铅芯橡胶支座竖向刚度试验研究

王建强，赵 云，刘耀东，赵 卓，赵 军

(1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001;2.宁波工程学院 建筑工程学院，浙江 宁波 315211)

铅芯橡胶支座竖向刚度试验研究

王建强1，赵 云1，刘耀东1，赵 卓2，赵 军1

(1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001;2.宁波工程学院 建筑工程学院，浙江 宁波 315211)

对铅芯橡胶支座的竖向刚度进行了试验研究，分析了支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响。结果表明:在纯压状态下，支座的竖向压缩变形和竖向刚度均随着竖向压应力的增大近似呈线性增大。在偏压状态下，随着支座剪切应变的增大，支座的竖向压缩位移增大，并且竖向压应力越大，支座竖向压缩位移的增大幅度越大;但支座的竖向刚度随着支座剪切应变的增大近似呈线性减小，并且竖向压应力越大，支座竖向刚度减小的幅度越大。

铅芯橡胶支座 竖向刚度 竖向压应力 剪切应变 试验研究

铅芯橡胶支座是在普通橡胶支座中加入一定数量的铅芯，使支座不仅具有合理的水平刚度，而且具有一定的阻尼，提高了支座的耗能能力，在房屋建筑和桥梁工程中得到了广泛的应用，并在多次实际地震中表现出良好的隔震效果［1-2］。对于铅芯橡胶支座而言，不仅应具有较大的竖向承载力，以承受上部结构的竖向荷载;而且还应具有合理的竖向刚度，使支座在上部结构竖向荷载的作用下不产生过大的竖向变形，并控制隔震结构的竖向自振周期［3］。近年来，研究人员对橡胶支座的水平力学性能［4-7］和竖向力学性能［8-11］进行了试验和分析，表明竖向荷载对支座的水平和竖向力学性能均有一定的影响。本文将对铅芯橡胶支座的竖向刚度进行试验研究，分析支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响。

1 试验概况

本试验采用国内某厂家生产的LRB 200型铅芯橡胶支座，支座构造如图1所示，支座参数见表1。

图1 支座构造(单位:mm)

表1 支座参数

试验加载设备包括:竖向加载采用1台1 500 kN电液伺服作动器，行程为 ±250 mm;水平加载采用1台500 kN电液伺服作动器，行程为±125 mm;竖向加载和水平加载可同时进行，加载方式为荷载或位移，输入波形为正弦波、三角波、梯形波、斜波、组合波、地震波等。本试验对铅芯橡胶支座的竖向刚度进行研究，竖向加载采用荷载控制，水平加载采用位移控制。试验方法采用国家标准《隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007)［12］中有关支座压缩性能试验所推荐的方法2，如图2所示。即:0—P0—P2—P0—P1(第1次加载)，P1—P0—P2—P0—P1(第 2次加载)，P1—P0—P2—P0—P1(第 3次加载)。其中:P0为设计压力，P2为1.3P0，P1为0.7P0。支座的竖向压应力分别为3，6，9，12，15，18和21 MPa，竖向荷载和水平位移均采用正弦加载，加载频率均为0.01 Hz，具体工况如下所示。

图2 支座竖向荷载加载方法

1)工况1。支座在纯压状态下的竖向刚度试验，首先对支座施加竖向压力P0，而后按照试验方法对支座在±0.3 P0范围内加载、卸载循环4次，取第3次循环的结果计算竖向刚度，最后对支座进行卸载。

2)工况2。支座在压剪状态下的竖向刚度试验，首先对支座施加1.5 MPa的竖向压应力，再对支座施加水平位移 X0，使支座的剪切应变分别为 50%，100%，150%和200%，继续对支座施加荷载至竖向压力为P0，而后按照试验方法对支座在 ±0.3 P0范围内加载、卸载循环4次，取第3次循环的结果计算竖向刚度，加载完成后支座竖向压应力卸载至1.5 MPa，支座水平回复原位，最后对支座进行卸载。

铅芯橡胶支座的竖向压缩刚度按式(1)计算

式中:P1为第3次循环时的较小压力;P2为第3次循环时的较大压力;Y1为第3次循环时的较小位移;Y2为第3次循环时的较大位移。

2 试验结果分析

2.1 纯压状态下支座竖向刚度

对铅芯橡胶支座进行纯压状态下的竖向刚度试验研究。竖向压应力为12 MPa时支座竖向荷载与竖向位移的关系曲线如图3(a)所示，支座的竖向压缩位移(即对支座进行第3次竖向加载过程中竖向荷载为P2时支座的竖向位移Y2)如图3(b)所示，支座的竖向刚度如图3(c)所示。

图3 纯压状态下支座的竖向刚度试验结果

由图3(a)可以看出，铅芯橡胶支座在竖向加载过程中，支座的4次竖向荷载和竖向位移关系曲线几乎重合在一起，并且支座在加载过程中未出现破坏，卸载后支座基本恢复原状，表明支座具有稳定的竖向承载能力和变形性能。

