天然橡胶隔震支座概要.docx

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天然橡胶隔震支座概要

天然橡胶隔震支座概要

   隔震器是指将建筑物与地基隔离的装置和机构。

地震时将建筑物完全隔震，使建筑物浮在空中，目前的技术水准还不可能。

所以，隔震器必须具有能承受建筑物重量的强度和刚度，而在水平方向则具有充分的柔度。

隔震器的水准刚度越小，就越接近完全隔离（绝对隔震），使地震输入减小、反应加速度也非常小。

另一方面，水平刚度越柔，地基与建筑物的相对位移增加就越显著。

因此，反应加速度与隔震层位移的关系是相反的。

但是，如果具有合适的衰减性能（阻尼器的特性），则既可以减小反应加速度，而且也可以使相对位移控制在适当的范围内。

所以，对于隔震器要求具有承受荷载的能力、大变形性能和地震后能恢复原来位置的恢复性能等，在设计中定量把握恢复力特性是十分重要的。

此外，经济性、施工性、耐久性等也是重要的性能。

   多层橡胶可以满足上述工程上所要求隔震器的性能，且经济上也是可行的。

如图所示为多层橡胶隔震器，它是由薄橡胶片与钢板交错迭放数层而成。

多层橡胶的竖向刚度，通常与一根柱子的刚度相当。

例如，多层橡胶的直径70㎝，总厚度为14㎝（0.7×20层），柱子的截面为70×70㎝，长度为400㎝的RC柱。

按计算公式，多层橡胶的竖向刚度约为2140t/㎝，RC柱的刚度约为2500t/㎝，可见多层橡胶的受压刚度与RC柱基本相同。

多层橡胶的水平方向的性能充分发挥了橡胶的特性，具有非常小的水平刚度和很大的变形能力。

目前已实现水平刚度小于竖向刚度的1/1000。

以前面的例子来比较多层橡胶和RC柱的水准变形能力。

直径70㎝的多层橡胶的水平变形能力40㎝左右，而RC柱的层间变形角如果为1/200，则水平变形量约为2㎝。

因此多层橡胶的水平变形能力相当于20层术子的水平变形量的总和。

   由以上分析可知，多层橡胶可以与柱或梁相同作为结构构件，但是应该认识到它通常具有相当于一根柱子的竖向刚度，而变形能力与建筑物的层间变形总和相当，这一点是很重要的。

前                言

建筑的设计是在工科或大学学习的基础上，需要经过10年的工作锻炼和经验积累，才能说有所掌握，其中包含许多的知识和经验，有些还很深奥，因此建筑设计不是容易的。

隔震结构也一样，不仅要使其建造容易，还要了解和开发多层橡胶隔震器和阻尼器，掌握地震动及其动力分析等各种方法。

一般来说，隔震结构设计及所采用的材料与以往的设计习惯有许多不同之处。

与一般结构相比，隔震结构的设计确实有一定的难度。

例如，与钢材和混凝土相比，作为主体结构材料的橡胶，则缺乏使用经验。

普通结构设计中，结构件承载力的计算总是大一些以使设计偏于安全，与此相反，隔震结构的设计要考虑动力效应，“刚、柔”和“强、弱”的设计要适当，隔震器不能太刚，也不能太柔；阻尼器不能太强，也不能太弱。

举个简单的例子来说，在一般结构设计中，如果计算所需的桩或钢筋为3.2根，则设计采用4根是偏于安全的。

而在隔震结构中，如果将阻尼器的屈服强度比设计所要求的强度增大，就不成为隔震结构。

在实际设计中，需要根据预算和规划，综合业主、建筑、结构、设备、施工等合方面的意见，通过协调使设计最为完善。

几乎所有的设计，这些关系都很复杂，不考虑这些关系，仅按结构设计流程图是难以进行的。

总的来说，设计是经过不断反复计算分析，在不确定状态中，寻求满足各种设计条件的解决方案。

每一个建筑都有一个设计方法，所以建筑设计没有所谓的通用的一般设计法。

在日本以及欧洲和美国，已建造了许多隔震结构，1994年1月17日美国洛山矶地震中，南加里弗尼亚大学的医院良好的隔震性能和观测记录成为加里弗尼亚州隔震结构的典范，恰巧一年后日本兵库县南部地震中，神户市北部有二个隔震结构表现出更好的隔震性能，成为了日本的隔震结构典范。

如果结构的强度很大，则在强震时，建筑物及其内部结构将承受超过1G加速度的作用，这已在1978年宫城县冲地震中东北大学记录到，在美国洛杉矶地震和台湾的921大地震及兵库县南部等地震中也记录到多次，这对结构设计人员来说已是众所周知，在建筑基准法的二次设计中考虑了这种强震反应。

