低溫環(huán)境中疊層橡膠隔震支座力學(xué)性能試驗(yàn)研究

低溫環(huán)境中疊層橡膠隔震支座力學(xué)性能試驗(yàn)研究

在過(guò)去的20年中，結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的研究取得了顯著進(jìn)步。在所有已開(kāi)發(fā)成功的減震控制技術(shù)中,基礎(chǔ)隔震技術(shù)以其造價(jià)相對(duì)低廉、性能穩(wěn)定,被許多國(guó)家較早地應(yīng)用于實(shí)際工程。在1994年的美國(guó)北嶺地震和1995年的日本兵庫(kù)縣南部地震中,數(shù)棟基礎(chǔ)隔震工程初步顯示了其優(yōu)越的減震性能,進(jìn)一步推動(dòng)了基礎(chǔ)隔震技術(shù)在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用。我國(guó)2001年7月頒布的GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中,也已將隔震和消能減震設(shè)計(jì)列為一章。這表明,我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始將隔震和消能減震作為可在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用的減震新技術(shù)。但是,在隔震結(jié)構(gòu)體系具體應(yīng)用階段,仍然有許多應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題需要給予關(guān)注。比如,我國(guó)地域遼闊,各地氣候條件相差比較大,北方大部分地區(qū)冬季的氣溫相當(dāng)?shù)?隨著使用環(huán)境溫度的變化,疊層橡膠隔震器的力學(xué)性能會(huì)有所改變。相比之下,現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)高溫環(huán)境下橡膠隔震器的力學(xué)性能給予了較多關(guān)注,而對(duì)于低溫環(huán)境下橡膠隔震器的力學(xué)性能的研究卻很少見(jiàn)報(bào)道。本文根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的需要,在-50℃的寒冷環(huán)境下,對(duì)疊層橡膠隔震器的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,取得了低溫環(huán)境對(duì)疊層橡膠支座力學(xué)性能影響的初步認(rèn)識(shí)。1疊層橡膠隔震器在更低溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性試驗(yàn)疊層橡膠隔震器由橡膠和鋼板經(jīng)過(guò)硫化粘合而成,在低溫環(huán)境下,橡膠和鋼板都會(huì)產(chǎn)生不同程度的硬化,從而使隔震器力學(xué)行為呈現(xiàn)明顯的脆性。日本學(xué)者曾對(duì)-20℃低溫環(huán)境下的橡膠隔震器進(jìn)行試驗(yàn)研究。然而,在我國(guó)北方,許多地區(qū)冬季的極端最低氣溫要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)溫度,為了進(jìn)一步了解疊層橡膠隔震器在更低溫度環(huán)境下的力學(xué)性能,筆者所在課題組對(duì)疊層橡膠隔震器分別在-20℃、-35℃、-50℃的低溫環(huán)境下進(jìn)行壓剪組合狀態(tài)下的往復(fù)試驗(yàn),獲得了在該低溫溫度區(qū)間內(nèi)橡膠隔震器應(yīng)變率分別為50%、100%、150%、200%以及250%時(shí)的數(shù)十條滯回曲線,并與室溫下的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。本試驗(yàn)在自制的橡膠隔震支座檢測(cè)設(shè)備上進(jìn)行。該設(shè)備最大可以提供2000kN的豎向荷載,同時(shí)水平方向施加水平往復(fù)推力,能夠在設(shè)計(jì)豎向軸力作用下,實(shí)現(xiàn)對(duì)一般小直徑橡膠隔震支座的力學(xué)性能的檢測(cè);用2000kN壓力機(jī)對(duì)橡膠隔震支座豎向剛度等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),數(shù)據(jù)采集由7V08數(shù)據(jù)采集儀完成,低溫環(huán)境由-80℃冷凍機(jī)提供,測(cè)溫儀器是測(cè)量范圍-60℃~1000℃的溫度傳感器。2對(duì)橡膠隔震無(wú)砂膠結(jié)物豎向剛度的測(cè)定,可建立其比本試驗(yàn)共分兩部分進(jìn)行,第一部分測(cè)定低溫條件下橡膠支座的水平初始剛度、水平屈服剛度、等效阻尼比,以及測(cè)定橡膠隔震支座的豎向剛度。測(cè)定豎向剛度采取的主要方法是施加往復(fù)豎向荷載(荷載值的變化范圍為P×70%~P×130%),限于篇幅,其試驗(yàn)方案及結(jié)果不再列出。第二部分是在低溫環(huán)境條件下橡膠支座的溫度場(chǎng)試驗(yàn)。主要測(cè)定橡膠支座在低溫條件下,溫度場(chǎng)分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。