不同剪切变形下橡胶隔震支座竖向压缩刚度试验研究

针对橡胶隔震支座,研究了其在不同水平剪切变形状态下的竖向压缩刚度理论计算方法,基于双弹簧模型,提出了改进的不同剪切变形状态下橡胶隔震支座竖向压缩刚度理论计算公式。采用建筑结构中常用的第二形状系数S 2=5系列(G4)天然橡胶支座及铅芯橡胶支座,进行了不同压应力及不同剪切变形下的压缩性能试验,通过试验研究不同水平剪切变形状态下的橡胶隔震支座竖向压缩刚度。研究结果表明:橡胶隔震支座竖向压缩刚度随剪应变增大而减小,随设计压应力增大而增大;在设计压应力相同的条件下,橡胶隔震支座竖向压缩刚度随压应力变化范围的增大而减小;基于橡胶隔震支座有效承载面积的公式虽能反映支座竖向压缩刚度随剪应变增大而减小这一趋势,但与试验结果相比误差较大;既有的基于双弹簧模型的竖向压缩刚度计算公式计算精度优于基于有效承载面积的竖向压缩刚度计算公式,但在150%以上剪应变时,也存在误差较大的问题;提出的改进的基于双弹簧模型的不同剪切变形状态下橡胶隔震支座竖向压缩刚度计算公式与试验结果吻合较好,与既有基于有效承载面积计算橡胶隔震支座竖向压缩刚度和基于双弹簧模型的计算橡胶隔震支座竖向压缩刚度的公式相比较,具有较高的计算精确度。     

剪切变形下橡胶支座压缩刚度比分析研究

为了研究不同截面形状橡胶支座在剪切变形下的压缩刚度,该文分别基于双弹簧模型与有效面积模型推导了四种截面形状（环形、圆形、方形及矩形）支座的压缩刚度比公式,然后采用ABAQUS建立七个支座有限元模型,结合已有的支座压缩及剪切试验,验证所建立的有限元模型能够准确模拟橡胶支座的实际受力情况,在此基础上,结合理论模型对比分析了不同支座的压缩性能。分析结果表明:压缩及剪切试验中,支座刚度计算值与试验值相差均在5%以内;支座压缩刚度比只与剪切变形与截面惯性半径比值有关,与截面形状及截面尺寸大小无关;该文建立的模型及拟合刚度比公式能够有效模拟橡胶支座在不同剪切变形下的压缩刚度变化情况。     

铅芯橡胶隔震支座大变形硬化模型及隔震结构弹塑性分析研究

对直径为600 mm和1100 mm的铅芯橡胶支座进行了剪切变形400%的水平大变形剪切试验,试验结果表明支座在240%剪切变形后发生屈服后刚度增大现象,且硬化刚度随剪切变形的增大而增大,400%剪切变形时刚度硬化增加到1.5倍。根据试验结果进一步提出了一种考虑硬化效应的铅芯橡胶支座多线性大变形硬化恢复力模型,并将此模型用于Perform-3D软件中。对8层隔震结构进行不同地震烈度下的弹塑性分析,支座分别采用传统双线性模型与多线性大变形硬化模型,对比分析结构的地震动响应、弹塑性反应谱以及塑性耗能情况。结果表明在大震下隔震支座硬化隔震效果减弱,上部结构加速度增加30%~50%,结构塑形耗能增加,上部结构进入塑性变形状态。研究结果表明隔震设计中大震验算不考虑支座硬化效应会低估结构地震反应。     

