隔震橡膠支座豎向剛度試驗(yàn)研究

彭立群，林達(dá)文，王 進(jìn)，劉立峰

[1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖南），湖南 株洲 412007]

隔震橡膠支座是一種能有效隔離地震的新型隔震裝置，在大型公共設(shè)施中的應(yīng)用越來越廣泛。隔震橡膠支座通常由鋼板與橡膠層交錯(cuò)疊置，通過高溫高壓硫化工藝成型，具有較大的豎向剛度，可以承受建筑物的垂向載荷，同時(shí)在水平方向還可以產(chǎn)生較大的位移而耗能，從而有效地隔離地震波，起到很好的隔震效果[1-2]。由于隔震橡膠支座的豎向剛度大、變形小，其檢測難度也比較大，同一個(gè)隔震橡膠支座樣品在不同的試驗(yàn)條件下會(huì)得出不同的試驗(yàn)結(jié)果[3-6]。

本工作以國內(nèi)某企業(yè)送檢的隔震橡膠支座為對(duì)象，研究不同加載方式和加載次數(shù)對(duì)隔震橡膠支座豎向剛度測試結(jié)果的影響，并采用2種標(biāo)準(zhǔn)差分析方法對(duì)測試結(jié)果的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

隔震橡膠支座標(biāo)準(zhǔn)主要參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15129—2018《隔震裝置：橡膠支座部分》，該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了支座豎向剛度的試驗(yàn)方法。

1.2 試驗(yàn)方案

隔震橡膠支座在（23±2） ℃下停放24 h后，采用北京富力通達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的2 500 t試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行豎向剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)最大載荷為25 000 kN，最大位移為1 000 mm，靜態(tài)精度均為±1%，同時(shí)配置4個(gè)±20 mm的外接位移傳感器（靜態(tài)精度±1%），具備載荷和位移2種控制方式。本工作豎向剛度試驗(yàn)采用載荷控制方式，4個(gè)外接位移傳感器布置在隔震橡膠支座的4個(gè)對(duì)角，取位移平均值為變形量試驗(yàn)結(jié)果，最終自動(dòng)生成載荷與變形量曲線。豎向剛度試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 豎向剛度試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)加載30次對(duì)隔震橡膠支座豎向剛度的影響

2.1.1 試驗(yàn)方法

連續(xù)加載試驗(yàn)采用載荷控制方式，首次加載時(shí)豎向以9 000 kN·min-1的速率加載至9 920 kN，然后在5 340～9 920 kN載荷區(qū)間內(nèi)連續(xù)加載30次，記錄載荷與變形量曲線，分別計(jì)算5 340～9 920 kN載荷區(qū)間的割線剛度。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

隔震橡膠支座連續(xù)加載30次的載荷與變形量滯回曲線如圖2所示。

圖2 隔震橡膠支座連續(xù)加載30次的載荷與變形量曲線

從圖2可以看出，隔震橡膠支座的載荷隨變形量的增大基本呈線性遞增趨勢，第1個(gè)循環(huán)曲線向上偏移，且斜率偏大，第2—30個(gè)循環(huán)曲線基本重合，且曲線光滑無異常。這表明隔震橡膠支座內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘接良好，無破壞、無異常，在連續(xù)加載30次的工況下豎向剛度基本一致。

連續(xù)加載30次豎向剛度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 連續(xù)加載30次豎向剛度試驗(yàn)結(jié)果 kN·mm-1

從表1可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，隔震橡膠支座豎向剛度的整體趨勢是保持不變，前2次為預(yù)加載試驗(yàn)，取第3次加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)4 577.28 kN·mm-1為試驗(yàn)結(jié)果，其余27次加載的豎向剛度平均值為4 604.69 kN·mm-1。這表明豎向剛度試驗(yàn)采用連續(xù)加載方式時(shí)，首次加載時(shí)隔震橡膠支座的豎向剛度偏小，而后續(xù)的連接加載對(duì)隔震橡膠支座的豎向剛度影響不明顯，因此在豎向剛度試驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行1—2次預(yù)加載試驗(yàn)。

首次加載時(shí)隔震橡膠支座的豎向剛度偏小的主要原因包括試驗(yàn)加載和產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)2個(gè)部分。從試驗(yàn)加載方面來看，由于隔震橡膠支座的直徑和接觸面積大，支座上平面及試驗(yàn)機(jī)加載面的平面度和平行度直接導(dǎo)致兩者之間不可避免地產(chǎn)生一些接觸間隙，且支座豎向載荷大導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)本身也會(huì)產(chǎn)生一定的彈性變形，所以試驗(yàn)時(shí)必須采用外接位移傳感器直接測量支座變形量。從產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)方面來看，隔震橡膠支座是一種橡膠制品，首次加載可以對(duì)橡膠起應(yīng)力調(diào)節(jié)的作用，從而使后續(xù)加載時(shí)支座的豎向剛度保持穩(wěn)定。