2.1橡膠實(shí)際設(shè)計(jì)指標(biāo)的測(cè)定2.1.1水平剛性和抗彎劑的抗積極計(jì)對(duì)橡膠支座在豎向設(shè)計(jì)恒定荷載下進(jìn)行剪切試驗(yàn),繪出水平剪力Q和上下板相對(duì)位移D的Q-D曲線,根據(jù)Q-D曲線計(jì)算出設(shè)計(jì)剛度和設(shè)計(jì)阻尼比。2.1.2冷凍機(jī)加載千斤頂以隔震器應(yīng)變率100%為例,其它應(yīng)變率與此類(lèi)似。(1)按預(yù)定的低溫溫度水準(zhǔn),將橡膠隔震支座放在冷凍機(jī)中,冷凍24h?？紤]到試件取出后,溫度升高的因素,設(shè)定冷凍機(jī)溫度時(shí),對(duì)-20℃、-35℃及-50℃三個(gè)溫度水準(zhǔn),分別降低1℃、2℃和3℃。(2)從冷凍機(jī)取出試件后,套上絕熱棉墊,迅速搬運(yùn),并安裝就位。(3)在試驗(yàn)機(jī)的醒目位置標(biāo)出加載正、反方向和位移正、負(fù)方向。(4)檢查位移計(jì),調(diào)整正向加載千斤頂?shù)奈恢?取出反向加載傳感器。(5)豎向加載到1000kN,加載力求平穩(wěn)勻速。(6)水平正向加載至上下板產(chǎn)生+85mm的位移后停止加載。(7)調(diào)整反向加載千斤頂位置,裝好反向加載傳感器,取出正向加載傳感器。(8)水平反向加載至上下板產(chǎn)生-85mm的位移后停止加載。(9)調(diào)整正向加載千斤頂位置,裝好正向加載傳感器,取出反向加載傳感器。(10)返回第(4)步重復(fù)3~4次。試驗(yàn)注意事項(xiàng):第一,水平加載過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整豎向荷載的大小,保證豎向荷載在(1000kN±δ)區(qū)間變化,δ越小越好;第二,水平加載勻速控制,力求勻周期加載。2.2橡膠支架的低溫場(chǎng)分布及變化規(guī)律2.2.1測(cè)量對(duì)橡膠支座在-20℃、-35℃、-50℃各低溫環(huán)境下冷凍,并用溫度傳感器測(cè)量溫度變化值,并測(cè)繪溫度變化曲線圖。2.2.2溫度測(cè)試方法(1)將橡膠支座頂部、中部和底部以120度間隔,分別埋置溫度傳感器。固定好傳感器金屬探頭。(2)將橡膠支座放置在冷凍機(jī)內(nèi),冷凍24h以上。(3)將橡膠支座取出,放置在試驗(yàn)平臺(tái)上,同時(shí)迅速接上溫度傳感器,測(cè)定三點(diǎn)初始溫度,并記錄。(4)在初始階段每隔5min測(cè)試一次,1h后每隔10min測(cè)一次并記錄,2h后,測(cè)試結(jié)束。(5)將橡膠支座分別在-20℃、-35℃、-50℃環(huán)境冷凍24h,重復(fù)(3)~(4)。2.2.3對(duì)維護(hù)后橡膠宣傳工作的影響其一,傳感器金屬探頭在支座中埋置深度應(yīng)大于25mm;其二,冷凍溫度可以略低于試驗(yàn)溫度,并對(duì)橡膠支座采取保溫措施,使支座在加載過(guò)程中延緩溫度降低,搬運(yùn)過(guò)程中力求迅速;其三,測(cè)各點(diǎn)溫度時(shí)應(yīng)迅速轉(zhuǎn)換插頭,盡量縮短時(shí)間間隔。3溫度場(chǎng)及其變化規(guī)律3.1水平剛度基于兩組正式試件在五個(gè)不同溫度水平(包含室溫)、五個(gè)不同的應(yīng)變率水平下的寒冷環(huán)境下低溫壓剪試驗(yàn)共獲得了數(shù)十條滯回曲線。與此相對(duì)應(yīng),溫度場(chǎng)的分布及其變化規(guī)律測(cè)試曲線也有數(shù)十條。限于本文的篇幅,僅列舉幾條典型的滯回曲線以及溫度場(chǎng)曲線作為代表,分別如圖1和圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)所得到的平均初始剛度與室溫下試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比,可求得初始剛度隨溫度降低而升高的規(guī)律如表1所列。將上述平均初始剛度及平均屈服剛度值代入Skinner的雙線性模型公式,可以推算出試件的等效阻尼比隨著溫度降低而下降,見(jiàn)表1。4低溫對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響4.1u3000地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程按抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求,隔震體系的計(jì)算采用剪切型結(jié)構(gòu)模型,在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程可表示為如下的形式:[M]{ü}+[C]{u˙}+[K]{u}=?üg[M]{δ}式中,üg為地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程;[M],[K]分別為體系的質(zhì)量、剛度矩陣;{u},{u˙},{ü}分別為各質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地面的位移、速度以及加速度向量。由于上部結(jié)構(gòu)和隔震系統(tǒng)具有明顯不同的阻尼,引用分區(qū)瑞雷阻尼模型,直接動(dòng)力算法。4.2工程分析案例依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,本文采用自行開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析軟件ISDNP,對(duì)蘭州市某試點(diǎn)工程進(jìn)行了分析。輸入地震波分別為蘭州波(LANZHOU)、ELCENTRO波、寧河