天然橡胶支座大变形压剪性能的双非线性超弹性理论和实验研究

基于非线性固体力学已经形成与材料微观结构紧密结合的发展局面,该文从微观上橡胶的超弹性本构方程出发,推导出单层橡胶内任一点的竖向应力满足调和函数,进一步对竖向应力积分得到单层橡胶的单轴等效弹性模量E c与纯弯等效弯曲刚度EcIs。将隔震橡胶支座等效为符合E c与EcIs的均质体,建立橡胶支座在两种外部荷载同时作用下,能宏观反映剪切变形与弯曲程度的偏微分平衡方程,并得到通用解答,解决了橡胶支座竖向与水平两种荷载耦合作用时大剪切变形的几何非线性问题。在此基础上,开展了足尺隔震橡胶支座压剪实验,依据实验剪切模量G和水平剪应变γ曲线,得到的支座水平推力F H和γ的实验曲线与理论曲线几乎完全重叠,即通过将材料非线性引入以上微分平衡方程,实现了超弹性橡胶支座大剪切变形的双非线性问题。通过以上解答,得到了隔震橡胶支座内力分布规律,对判断支座薄弱部位有明确的指导意义。随后,对隔震橡胶支座比较重要的两个特性(剪应变相关性,轴压力相关性)进行了对比分析,结果表明：随着轴力增大,橡胶支座的P-Δ效应并不明显,而橡胶内应力的变化不可忽视,同时,剪应变越大,压力相关性越强。可以采用该文的理论方法,通过传感器监测到...     

倾斜旋转型三维隔震装置的力学模型和竖向性能试验研究

基于铅芯橡胶隔震支座的变形及耗能力学性能特点,设计开发出一种新型的倾斜旋转型三维隔震装置,给出了三维隔震装置的组成构造和力学性能设计方法,提出了三维隔震装置的变形机理,推导了三维隔震装置的刚度和阻尼的理论计算公式。设计了倾斜旋转型三维支座的模型支座系统,并完成了竖向压缩力学性能试验。试验结果表明该倾斜旋转型三维隔震装置构造合理、传力机制明确,在竖向变形状态下具有良好的阻尼耗能性能;试验得到的支座刚度和理论计算刚度一致性较好。     

橡胶支座与R／C柱串联隔震系统水平刚度系数

将叠层橡胶支座和Ｒ／Ｃ柱的串联机构作为隔震系统的做法在实际工程中已有应用,但至今尚无规范化的设计计算方法。该文将橡胶支座简化为考虑Ｐ－Δ效应的剪弯型竖杆、Ｒ／Ｃ柱简化为弯曲型竖杆,建立了橡胶支座和Ｒ／Ｃ柱串联隔震系统的分析模型,推导了水平刚度系数的实用计算公式,并对典型参数的影响进行了分析。     

串联隔震系统水平刚度及对结构地震响应影响

针对工程界比较关注的柱串联隔震系统的水平刚度问题,建立了水平刚度计算公式,探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。首先建立了单个叠层橡胶支座的场矩阵;其次根据传递矩阵法建立了柱串联隔震系统的场矩阵,根据所得场矩阵推导出串联隔震系统顶部状态变量与任意截面内力和位移之间的关系,进而推导出串联隔震系统的水平刚度计算公式,避免了繁琐的力学推导过程;最后探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。结果表明水平刚度随着压应力的增大而减少,近断层附近建议采用隔震支座直接固定在基础上的隔震方案。     

斜向三维隔震支座的非线性力学性能试验及数值模拟研究

该文针对三维隔震结构较高竖向承载力和减震效果的需求,基于铅芯橡胶支座提出了斜向三维隔震支座,并基于铅芯橡胶支座的非线性力学本构模型,建立了考虑压缩应力及刚度衰减影响的三维隔震支座非线性竖向刚度计算模型。进行了倾斜角度分别为12°和15°的三维隔震支座模型力学性能试验,试验结果得到了该三维隔震支座滞回模型呈现出加载和卸载非平行特征,竖向刚度呈现非线性变化,以及角度和竖向位移对力学性能的影响规律。进一步对理论与试验结果进行对比分析,三维隔震支座的试验结果与理论计算值吻合。最后利用通用有限元软件建立不同倾斜角度的三维隔震支座数值分析模型,基于计算理论、静力试验及数值仿真结果分析了摩擦系数、剪应变、倾斜角度对三维隔震支座非线性竖向刚度的影响。     

厚层橡胶支座的力学性能试验研究

普通橡胶支座具有较大的竖向刚度,往往与结构的竖向周期耦合引起不利的共振效应,为了避免竖向地震对隔震建筑内重要仪器设备的损害,提出利用厚层橡胶支座进行隔震的方法,并对厚层橡胶支座的力学性能进行了系统的试验研究。试验表明:与普通橡胶支座相比,厚层橡胶支座具有基本相同的剪切刚度和较小的竖向刚度,可用于核电、桥梁、地铁站等结构的三维隔震。厚层橡胶支座具有良好的大变形性能、疲劳性能、徐变性能和老化性能。针对厚层橡胶支座的轴压敏感性,提出了一种考虑橡胶层压缩模量、面积、厚度变化的积分修正方法,修正值与试验结果吻合较好。     

