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建筑隔震叠层橡胶支座研究进展
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内容提示：隔震结构可以有效地减轻房屋的地震反应,减轻地震灾害。在隔震结构中,叠层橡胶支座得到广泛应用。本文分别阐述了天然叠层橡胶支座、高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、纤维加强板支座的研究进展。在此基础上,对这一领域的研究方向做了展望。
在隔震结构中,叠层橡胶支座得到广泛应用。它具有低水平刚度,高竖向刚度的特性,可以延长主体结构周期,避开地震的卓越周期,隔断地震能量传递给上部结构。辅加以耗能阻尼器,可以有效地耗散地震能量。本文在阐述叠层橡胶隔震支座的研究进展的基础上,对这一领域的研究方向做了展望。（参考《建筑中文网》）
1 叠层橡胶研究进展
1·1 Haringx理论
对叠层橡胶支座力学特性的理论研究,一般基于Haringx理论。该理论是基于不可压缩的弹性体,作为小变形的弹性理论,不适用于大变形和屈曲等现象。
1·2 叠层橡胶性能研究
在Haringx理论的基础上,A·N·Gent研究了无限长条、圆形不可压缩弹性层的压缩、弯曲和剪切特性,在小变形假设和不可压缩假设下得出了形式简单的线性解。P·B·Lindly进一步研究了固结在两端刚性板的线弹性材料压缩性能。C·G·Koh用变量变换法得到了方形可压缩材料的压缩刚度,并证明了抛物面变形假设是符合实际情况的。M·S·Chalhoub考虑了体积压缩率对压缩刚度的影响,在此基础上研究了长条方形橡胶的压缩性能和弯曲下的钢-橡胶粘结影响。
H·C·Tsai[1]推导出无限长条圆形、方形的压缩刚度,并用有限元方法进行了验证。之后,又推导了粘结在刚性板之间的无限长条形、圆形、方形,橡胶的倾斜刚度、粘结在刚性板之间的圆形橡胶纯弯下的水平位移的公式、粘结在刚性板之间的圆形、方形、无限长条形橡胶的简化有效压缩刚度。
1·3 叠层橡胶支座研究
1·3·1 刚性加强板橡胶支座
(1) 天然橡胶支座。叠层橡胶支座需要提供足够的竖向承载力和承受较大的水平变形。因此,针对叠层橡胶支座的强度和刚度的研究成为主要的研究内容。C·G·Koh[2]对方形橡胶隔震支座进行研究,提出了考虑P-Δ效应的粘弹性模型,得出模型在正弦水平力和恒定压力下的稳态响应。M·S·Chalhoub[3]理论分析了考虑体积压缩率影响的圆形隔震支座的压缩刚度。M·Iizuka在此基础上,提出恒定压力下有限变形,非线性弹簧大变形的宏观模型以及隔震支座的经验设计公式[4]。M·C·Constantinou[5]研究中空橡胶层的压缩刚度。G·H·Koo[6]使用瞬时观测剪切模量参数方程,提出一个估算支座在小变形和极限剪切变形条件下的力学模型。H·C·Tsai[7]使用分离变量法,研究粘弹柱体模型的隔震支座在正弦水平力和恒定压力下的稳态响应。
叠层橡胶支座作为承压构件,对其稳定性也有大量的研究。C·W·Roeder[8]从理论和实验研究了橡胶支座在不同竖向荷载下的稳定性。C·G·Koh[9]对支座的稳定性进行了实验研究。J·F·Stanton[10]基于Haringx理论,从理论和实验两个方面研究了橡胶支座在不同竖向荷载下的稳定性。S·Nagarajaiah[11]基于Koh-Kelly理论,提出了一个考虑了大变形、大转角,剪力与转动刚度的非线性计算模型。I·Buckle[12]对一系列橡胶支座进行实验,研究水平位移对临界荷载的影响和评价现有的设计方法。除了理论和实验研究,J·C·Simo[13]使用有限元法,分析在不同的竖向荷载下的水平位移特性和稳定性。W·Seky[14]采用有限元法对叠层橡胶支座进行大变形分析。
(2) 铅芯橡胶支座。在叠层橡胶支座内灌入铅芯,可以提高叠层橡胶支座的阻尼,耗散地震能量及提供抵御微小震动的初始刚度。R·G·Tyler[15]对铅芯橡胶支座进行了大变形实验。A·Mori[16]对NRB和LRB的压缩特性进行了轴压实验研究,并与当时实行的规范、Gent、Chalhoub、Kelly等理论进行对比研究,证明有了LRB和NRB有相似力学性能,铅芯影响不大。R·S·Jangid[17]研究了近场地震的特点和支座参数优化问题,通过调整支座的屈服强度可以影响隔震结构的最大位移,而结构的加速度响应不变。J·S·Hwang[18]基于AASHTO规范,提出了修正的支座等效线性化模型。通过与非线性模型进行对比计算,效果良好。