对于如此大的地震作用，不是采用增强结构的强度使其保持在弹性阶段，而是适当减小强度，依靠结构的塑性变形防止破坏，也即是得用结构的延性来进行抗震设计，这是现在一般建筑结构的设计方法。

总之，建筑物总要产生一定损坏。

强度减小程度称为Ds，日本取0.25~0.55，美国虽然计算公式和取值不同，但考虑方法是相同的。

然而，这种建筑结构设计方法是基于在强震时结构产生损坏为前提的，这很难对一般的人解释清楚。

在阪神·淡路大地震中，引起人们的混乱，这不能不说是一个问题。

因此，以不是损坏建筑物为前提的隔震结构引起人们的重视。

对于隔震结构，在受到上述同等强度的作用时，上部结构的弹性反应只有0.1G~0.2G，不到一般抗震结构的1/5。

一般来说，对应1G弹性反应的建筑物，将结构的强度降低到0.25~0.55，结构会产生一定的损坏，与此相比，0.10~0.20恰好是隔震结构的反应值。

另外，值得大家注意的是对抗台风建筑物抗强风设计0.03 ~0.04W的初始力量值得考虑。

隔震结构所具有的隔震效果是多方面的，隔震系统普遍应用在建筑设计上应是指日可侍的。

多层橡胶隔震支座的构造

   多层橡胶隔震器的基本构造如图所示，由薄橡胶片与钢板相互交错迭置数层，上下有翼缘。

平面形状多采用圆形，因为圆形与方向无关。

多层橡胶中心为空心孔。

从多层橡胶的承载机构（应力分布状态）来考虑，最好没有该中心孔。

但在多层橡胶制造时的加硫过程中，为使从外部加热时热分布均匀，保证产品质量，设置该中心孔是必要的。

特别在多层橡胶的尺寸较大时，仅从外部加热，热的传递很不充分。

为使多层橡胶适应气候变化，在多层橡胶外部设置保护层，该保护层是采用耐候性好的材料制作。

图多层橡胶隔震支座的基本构造

   确定多层橡胶形状的主要参数有直径D、每层橡胶厚度tr和橡胶层数。

由这些参数可以求得1次形状系数和2次形状系数。

1次形状系数S1为1层橡胶的约束面积与自由表面积（侧面积）的之比，2次形状系数S2为多层橡胶直径与橡胶各层总厚度之比。

S1和S2按式以下公式计算。

注:

分母计算部分（LRB不减去ds；BR减去ds）

   S1主要是与竖向刚度和转动刚度有关的参数。

S1越大，相对直径来说橡胶片的厚度越薄，竖向刚度和弯曲刚度越大。

S2是与承载能力和水平刚度有关的参数。

S2越大，多层橡胶越扁平，越不容易压屈。

天然橡胶材料的特征

   橡胶是高分子化合物，由细长链状的大分子弯曲成螺旋形状。

虽然橡胶是固体，但它与其它固体不同之处在于橡胶具有类似“液体”的性质。

由于橡胶是由很长的分子链卷曲盘旋缠绕成复杂的结构，因此分子整体不产生移动或转动，所以不会像液体那样流动，但是各个分子链由于热运动在结合点间分子产生转动，也就是微观布郎运动。