老化普通板式橡胶支座的剪切性能研究

普通板式橡胶支座作为我国公路钢筋混凝土梁桥体系中的重要支承构件,其老化力学性能可影响局部及整体结构的服役安全性。因此,考虑橡胶材料老化、轴向压应力、支座几何构型等参数,研究老化橡胶支座在不同受力阶段的剪切性能。设计并进行了6个普通板式橡胶支座的剪切性能试验,对不同参数影响下支座的剪应变-剪应力曲线、剪切模量、水平位移-水平力及剪切刚度等参数进行对比分析。进一步应用有限元数值模拟方法,对老化支座的剪切性能进行参数分析,其有限元分析结果与试验结果进行对比。结果表明,橡胶等效老化年限小于20年,其橡胶老化对支座剪切性能的影响较小,则当橡胶等效老化时间大于50年,其剪切模量和剪切刚度增加,剪切变形能力降低,而橡胶老化对支座宏观剪切刚度的影响程度明显大于对材料剪切模量的影响。此外,支座剪应力-剪应变曲线、水平位移-水平力曲线及剪切刚度模拟结果随老化时间的变化规律与试验结果一致,且支座剪切性能随其剪切变形的增大,其模拟结果与试验结果之间差距逐渐降低。其中,当支座剪切变形达到100%时,支座剪切刚度模拟结果与试验结果最大相差20.4%,模拟结果与理论计算结果最大相差21.2%。鉴于实际桥梁工程中橡胶支座的老化受环境气候条件、车辆荷载或偶然荷载等的综合影响,其老化速度会有所加快,在进行老化支座剪切性能计算时应考虑其老化性能指标的取值。     

Modeling and analysis of laminated rubber bearings under axial tensile loading

To analyze the tension performance of laminated rubber bearings under tensile loading, a tension model for analyzing the rubber layers is proposed based on the theory of elasticity. Applying the boundary restraint condition and the assumption of incompressibility of the rubber layers, stress and deformation expressions for the tensile rubber layers are derived. Based on the derived expressions, the stress distribution and deformed pattern specifically for deformed shape of the free edges of rubber layers are analyzed, and the theory of cracking energy is applied to analyze the distributions of predicted cracking energy density and gradient direction. Prediction of crack initiation and crack propagation direction of the rubber layers is investigated. The analytical results show that the stress and deformation expressions can be used to simulate the stress distribution and deformed pattern of the rubber layer for laminated rubber bearings in the elastic range, and the crack energy method for predicting the failure mechanism is feasible according to the experimental phenomenon.     

隔震曲线连续梁桥铅芯橡胶支座参数优化

为了提升铅芯橡胶支座（LRB）在隔震曲线梁桥中的减隔震效果,该文对LRB力学性能参数进行了优化分析。首先,采用ANSYS建立了某三跨隔震曲线梁桥有限元模型,考虑LRB屈服力、初始刚度及屈服后刚度等性能参数的影响,对该桥进行非线性时程分析,得到了结构关键地震响应随支座力学性能参数的变化规律,并确定了支座参数的合理取值范围。在该支座参数区间内,又以墩底剪力之和为目标函数,基于零阶优化算法,对LRB力学性能参数进行了优化。结果表明:屈服力、初始刚度及屈服后刚度对隔震连续梁桥地震响应有显著影响;隔震支座参数优化后,使得隔震支座峰值位移得到了有效控制,同时不显著增大墩底剪力,且边墩与中墩墩底剪力差值明显缩小,各墩受力更趋均衡。     