C·Topkaya[19]对方形橡胶支座进行斜压实验,研究了尺寸效应。K·L·Ryan[20]通过实验研究得出轴向荷载增加时,竖向刚度减少。在大水平变形时,竖向刚度发生软化;LRB屈服强度与轴力大小有关。在此基础上Ryan提出了考虑轴压影响的非线性模型。M·Takayama[21]采用有限元法分析LRB在不同平均压力下的应力与应变规律。M·Imbimbo[22]采用有限元方法分析了在轴压下S1对应力分布和应力集中的影响。
(3) 高阻尼橡胶支座。高阻尼橡胶支座是在天然橡胶中加入了添加剂,使得支座除了具有NRB的水平和竖向力学特性外,还具有阻尼特性。J·S·Hwang[23]采用分数导数开尔文模型建立HDR的计算模型。并采用修正高斯-牛顿系统识别法进行了对比研究。随后,研究了分数导数麦斯威尔模型在HDR上的应用[24]、考虑温度影响的分数导数开尔文模型[25]。Y·Ohtori[26]对HDR的尺寸效应进行了研究。D·N·Grant[27]对圆形HDR水平双向作用力研究,建立一个与水平位移不耦合的宏观模型。M·Abe[28]对方形HDR、LRB进行了理论和实验的对比研究,建议设计时要考虑三向受力下的耦合作用。
1·3·2 柔性加强板橡胶支座
传统的叠层橡胶支座,采用的是钢板作为加强材料,钢板由于具有优良的力学性能,好处显而易见。但是,也造成了支座造价高和自重大。有鉴于此,开始有学者,研究采用柔性加强板支座力学性能。J·-M·Kelly[29]进行了理论和实验研究。研究表明用纤维板代替钢板作叠层橡胶支座的加强板,可以减少造价和重量。B·Y·Moon和B·S·Kang[30],详尽地介绍了纤维加强板橡胶支座设计和制造,并研究了中心孔和铅芯对纤维加强板橡胶支座影响。H·C·Tsai等对柔性加强板叠层橡胶支座展开了系列研究。研究表明:柔性加强板的边界条件会影响支座的刚度;只有当支座受压时,纤维橡胶支座的刚度才能提高;在纤维板未能完全受拉时,压力和弯矩是非线性耦合的;纤维加强板支座的竖向屈曲荷载受水平力影响,同时也小于线性材料加强板的支座。
2 总结和展望
对叠层橡胶隔震支座的机理研究,围绕着支座的强度、刚度、稳定性、阻尼特性:从理论解析分析,到实验分析、经验公式的提出、有限元法的应用;从理想弹性的Haringx理论,到考虑体积压缩、考虑材料特性、考虑加载方式、考虑尺寸效应、考虑温度效应;从一维、二维、到三维分析;从单纯考虑单向压、拉、弯,到双向受力的压剪、拉剪、到三向压剪、拉剪及其复合作用的相关性,展开了系统的研究,取得了丰硕的成果。由于叠层橡胶支座材料和构造机理的特性复杂,叠层橡胶支座的研究仍将有待进一步深入。
(1) 研究叠层橡胶支座在复杂应力状态下的力学特性,以及各种特性状态的相关性对支座力学性能的影响。
(2) 随着隔震技术的进一步推广,建筑物的高度的增加,需要对大直径、超大直径叠层橡胶支座的力学性能进行研究。
(3) 结合柔性加强板叠层橡胶支座的研究,开发和推广自重轻,体积小,成本低,易于在小型建筑使用的小型叠层支座。
(4) 叠层支座的极限承载力取决于内部加强板的力学特性,但是针对内部加强板的研究较少,这方面仍有待进一步研究。
(5) 在对叠层橡胶支座各种性能深入研究的基础上,需要解决叠层橡胶支座优化设计的问题。
(6) 叠层橡胶隔震支座的有限元分析研究。使用有限元分析,可以提高研究的效率和降低成本,解决一些实验无法完成的分析。
参考文献
[1] HCTsai,CCLee·Compressivestiffnessofelasticlayersbondedbe-tweenrigidplates[J]·InternationalJournalofStructures,1998,35(23):3053-3069.·
[2] CGKoh,JMKelly·Effectsofaxialloadonelastomericisolationbear-ings[R]·ReportNo·UCB/EERC-86/12,EarthquakeEngineeringRe-searchCenter,UniversityofCalifornia,Berkeley·
[3] MSChalhoub,JMKelly·Effectofbulkcompressibilityonthestiffnessofcylindricalbaseisolationbearings[J]·InternationalJournalofSolidsandStructures,1990,26:734-760·