由图3(b)可以看出，在纯压状态下支座的竖向压缩位移随着竖向压应力的增大近似呈线性增大。竖向压应力由3 MPa增大至21 MPa时，支座的竖向压缩位移由1.09 mm增大至3.19 mm，竖向压缩位移增大了约2倍。但在各种压应力作用下支座的竖向压缩位移较小，有利于保证支座和上部结构在竖向荷载作用下的稳定性。

由图3(c)可以看出，在纯压状态下支座的竖向刚度随着竖向压应力的增大近似呈线性增大。竖向压应力由3 MPa增大至21 MPa时，支座的竖向刚度由2.55×105kN/m增大至5.05×105kN/m，竖向刚度增大了约1倍。

2.2 偏压状态下支座竖向刚度

对铅芯橡胶支座进行偏压状态下的竖向刚度试验研究。竖向压应力12 MPa时各剪切应变状态下支座竖向荷载与竖向位移的关系曲线见图4(a)，支座在不同竖向压应力和剪切应变状态下的竖向压缩位移(即对支座进行第3次竖向加载过程中竖向荷载为P2时支座的竖向位移Y2)见图4(b)，支座在不同竖向压应力和剪切应变状态下的竖向刚度见图4(c)。

由图4(a)可以看出，铅芯橡胶支座在竖向加载过程中，在不同剪切应变下支座的4次竖向荷载和竖向位移关系曲线均几乎重合在一起，表明支座在不同剪切应变下均具有稳定的竖向承载能力和变形性能。并且随着支座剪切应变的增大，支座竖向荷载和竖向位移关系曲线的斜率逐渐减小，支座的竖向刚度逐渐减小。同时，在各工况加载过程中支座均未出现破坏，卸载后支座均能基本恢复原状，表明支座具有稳定的竖向承载能力和变形性能。

图4 偏压状态下支座的竖向刚度试验结果

由图4(b)可以看出，在不同竖向压应力作用下，随着支座剪切应变的增大，支座的竖向压缩位移增大，并且竖向压应力越大，支座竖向压缩位移的增大幅度越大。如:竖向压应力为3 MPa时，支座剪切应变由0增大至200%，支座的竖向压缩位移由1.09 mm增大至1.75 mm，增大了约61%;竖向压应力为 21 MPa时，支座剪切应变由0增大至200%，支座的竖向压缩位移由3.19 mm增大至5.30 mm，增大了约66%。同时，从整体来看在各种压应力和剪切变形状态下支座的竖向压缩位移均较小，有利于保证支座和上部结构在竖向荷载作用下的稳定性。

由图4(c)可以看出，在不同竖向压应力作用下，随着支座剪切应变的增大，支座的竖向刚度近似呈线性减小，并且随着竖向压应力的增大，支座竖向刚度减小的幅度越大。如:竖向压应力为3 MPa时，支座剪切应变由0增大至200%，支座的竖向刚度由2.55× 105kN/m减小至2.00×105kN/m，减小了约22%;竖向压应力为 21 MPa时，支座剪切应变由0增大至200%，支座的竖向刚度由 5.05×105kN/m减小至3.47×105kN/m，减小了约32%。

3 结论

通过对铅芯橡胶支座在纯压和偏压状态下竖向刚度的试验研究，分析了支座竖向压应力和剪切应变对支座竖向刚度的影响，得出了以下主要结论:

1)在纯压和偏压状态下，在竖向加载过程中铅芯橡胶支座具有稳定的竖向承载能力和变形性能。

2)在纯压状态下，支座的竖向压缩变形随着竖向压应力的增大近似呈线性增大;在偏压状态下，随着支座剪切应变的增大，支座的竖向压缩位移增大，并且竖向压应力越大，支座竖向压缩位移的增大幅度越大。

3)在纯压状态下，支座的竖向刚度随着竖向压应力的增大近似呈线性增大;在偏压状态下，随着支座剪切应变的增大，支座的竖向刚度近似呈线性减小，并且随着竖向压应力的增大，支座竖向刚度减小的幅度越大。

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Experimental study on vertical stiffness of lead-centered rubber bearings

WANG Jianqiang1，ZHAO Yun1，LIU Yaodong1，ZHAO Zhuo2，ZHAO Jun1
(1.School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001，China; 2.School of Civil Engineering，Ningbo University of Technology，Ningbo Zhejiang 315211，China)

Vertical stiffness test of the lead-centered rubber bearings was carried out，and the influence of the vertical compression stress and shear strain on the vertical stiffness of the bearings was studied.T he results show that the vertical compressive deformation and the vertical stiffness of the bearing increase linearly with increasing vertical compression stress when the bearing is under compression.Under compression with eccentricity，the vertical compressive deformation of the bearing increases with increasing shear strain，and it increases more significantly with increasing vertical pressure-stress.T he vertical stiffness of the bearing decreases linearly with increasing shear strain，and it decreases more significantly with increasing vertical compression stress.

Lead-centered rubber bearing;Vertical stiffness;Vertical compression stress;Shear strain;Experimental study

TU375.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.10

(责任审编 赵其文)

2015-06-14;

:2015-09-28

国家自然科学基金河南省联合基金项目(U1204502);河南省重点科技攻关项目(102102210062);河南省高校科技创新团队(15IRTSTHN026)

王建强(1975— )，男，教授，博士。

1003-1995(2015)11-0033-04