该布郎运动可以表示为液体分子的自由分子运动。

这种长分子链集合体在静止时，最自然的形状是线球状（熵较大状态）。

将橡胶分子链两端拉伸时（熵较小状态），由于分子链的微观布郎运动，产生恢复原来球状的弹性力。

所以，橡胶的弹性是由于分子的热运动引起的。

总之，是由熵较小状态恢复到熵较大状态产生的力。

橡胶的这种弹性称为熵弹性。

具有金属晶格结构材料的弹性，是由于内部能量引起的，即称为能量弹性。

橡胶材料在极低温度下，分子运动不活跃，就产生能量弹性。

但是，产生这种变形的温度，对于天然橡胶来说在-50～-60℃以下，所以在通常使用温度下，橡胶可以发挥很大的变形能力。

   普通橡胶产品都使用加硫橡胶。

加硫橡胶的性质，随加硫剂的种类和加硫的条件变化很大。

加碳墨可以使橡胶的强度大大增加。

因此，加硫橡胶是橡胶原料、填充剂、加硫剂等组成的复杂的复合材料，既保持橡胶原有的特性，强度又很大。

在橡胶的制作工程中，加硫工程最重要。

加硫工程就是在橡胶原料中混合碳墨等增强剂和硫磺，再加压、加热。

经过这一工程，通过化学反应在橡胶分子链间形成硫磺连接的永久桥梁（架桥反应），这样橡胶产品就可以发挥橡胶的弹性。

   橡胶材料的特征是弹性低，变形能力大。

应力-应变关系为反S形非线性。

橡胶材料的物理性能有弹性模量E、剪切模量G、破坏延伸率等。

弹性模量就是当延伸率为100%时的模量。

橡胶为非压缩性材料（体积变化很小），泊松比约为0.5。

橡胶材料的常数的计算和试验方法，根据K6386《防振橡胶的橡胶材料》和K6301《加硫橡胶的物理试验方法》的规定采用。

天然橡胶隔震支座三维有限元分析的主应力分布

       （应力集中于AB对角在线）

天然橡胶隔震支座的受荷机构示意图

天然橡胶隔震支座压缩性能

   多层橡胶的最重要的基本性能是长期承载能力。

如果总厚度相同，则每层橡胶厚度越薄，层数越多（1次形状系数越大），坚向刚度就越大，荷载-应变关系就越接近线性关系。

反之，每层橡胶越厚，即1次形状系数越小，坚向刚度越小，可以对坚向的振动起到放振作用。

图1为面压达到300kg/cm2压缩试验的加载曲线。

试件的1次形状系数不同，分别为500×7-14（S1=18）和500×3.75-26（S1=33）。

在3种剪切变形下，分别进行了加压试验。

1次形状系数小的试件剪切变形越大，其非线性越显著；而S1较大时，剪切变形的影响越小。

但无论有无剪切变形，两试件均发挥了较高的承载能力。

图1压缩试验时的加载曲线

               图2多层橡胶的压坏实验                       图3多层橡胶破坏面状况

   为确定多层橡胶的极受压承载力，进行了动力压缩破环试验。

试验得到的压力-坚向变形关系如图2所示，试件为500×7-14（S1=18,S2=5）。

当平均压力达到1200kg/cm2（压力为2400t）时，表现出屈服现象,达到1500kg/cm2（压力为3000t）以上破坏。

图中也给出了静力载入试验的结果，两试验结果对应较好。

同时，还进行剪切变形为240mm的受压破坏试验。

在由剪切变形时，破坏承载力虽有所降低，但与纯压时趋势基本相同。

图3给出了破坏面的状况。

从破坏面观察，破坏是从中间钢板的中心孔部位钢板的受拉破坏开始，使橡胶片失去约束，破坏了多层橡胶的承载机构，直至完全破坏。

这表明多层橡胶的极限承载力主要取决于中间钢板。

中间钢板越厚，强度越大，可以发挥更高的极限承载力。

LRB天然橡胶隔震支座

   铅芯多层橡胶是在多层橡胶的中部圆形孔中压入铅，其构造如图1所示。

多层橡胶产生剪切变形时，利用铅芯的塑性变形吸收能量，因此是一种阻尼器内置型多层橡胶。

铅芯在接近纯剪切变形下，反复变形可以发挥稳定的能量吸收能力。

此外，由于阻尼器与多层橡胶形成一体可以节省空间，在施工上也较为有利。

   图2所示为铅芯多层橡胶压剪时特性。

滞回特性表现为多层橡胶水平刚度和铅芯水平刚度的组合，滞回环呈双线型。

不过滞回特性与剪切变形有一定的相关性。

在反应分析时，多采用将滞回曲线修正为双线型模型，如图3所示。

                                                        图1铅芯多层橡胶支座

图2铅芯多层橡胶的滞回曲线

图3修正双线型模

受拉性能

   图给出了500×3.75-26多层橡胶在剪切变形为200%时单调受拉的受力特性和500×7-14多层橡胶轴向受拉至破坏时的受力特性。

与受压弹性性能相比，多层橡胶受拉时的应力-应变关系为双线型。

随橡胶的材质不同，拉应力在10～20㎏/㎝2以前，基本表现为弹性。

但是，该弹性范围的受拉刚度只有受压刚度的1/10左右。

当受拉轴力大于此值时，荷载-变形关系表现为屈服，屈服后受拉刚度进一步减小。

此时如果卸载，卸载曲线呈现较大的滞回面积，再恢复到初始状态。

在受拉破坏时，可达到总厚度的3倍的伸长量。

图天然橡胶多层橡胶前的受拉实验

   受拉变形过屈服点后，从外观上并未见损伤。

但是在橡胶内部，由于受拉变形的作用，产生许多空孔。

试验表明，多层橡胶经过较大的受拉变形后再压缩时，受压刚度降低为初期刚度的1/2左右。

由以上结果知，多层橡胶在受拉轴力作用下达到完全破坏虽然具有一定的延伸能力，但考虑到其后受压刚度和承载能力的降低，因此不希望作用拉力，如果有拉力作用，拉应力应小于10～20㎏/㎝2。