[4] MIizuka·Simpledesignformulasformechanicalpropertiesoflaminatedlow-dampingrubberbearingsusedinbaseisolation[C]∥·SummariesofTechnicalPapersofAnnualMeetingArchitecturalInstituteofJapan,1993:521-522·
1 叠层橡胶研究进展
1·1 Haringx理论
对叠层橡胶支座力学特性的理论研究,一般基于Haringx理论。该理论是基于不可压缩的弹性体,作为小变形的弹性理论,不适用于大变形和屈曲等现象。
1·2 叠层橡胶性能研究
在Haringx理论的基础上,A·N·Gent研究了无限长条、圆形不可压缩弹性层的压缩、弯曲和剪切特性,在小变形假设和不可压缩假设下得出了形式简单的线性解。P·B·Lindly进一步研究了固结在两端刚性板的线弹性材料压缩性能。C·G·Koh用变量变换法得到了方形可压缩材料的压缩刚度,并证明了抛物面变形假设是符合实际情况的。M·S·Chalhoub考虑了体积压缩率对压缩刚度的影响,在此基础上研究了长条方形橡胶的压缩性能和弯曲下的钢-橡胶粘结影响。
H·C·Tsai[1]推导出无限长条圆形、方形的压缩刚度,并用有限元方法进行了验证。之后,又推导了粘结在刚性板之间的无限长条形、圆形、方形,橡胶的倾斜刚度、粘结在刚性板之间的圆形橡胶纯弯下的水平位移的公式、粘结在刚性板之间的圆形、方形、无限长条形橡胶的简化有效压缩刚度。
1·3 叠层橡胶支座研究
1·3·1 刚性加强板橡胶支座
(1) 天然橡胶支座。叠层橡胶支座需要提供足够的竖向承载力和承受较大的水平变形。因此,针对叠层橡胶支座的强度和刚度的研究成为主要的研究内容。C·G·Koh[2]对方形橡胶隔震支座进行研究,提出了考虑P-Δ效应的粘弹性模型,得出模型在正弦水平力和恒定压力下的稳态响应。M·S·Chalhoub[3]理论分析了考虑体积压缩率影响的圆形隔震支座的压缩刚度。M·Iizuka在此基础上,提出恒定压力下有限变形,非线性弹簧大变形的宏观模型以及隔震支座的经验设计公式[4]。M·C·Constantinou[5]研究中空橡胶层的压缩刚度。G·H·Koo[6]使用瞬时观测剪切模量参数方程,提出一个估算支座在小变形和极限剪切变形条件下的力学模型。H·C·Tsai[7]使用分离变量法,研究粘弹柱体模型的隔震支座在正弦水平力和恒定压力下的稳态响应。
叠层橡胶支座作为承压构件,对其稳定性也有大量的研究。C·W·Roeder[8]从理论和实验研究了橡胶支座在不同竖向荷载下的稳定性。C·G·Koh[9]对支座的稳定性进行了实验研究。J·F·Stanton[10]基于Haringx理论,从理论和实验两个方面研究了橡胶支座在不同竖向荷载下的稳定性。S·Nagarajaiah[11]基于Koh-Kelly理论,提出了一个考虑了大变形、大转角,剪力与转动刚度的非线性计算模型。I·Buckle[12]对一系列橡胶支座进行实验,研究水平位移对临界荷载的影响和评价现有的设计方法。除了理论和实验研究,J·C·Simo[13]使用有限元法,分析在不同的竖向荷载下的水平位移特性和稳定性。W·Seky[14]采用有限元法对叠层橡胶支座进行大变形分析。
(2) 铅芯橡胶支座。在叠层橡胶支座内灌入铅芯,可以提高叠层橡胶支座的阻尼,耗散地震能量及提供抵御微小震动的初始刚度。R·G·Tyler[15]对铅芯橡胶支座进行了大变形实验。A·Mori[16]对NRB和LRB的压缩特性进行了轴压实验研究,并与当时实行的规范、Gent、Chalhoub、Kelly等理论进行对比研究,证明有了LRB和NRB有相似力学性能,铅芯影响不大。R·S·Jangid[17]研究了近场地震的特点和支座参数优化问题,通过调整支座的屈服强度可以影响隔震结构的最大位移,而结构的加速度响应不变。J·S·Hwang[18]基于AASHTO规范,提出了修正的支座等效线性化模型。通过与非线性模型进行对比计算,效果良好。
C·Topkaya[19]对方形橡胶支座进行斜压实验,研究了尺寸效应。K·L·Ryan[20]通过实验研究得出轴向荷载增加时,竖向刚度减少。在大水平变形时,竖向刚度发生软化;LRB屈服强度与轴力大小有关。在此基础上Ryan提出了考虑轴压影响的非线性模型。M·Takayama[21]采用有限元法分析LRB在不同平均压力下的应力与应变规律。M·Imbimbo[22]采用有限元方法分析了在轴压下S1对应力分布和应力集中的影响。