板式橡胶支座梁桥的典型横向震害及其影响因素分析

针对板式橡胶支座梁桥在汶川地震中大面积失效的现象,基于震害调查资料对这类桥梁的典型横向震害特征进行了总结,然后基于试验成果和理论分析模型,采用增量动力分析研究了典型桥例的地震损伤过程,并与震害特征进行对比验证,采用参数分析揭示了桥梁横向震害特征的关键影响因素及其规律。研究表明:板式橡胶支座梁桥的典型横向震害是位移失控,其结构性损伤很轻;支座的柔性和滑移对墩柱抗震有利,但当地震动较大时,挡块脆断会造成梁体严重移位、支座脱空;挡块的强度、变形能力、间隙和支座的摩擦因数都是横向震害的影响因素;强度和变形能力越大,挡块限位效果越好,但强度增大会造成墩柱延性系数成倍增长,而变形增大对墩柱的影响明显更小;间隙是保证支座隔震和挡块限位的重要方面,不宜过大也不宜过小,该研究中桥例取5 cm时可达最优效果;摩擦因数对支座隔震效果的影响很大,摩擦因数越大,墩柱的延性系数也越高;改善挡块变形可达到与提高强度相同的限位效果,且对支座隔震的阻碍更小。因此,对传统挡块进行改进宜从提高其变形的角度出发,工程应用中可综合优化挡块的强度和变形来实现预期抗震目标。     

冻融条件下公路桥梁板式氯丁橡胶支座抗剪试验

公路桥梁橡胶支座比建筑橡胶支座更容易受到气候的影响,为了研究公路桥梁板式氯丁橡胶支座在受到气候影响时的各项抗剪性能指标变化情况,采用标准冻融试验箱模拟低温气候变化,对氯丁橡胶支座进行冻融循环处理25、50、75、100次,并对其进行抗剪试验,采用与标准试件进行对比分析的方法,研究冻融循环对氯丁橡胶支座的抗剪承载力、抗剪强度、水平等效刚度、抗剪弹性模量的影响。结果表明,氯丁橡胶支座在冻融循环处理条件下比标准试件更易发生破坏,且钢板外露、裂缝等破坏现象更严重。氯丁橡胶支座的抗剪承载力、抗剪强度、水平等效刚度、抗剪弹性模量都随冻融程度的加深而降低。采用最小二乘法对其抗剪强度和抗剪弹性模量变化进行分析并给出衰减曲线和衰减函数,抗剪强度和抗剪弹性模量的变化趋势基本符合幂函数规律。     

高层框架-剪力墙隔震结构地震响应研究

针对高层框架-剪力墙基础隔震结构,考虑框架与剪力墙之间的相互作用,建立了高层框架-剪力墙基础隔震结构的动力分析模型,剪力墙为分布参数体系,框架结构为集中参数体系,通过边界条件把隔震支座及框 架-剪力墙结构中框架部分对剪力墙的影响引入到分布参数体系,推导出高层框架-剪力基础隔震结构的频率方程及振型正交条件,进一步应用Hamilton原理,推导出隔震层隔震装置作用在各振型上的等效阻尼比,从而实现该体系运动方程的解耦,然后通过振型叠加法求解结构的地震响应。通过对一栋10层框架-剪力墙基础隔震结构进行动力特性及地震响应仿真分析,结果显示,建立的动力分析模型能较好的反映结构的动力特性,提出的高层框 架-剪力墙隔震结构动力求解新方法能方便的求解结构的动力响应,与有限元数值积分法基本一致,可以反映地震作用下框架与剪力墙相互作用的经历。     

基于行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系研究

针对目前最常用的32 m跨径高铁简支梁桥,同时考虑对行车安全不利的路桥过渡段和墩高改变处,对高铁桥梁的行车安全性能进行了评价;分析了铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等常规减隔震方案在高铁桥梁中运用的可行性.分析结果表明,采用盆式橡胶支座的高铁桥梁在地震作用下轨道变形和轨道横向加速度较大,无法满足高速运行的列车的行车安全性要求;...     

板式橡胶支座滑动的地震响应分析

支座是桥梁中的支承部分,是连接桥梁上部结构和下部结构的重要构件,板式橡胶支座常直接放置于墩顶,水平力传递完全靠接触面间的摩擦力作用,在地震作用下可能会发生滑动。通过建立单墩计算模型,对板式橡胶支座滑动的动力性能进行分析。为了克服由于板式橡胶支座滑动引起的梁体移位震害的不足,以一连续梁桥为研究背景,利用Midas软件进行了非线性时程反应分析,探讨目前板式橡胶支座桥梁所存在的问题,提出将梁桥中对称桥墩处改置一铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。结果表明：该方法能够有效地控制支座以及其上梁体的地震位移,减少落梁震害的发生。