压剪性能

   多层橡胶在通常承受建筑物重量的同时，发生地震时水平方向必须具有柔度产生变形。

由于地震时倾覆力矩的影响，对多层橡胶产生附加轴力作用。

此外，由于不均匀沉降等影响，多层橡胶上作用的轴力会产生变化。

对于轴力的变化，多层橡胶不仅要能保持稳定承载能力，而且其受剪性能不能产生较大的变化，这对设计和分析来说都是很重要的。

多层橡胶的性能（刚度和变形能力）与面压和2次形状系数有关，因此需要选择合适的形状和材质。

根据多层橡胶的实验结果，2次形状系数大于5时，轴力的变化对其弹性特性影响不大。

2次形状系数较小时，变形较大时会产生压屈，并且受压荷载的变化对其有较大的影响，所以需考虑变形能力与轴力变化的关系来确定设计变形和面压。

图1天然橡胶多层橡胶的破坏实验

   多层橡胶在单调载入至破坏的荷载-变形关系如图1所示。

试件均采用天然橡胶，配合比有两种类型。

试件No.4，5采用较为柔性的配合比。

直径分为500和600两种，2次形状系数都等于5。

图中纵轴剪应力，由剪力除以多层橡胶的截面积得到；横轴为剪应变，由剪切变形除以总橡胶厚度用百分率表示。

剪应变为100%表示剪切变形等于总橡胶厚度。

图2为试件No.1的试验状况。

可见在承受很大的剪切变形时，承载能力并未丧失。

图2多层橡胶的压剪实验

   由该图还可见，橡胶材质和2次形状系数基本相等的多层橡胶，其剪应力-剪应变的关系也基本相同。

此外，压应力的变化，可以认为几乎没有影响。

剪应变达到250%时，基本保持线性关系。

   如果剪切变形剪应变增大，荷载-变形关系呈现硬化，最后当剪应变达到400%左右时破坏。

应变硬化虽然可有效抑制隔震层的位移，但使其承担的剪力增大，上部结构的地震力增加，导致楼层反应加大。

因此，从这一观点来看，多层橡胶的设计变形应控制在其线性界限变形以下。

对于天然橡胶，其材质较柔，线性界限变形为250%左右，而对于材质较硬的橡胶，则小于此值。

耐久性

   由于多层橡胶是采用的橡胶和钢板，所以多层橡胶的耐久性取决于橡胶材料老化，橡胶为有机材料，随使用年限增大，其性能逐渐产生变化。

引起变化的原因有来自外部的物理作用（煤气、光、热、外力等）和内部的化学作用（聚合物、填充材料、加桥形态等）。

由于多层橡胶的使用环境受光和热等的影响较小，主要应特别注意的橡胶的氧化反应和徐变。

   一般天然橡胶的氧化反应使其产生硬化。

如图1所示，这是由于在橡胶分子（聚合物）的硫磺结合位置氧分子介入的结果，氧分子的介入使硫磺的结合断开，进一步又使其它聚合物结合，导致分子结合网点结构的增加，约束了橡胶分子移动，这就是硬化的原因。

图1橡胶分子氧化的影响

   但是，多层橡胶由橡胶薄片和钢板组成，氧化物质渗透到橡胶内部的表面积有限。

因此，即使表面产生氧化老化，内部的橡胶却基本完好。

根据已使用100年的奥斯特拉里亚的铁道防振垫的老化调查，虽然橡胶周边部份有氧化老化层，但内部的橡胶几乎没有变化。

根据化学反应速度理论，采用加热快速试验可以预测其状态。

目前已进行了很多试验，研究多层橡胶的各种特性变化。

例如，经过60年左右，刚度增加约10～20%，破坏位移约降低10%左右。

在隔震建筑设计时考虑这些变化因素，就可以使问题得到完全解决。

进一步，在多层橡胶与外部接触的表面部分可以采用耐候性较好的橡胶材料。

   关于徐变，根据2年的足尺多层橡胶平均压应力为110～150的试验量测结果，并考虑气温变化产生的膨胀和收缩的修正，可以推断100年后徐变数不到总橡胶厚度的10%。

根据加热快速试验的徐变现象进行预测，得到如图2所示的结果。

由该图试件温度条件的变化结果，可以推断，多层橡胶在设置环境（20℃）下，徐变量约为总橡胶厚度的3～5%。

图2多层橡胶的徐变试验结果

   从以上的试验和研究结果可知，多层橡胶作为结构构件，其耐久性完全满足要求。