2.2 單獨(dú)加載30次對(duì)隔震橡膠支座豎向剛度的影響

2.2.1 試驗(yàn)方法

單獨(dú)加載試驗(yàn)采用載荷控制方式，分2天進(jìn)行，每天進(jìn)行15次加載，每次試驗(yàn)間隔30 min，每次加載時(shí)豎向以9 000 kN·min-1的速率加載至9 920 kN，首次加載進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，分別計(jì)算5 340～9 920 kN載荷區(qū)間的割線剛度。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

單獨(dú)加載30次豎向剛度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單獨(dú)加載30次豎向剛度試驗(yàn)結(jié)果 kN·mm-1

從表2可以看出，單獨(dú)加載1—30次測得的豎向剛度基本一致，豎向剛度平均值為4 553.28 kN·mm-1，這表明在單獨(dú)加載試驗(yàn)條件下，無論是初始加載階段還是后續(xù)加載階段，隔震橡膠支座的豎向剛度基本保持不變。

連續(xù)加載和單獨(dú)加載豎向剛度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 隔震橡膠支座豎向剛度與加載次數(shù)的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，連續(xù)加載的豎向剛度大于單獨(dú)加載的豎向剛度。這是因?yàn)樵谶B續(xù)加載試驗(yàn)過程中，隔震橡膠支座被壓縮后變形還沒有得到充分的恢復(fù)和調(diào)節(jié)就再一次被壓縮，所測得的變形量相對(duì)偏小，導(dǎo)致豎向剛度偏大，因此隔震橡膠支座豎向剛度試驗(yàn)不建議采用連續(xù)加載方式。

3 測試結(jié)果一致性的評(píng)價(jià)

3.1 載荷、位移標(biāo)準(zhǔn)差分析法

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型為

式中，k為隔震橡膠支座的豎向剛度，kN·mm-1；F2，F(xiàn)1分別為試驗(yàn)載荷區(qū)間的最大和最小垂向載荷，本試驗(yàn)中F2，F(xiàn)1分別取9 920，5 340 kN；ΔF為試驗(yàn)垂向載荷差值；S2，S1分別為對(duì)應(yīng)F2和F1的豎向變形量；ΔS為豎向變形量差值。

3.1.2 誤差來源

誤差來源主要包括ΔF測試重復(fù)性和ΔS測量重復(fù)性。

3.1.2.1 ΔF標(biāo)準(zhǔn)差

加載30次載荷與時(shí)間曲線如圖4所示。ΔF重復(fù)性測試數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 加載30次載荷與時(shí)間曲線

表3 ΔF重復(fù)性測試結(jié)果 kN

應(yīng)用貝塞爾公式計(jì)算ΔF標(biāo)準(zhǔn)差[s（ΔF）]：

3.1.2.2 ΔS標(biāo)準(zhǔn)差

加載30次變形量與時(shí)間曲線如圖5所示。ΔS重復(fù)性測量結(jié)果如表4所示。

表4 ΔS重復(fù)性測量結(jié)果 mm

圖5 加載30次變形量與時(shí)間曲線

應(yīng)用貝塞爾公式計(jì)算ΔS標(biāo)準(zhǔn)差[s（ΔS）]：

3.2 剛度標(biāo)準(zhǔn)差分析法

剛度分析是指直接采用單獨(dú)加載30次的豎向剛度值進(jìn)行結(jié)果分析評(píng)價(jià)，不再單獨(dú)計(jì)算壓縮載荷和位移。

根據(jù)表2的豎向剛度測試結(jié)果，應(yīng)用貝塞爾公式計(jì)算豎向剛度標(biāo)準(zhǔn)差[s（Δk）]：

3.3 結(jié)果對(duì)比

采用載荷、位移分析法得出影響隔震橡膠支座豎向剛度測試結(jié)果一致性的主要參數(shù)是ΔF，但ΔF的標(biāo)準(zhǔn)差僅為29.88 kN，對(duì)測試結(jié)果的影響很小。采用剛度分析法得到的豎向剛度標(biāo)準(zhǔn)差為32.75 kN·mm-1。2種方法的分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

（1）采用連續(xù)加載方式測試隔震橡膠支座豎向剛度時(shí)，首次加載測得的豎向剛度偏小，第2次加載時(shí)豎向剛度增大，隨著加載次數(shù)的增加，隔震橡膠支座的豎向剛度基本保持不變，加載次數(shù)對(duì)隔震橡膠支座豎向剛度測試結(jié)果的影響不明顯。

（2）采用單獨(dú)加載方式測試豎向剛度時(shí)，在進(jìn)行首次預(yù)加載試驗(yàn)后，隔震橡膠支座的豎向剛度隨著加載次數(shù)的增加基本不變。

（3）采用單獨(dú)加載方式測得的豎向剛度整體小于采用連續(xù)加載方式測得的豎向剛度。

（4）采用載荷、位移標(biāo)準(zhǔn)差分析法和剛度標(biāo)準(zhǔn)差分析法的結(jié)果基本一致，因此測試結(jié)果的評(píng)價(jià)可直接采用剛度標(biāo)準(zhǔn)差分析法。