膠本身的硬度。

    疊層橡膠的2次形狀系數(shù)S2，可以用下式計算：

A1是橡膠的截面面積；A2是每一薄層橡膠的外圓周面積；n是橡膠層數(shù)；

D是受壓橡膠的直徑；tR是每一薄層橡膠的厚度；TR是橡膠的總厚度。

   事實上S1表征的物理含義是橡膠支座中鋼板對橡膠層變形的約束程度，因此如果當(dāng)S1越大時，說明橡膠支座中鋼板對橡膠層的約束更強，因此橡膠的受壓承載力更大，因此豎向剛度也會更大。

    S2則表征了橡膠支座里主要受力本體的高寬比，表征的是橡膠支座受壓時候的穩(wěn)定性。

    疊層橡膠支座的軸方向壓縮剛度可以用下式計算：

    Kv是疊層橡膠支座的軸方向剛度；Ecb是疊層橡膠的彈性系數(shù)；A是橡膠的截面面積；S2是2次形狀系數(shù)。

    疊層橡膠由鋼板與橡膠組合而成，其彈性系數(shù)可以用下兩式計算：

    E0是橡膠的彈性模量；Eb是體積彈性模量，通常取Eb=1.96×10^3N/mm2。

    由于橡膠為非壓縮性材料，橡膠受壓時，其體積變化很小。也就是說，如果在軸方向受壓，橡膠將向四周膨脹。而且橡膠的泊松比非常大，其值v = 0.5。橡膠的彈性系數(shù)E0與剪切彈性模量G具有下述對應(yīng)關(guān)系。

（詳細(xì)的計算內(nèi)容可參照：劉文光教授的譯作《隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計》）

【JY】Abaqus案例—天然橡膠隔震支座豎(軸)向力學(xué)性能

   根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與軸方向壓縮剛度相比，疊層橡膠支座的拉伸剛度較小，只為壓縮剛度的1/5~1/10。

    由于疊層橡膠支座的軸方向壓縮剛度較大，而其拉伸剛度很小，因此，在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，可以近似認(rèn)為其壓縮為彈性。同時，還應(yīng)該盡量使疊層橡膠支座不產(chǎn)生拉力，或較小拉應(yīng)力。在拉應(yīng)力較小時，拉伸剛度較大，呈現(xiàn)線性特性。當(dāng)拉應(yīng)力超過屈服應(yīng)力之后，剛度急劇降低，應(yīng)變急劇增大，直至斷裂。

   根據(jù)Haringx的理論，橡膠支座在壓剪變形作用下水平向屈服后剛度為：

其中，

式中P為軸力；H為疊層橡膠支座的高度；

ks為等效剪切平剛度；kr為等效彎曲剛度；

I是截面慣性距；Erb是彎曲彈性系數(shù)。

圖 Haringx的彈性柱體理論模型

    若軸力趨近于零，水平剛度可以簡化為下式，簡化后疊層橡膠支座的水平剛度只與橡膠層厚度有關(guān)。此式的成立條件為：疊層橡膠支座的剪切變形占主要成分，而彎曲變形極小，甚至可以忽略不計。

    基于上述的簡單介紹，開發(fā)了下面這個小程序，便于大家對于橡膠支座的計算和學(xué)習(xí)（在后臺回復(fù)“橡膠支座”，即可獲得下載鏈接）。

    基于上述開發(fā)，對支座（支座參數(shù)如下圖所示，荷載工況：面壓：5Mpa、200%的水平剪應(yīng)變）做一個計算、模擬、試驗的對比分析，試驗數(shù)據(jù)來源文獻(xiàn)。

（a）試驗

    對于該支座進(jìn)行試驗可以得到下圖（水平滯回曲線）。

(圖片來源于文獻(xiàn))

圖 LRB600 支座面壓5Mpa、200%的水平剪應(yīng)變

    根據(jù)上述剛度分析，利用上述剛度分析，制作一個在（ “夢里就可以完成試驗的工具” ）根據(jù)位移計算橡膠支座的小工具。

    用Abaqus進(jìn)行建模分析，提取滯回曲線，詳細(xì)建模方法與下文一致，這次考察的是支座的水平滯回性能。

【JY】Abaqus案例—天然橡膠隔震支座豎(軸)向力學(xué)性能

（由于鉛芯計算分析時，采用的金屬本構(gòu)是二折線本構(gòu)，因此拐角出未能體現(xiàn)出金屬軟化的能力。）

    將試驗、模擬、計算的曲線放在一起進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)三者基本一致！說明模擬和計算對于真實試驗具有較好的描述。

    鋼板約束橡膠的豎向變形但對其水平變形沒有影響。同時鉛芯能夠很好地追隨支座變形，吸收地震能量。橡膠支座水平性能穩(wěn)定，若是支座有鉛芯的存在，能夠限制支座的水平變形，且鉛芯橡膠支座能表現(xiàn)出穩(wěn)定的雙線型滯回特性。

概念為先，機理為本，期待下篇！

建源之光——工程俠