隔震橡膠支座豎向剛度試驗研究

彭立群，林達文，王 進，劉立峰

[1.株洲時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，同一個隔震橡膠支座樣品在不同的試驗條件下會得出不同的試驗結(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象，研究不同加載方式和加載次數(shù)對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)差分析方法對測試結(jié)果的一致性進行評價。

1 實驗

1.1 試驗標(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方法。

1.2 試驗方案

隔震橡膠支座在（23±2） ℃下停放24 h后，采用北京富力通達科技有限公司生產(chǎn)的2 500 t試驗機進行豎向剛度試驗，試驗機最大載荷為25 000 kN，最大位移為1 000 mm，靜態(tài)精度均為±1%，同時配置4個±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采用載荷控制方式，4個外接位移傳感器布置在隔震橡膠支座的4個對角，取位移平均值為變形量試驗結(jié)果，最終自動生成載荷與變形量曲線。豎向剛度試驗裝置見圖1。

圖1 豎向剛度試驗裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)加載30次對隔震橡膠支座豎向剛度的影響

2.1.1 試驗方法

連續(xù)加載試驗采用載荷控制方式，首次加載時豎向以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，分別計算5 340～9 920 kN載荷區(qū)間的割線剛度。

2.1.2 試驗結(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個循環(huán)曲線向上偏移，且斜率偏大，第2—30個循環(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次豎向剛度試驗結(jié)果見表1。

表1 連續(xù)加載30次豎向剛度試驗結(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，取第3次加載試驗數(shù)據(jù)4 577.28 kN·mm-1為試驗結(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采用連續(xù)加載方式時，首次加載時隔震橡膠支座的豎向剛度偏小，而后續(xù)的連接加載對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時必須進行1—2次預(yù)加載試驗。

首次加載時隔震橡膠支座的豎向剛度偏小的主要原因包括試驗加載和產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)2個部分。從試驗加載方面來看，由于隔震橡膠支座的直徑和接觸面積大，支座上平面及試驗機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)致試驗機本身也會產(chǎn)生一定的彈性變形，所以試驗時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，首次加載可以對橡膠起應(yīng)力調(diào)節(jié)的作用，從而使后續(xù)加載時支座的豎向剛度保持穩(wěn)定。

2.2 單獨加載30次對隔震橡膠支座豎向剛度的影響

2.2.1 試驗方法

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

2.2.2 試驗結(jié)果

單獨加載30次豎向剛度試驗結(jié)果見表2。

表2 單獨加載30次豎向剛度試驗結(jié)果 kN·mm-1

從表2可以看出，單獨加載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，這表明在單獨加載試驗條件下，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)加載和單獨加載豎向剛度試驗結(jié)果對比如圖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加載的豎向剛度。這是因為在連續(xù)加載試驗過程中，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不建議采用連續(xù)加載方式。

3 測試結(jié)果一致性的評價

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分別為試驗載荷區(qū)間的最大和最小垂向載荷，本試驗中F2，F(xiàn)1分別取9 920，5 340 kN；ΔF為試驗垂向載荷差值；S2，S1分別為對應(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次變形量與時間曲線

應(yīng)用貝塞爾公式計算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加載30次的豎向剛度值進行結(jié)果分析評價，不再單獨計算壓縮載荷和位移。

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

3.3 結(jié)果對比

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，首次加載測得的豎向剛度偏小，第2次加載時豎向剛度增大，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）采用單獨加載方式測試豎向剛度時，在進行首次預(yù)加載試驗后，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)果的評價可直接采用剛度標(biāo)準(zhǔn)差分析法。