(3) 高阻尼橡胶支座。高阻尼橡胶支座是在天然橡胶中加入了添加剂,使得支座除了具有NRB的水平和竖向力学特性外,还具有阻尼特性。J·S·Hwang[23]采用分数导数开尔文模型建立HDR的计算模型。并采用修正高斯-牛顿系统识别法进行了对比研究。随后,研究了分数导数麦斯威尔模型在HDR上的应用[24]、考虑温度影响的分数导数开尔文模型[25]。Y·Ohtori[26]对HDR的尺寸效应进行了研究。D·N·Grant[27]对圆形HDR水平双向作用力研究,建立一个与水平位移不耦合的宏观模型。M·Abe[28]对方形HDR、LRB进行了理论和实验的对比研究,建议设计时要考虑三向受力下的耦合作用。
1·3·2 柔性加强板橡胶支座
传统的叠层橡胶支座,采用的是钢板作为加强材料,钢板由于具有优良的力学性能,好处显而易见。但是,也造成了支座造价高和自重大。有鉴于此,开始有学者,研究采用柔性加强板支座力学性能。J·-M·Kelly[29]进行了理论和实验研究。研究表明用纤维板代替钢板作叠层橡胶支座的加强板,可以减少造价和重量。B·Y·Moon和B·S·Kang[30],详尽地介绍了纤维加强板橡胶支座设计和制造,并研究了中心孔和铅芯对纤维加强板橡胶支座影响。H·C·Tsai等对柔性加强板叠层橡胶支座展开了系列研究。研究表明:柔性加强板的边界条件会影响支座的刚度;只有当支座受压时,纤维橡胶支座的刚度才能提高;在纤维板未能完全受拉时,压力和弯矩是非线性耦合的;纤维加强板支座的竖向屈曲荷载受水平力影响,同时也小于线性材料加强板的支座。
2 总结和展望
对叠层橡胶隔震支座的机理研究,围绕着支座的强度、刚度、稳定性、阻尼特性:从理论解析分析,到实验分析、经验公式的提出、有限元法的应用;从理想弹性的Haringx理论,到考虑体积压缩、考虑材料特性、考虑加载方式、考虑尺寸效应、考虑温度效应;从一维、二维、到三维分析;从单纯考虑单向压、拉、弯,到双向受力的压剪、拉剪、到三向压剪、拉剪及其复合作用的相关性,展开了系统的研究,取得了丰硕的成果。由于叠层橡胶支座材料和构造机理的特性复杂,叠层橡胶支座的研究仍将有待进一步深入。
(1) 研究叠层橡胶支座在复杂应力状态下的力学特性,以及各种特性状态的相关性对支座力学性能的影响。
(2) 随着隔震技术的进一步推广,建筑物的高度的增加,需要对大直径、超大直径叠层橡胶支座的力学性能进行研究。
(3) 结合柔性加强板叠层橡胶支座的研究,开发和推广自重轻,体积小,成本低,易于在小型建筑使用的小型叠层支座。
(4) 叠层支座的极限承载力取决于内部加强板的力学特性,但是针对内部加强板的研究较少,这方面仍有待进一步研究。
(5) 在对叠层橡胶支座各种性能深入研究的基础上,需要解决叠层橡胶支座优化设计的问题。
(6) 叠层橡胶隔震支座的有限元分析研究。使用有限元分析,可以提高研究的效率和降低成本,解决一些实验无法完成的分析。
参考文献
[1] HCTsai,CCLee·Compressivestiffnessofelasticlayersbondedbe-tweenrigidplates[J]·InternationalJournalofStructures,1998,35(23):3053-3069.·
[2] CGKoh,JMKelly·Effectsofaxialloadonelastomericisolationbear-ings[R]·ReportNo·UCB/EERC-86/12,EarthquakeEngineeringRe-searchCenter,UniversityofCalifornia,Berkeley·
[3] MSChalhoub,JMKelly·Effectofbulkcompressibilityonthestiffnessofcylindricalbaseisolationbearings[J]·InternationalJournalofSolidsandStructures,1990,26:734-760·
[4] MIizuka·Simpledesignformulasformechanicalpropertiesoflaminatedlow-dampingrubberbearingsusedinbaseisolation[C]∥·SummariesofTechnicalPapersofAnnualMeetingArchitecturalInstituteofJapan,1993:521-522·
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14668.htm
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