建筑隔震橡膠支座鉛芯與橡膠體的間隙對支座性能影響的研究

谷立寧，趙貴英，張紅永，張學(xué)文，李浩冉

(衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000)

鉛芯隔震橡膠支座由鉛芯、橡膠層、鋼板等疊層粘結(jié)而成。在水平剛度方面：薄鋼板不影響橡膠板的水平變形，因而保持了橡膠固有的柔韌性，為支座提供了水平向柔性和恢復(fù)力的功能，從而達(dá)到延長結(jié)構(gòu)周期的目的。通過調(diào)整鉛芯的面積，可以改變鉛芯支座的阻尼比，能有效的吸收地震能量。因此，鉛芯隔震支座是一種既具有較高承載性，又具有較大阻尼，大水平位移和復(fù)位功能的集支承與耗能于一體的減震裝置。

目前理論中一般認(rèn)為支座結(jié)構(gòu)及橡膠材料一定的情況下，鉛芯的面積尺寸影響著支座水平性能及阻尼比。本文通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)除鉛芯的面積尺寸影響支座的水平性能外，鉛芯與橡膠體之間的間隙也是支座的水平性能及阻尼比的影響因素。

1 鉛芯隔震橡膠支座水平性能計(jì)算

目前GB 20688.3—2006中附錄D.3中鉛芯橡膠支座的剪切性能中提到屈服后剛度：

水平等效剛度：

Kr—鉛芯橡膠支座嵌入鉛芯前的水平等效剛度。

式中各符號含義：

Ckd(γ)—鉛芯橡膠支座屈服后剛度的修正系數(shù)；

γ—剪應(yīng)變；

Kp—鉛芯橡膠支座中鉛芯的水平等效剛度；

Qd—鉛芯的屈服力；

Tr—支座橡膠層的總厚度；

G—支座橡膠的剪切彈性模量；

A—支座的有效承壓面積。

由式中可知，理論上在其他條件相同的情況下，隨著屈服力數(shù)值的增大，鉛芯橡膠支座的屈服后剛度、水平等效剛度的數(shù)值也相應(yīng)變大。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)條件的限制（如支座出模厚度存在偏差）、材料批次差異等方面的原因，鉛芯與橡膠支座之間存在一定的間隙現(xiàn)象是無法避免的。而在實(shí)際檢測過程中發(fā)現(xiàn)，由于鉛芯與橡膠支座的間隙變小，存在著隨著屈服力數(shù)值的增大，鉛芯橡膠支座的屈服后剛度、水平等效剛度的數(shù)值變小的情況。

2 鉛芯間隙對鉛芯橡膠支座性能影響的對比試驗(yàn)

試驗(yàn)通過對15塊LRB-D600×177的鉛芯橡膠支座的100%水平性能試驗(yàn)，試驗(yàn)時每塊支座水平性能試驗(yàn)檢測3次，分別為放入鉛芯試驗(yàn)、鉛芯處增加一個D110×5的鉛片、增加兩個D110×5的鉛片3次試驗(yàn)。

由表3數(shù)據(jù)及圖1至圖4可以看到，由于增加的鉛片填充了支座鉛芯與支座預(yù)留孔之間的間隙空間，因此鉛芯的剪切面積及相關(guān)的屈服力整體上處于逐漸增大的狀態(tài)，而屈服后剛度、水平等效剛度處于數(shù)值逐漸變小的情況。且無鉛片到一層鉛片變化明顯比一層鉛片到兩層鉛片變化大。支座結(jié)構(gòu)信息及理論性能分別如表1、表2所示。

圖4 各支座等效阻尼比變化趨勢圖

表1 支座結(jié)構(gòu)信息

表2 理論上支座性能參數(shù)（設(shè)計(jì)承壓12MPa）

表3 各支座試驗(yàn)結(jié)果

通過圖5～圖19對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線圖分析，由于無鉛片時鉛芯與橡膠體之間預(yù)留了3mm的間隙，因此支座的試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)類似高阻尼支座的柳葉形現(xiàn)象。柳葉形狀態(tài)下，由于初始屈服力數(shù)值較低，而曲線尾端力值明顯增大。因此代表水平等效剛度、屈服后剛度的曲線斜率較大——數(shù)值較大。

圖1 各支座水平等效剛度變化趨勢圖

圖2 各支座屈服后剛度變化趨勢圖

圖3 各支座屈服力變化趨勢圖

圖5 01號支座試驗(yàn)曲線

圖6 02號支座試驗(yàn)曲線

圖7 03號支座試驗(yàn)曲線

圖8 04號支座試驗(yàn)曲線

圖19 15號支座試驗(yàn)曲線

圖9 05號支座試驗(yàn)曲線

圖10 06號支座試驗(yàn)曲線

圖11 07號支座試驗(yàn)曲線

圖12 08號支座試驗(yàn)曲線

圖13 09號支座試驗(yàn)曲線

圖14 10號支座試驗(yàn)曲線

圖15 11號支座試驗(yàn)曲線

圖16 12號支座試驗(yàn)曲線

圖17 13號支座試驗(yàn)曲線

圖18 14號支座試驗(yàn)曲線

通過增加鉛片，鉛芯與支座之間的間隙減少，試驗(yàn)曲線柳葉形的現(xiàn)象減少。屈服力初始點(diǎn)上移，而曲線尾端上挑現(xiàn)象消除，因此代表水平等效剛度、屈服后剛度的曲線斜率降低——即數(shù)值降低。

經(jīng)理論分析由于添加一個5 mm鉛片后，鉛芯與支座之間的預(yù)留間隙由3 mm降低為1.5 mm。添加兩個5 mm鉛片后，鉛芯與支座之間的預(yù)留間隙消除。從以上結(jié)果可以看到，間隙3 mm到1.5 mm的變化明顯大于間隙1.5 mm到無間隙之間的變化。因此鉛芯與支座之間的間隙存在一個臨界值，此臨界值會引起支座性能的明顯變化。

3 結(jié)語

通過以上分析可以看出，鉛芯與橡膠體之間的間隙對于支座性能存在較大影響，易造成支座設(shè)計(jì)與生產(chǎn)調(diào)整方向的偏差。

由于生產(chǎn)條件等方面的限制，鉛芯與支座之間的間隙是客觀存在的現(xiàn)象，因此建議支座試驗(yàn)存在偏差的情況下，不能簡單地按照偏差對支座進(jìn)行設(shè)計(jì)及原材料方面的調(diào)整，應(yīng)充分分析試驗(yàn)曲線，看是否存在鉛芯與支座間隙較大的情況。同時有時可以通過對鉛芯與支座間隙的調(diào)整，來調(diào)整支座成品的性能參數(shù)。