源自隔震橡胶研发的高分子材料使用寿命预测技术

杨 鸣 编译

源自隔震橡胶研发的高分子材料使用寿命预测技术

杨 鸣 编译

综合阐述了日本抗震建筑物的发展概况，详细介绍了隔震橡胶使用寿命的预测。

隔震橡胶；预测；使用寿命

1 前言

对于任何一项技术或一个产品来说，两大要素最重要，那就是功能与耐久性。如果不能同时获得这两大要素，就不能被视作完美的产品。按照目标和性能制造出来的产品，其使用寿命是多久？如何来预测它呢？就新技术，新产品的开发而言，这是一项极其重要的研究课题。文中将要涉及的隔震橡胶的使用寿命必须长久，因而不得不对其使用寿命进行预测。

预测使用寿命的目的是赋予材料设计、结构设计中的性能与安全性以规定的基准。所有的作业（或操作）都要求定量，所以，定量化乃势在必行。文中要讨论的是隔震橡胶的使用寿命预测，至少在橡胶领域，可以透彻地阐述预测使用寿命的实例。在六十年如此冗长的时间段里，该文作者围绕保护建筑物这一宗旨，进行了一系列的研究。

2 日本普及了抗震建筑物

在最近发生的核电站事故中，日本福岛县第一核电站内的“重点抗震建筑物”进入了人们的视野。在那里设立了抗震指挥部，事故处理人员的居所经常出现在电视画面中。最近，为了保护东京火车站的“丸之内”车站大楼，对建筑物进行了抗震施工，这已家喻户晓。

现在，包括正在施工中的建筑物，日本拥有抗震建筑物3500栋，抗震居民住宅楼5000栋。不论是公共建筑物还是企业大楼，都在快速地实施抗震化措施。很大一部分建筑物在地震时不会失去功能，而且在地震后能够迅速发挥其功能。比如说医院，消防局，政府大楼这类公共建筑；又如企业里的办公大楼，计算机房，核心生产设备以及计算测量大楼这些企业的信息与技术核心部门所在的建筑物。

3 什么是抗震建筑，何为隔震橡胶

地震（地震波）是一种在地壳深处产生的、伴随着板块被破坏而产生的震动，它在地底下传播时以各种不同振动的周期（频率的倒数）不断地变化。但是，几乎所有的地震波都集中在宽幅的频率带上，从0.1 s～0.7、0.8 s之间的频率成分（强震）相当多，而3 s以上的长振动频率就非常罕见了。不幸的是，大多数的建筑物，其固有振动周期都在0.2～0.7 s之间，也就是说，会与地震波一起共振，使建筑物遭受冲击性（加速度极大）的摇晃破坏。

本着“避免与地震波形成共振”这一设计思路，在普通建筑物上加装隔震装置，使建筑物的固有振动周期变为3 s以上，这就是抗震建筑物。说得更准确一些，建筑物的纵向振动比强烈的横向振动要轻微一些。因此在地震发生时，对于水平方向的摇晃来说，为使建筑物不产生共振，需要设置一个移动装置，即在水平方向上稍微施加一个轻微的力，该装置便会移动（低剪切刚度）。能满足这个要求的装置就是隔震橡胶，即在建筑物本体与地基之间设置隔震橡胶，这就是抗震建筑物的建造方法。

在通常情况下，隔震橡胶的作用是支撑和固定建筑物。发生地震时，它承载着建筑物本体，使沿水平方向的大变形（剪切变形）来回进行多次。发生地震时，建筑物不会发生冲击性晃动，而是缓慢地（周期较长）左右摇晃。因此，建筑物本身自不必说，连大楼内的人员与器物也几乎不受地震的影响。隔震橡胶由30～40层橡胶与铁板间隔叠加而成（图1），因此它在垂直方向上非常坚硬，而在水平方向上却异常柔软。一般来说，其垂直方向与水平方向的弹簧常数比为1500∶1。

图1 隔震橡胶

4 隔震橡胶不可或缺的使用寿命预测及其60 a的耐久性

该文作者非自愿地对橡胶的使用寿命进行预测，乃起步于某建筑公司的一次技术研讨会上。在那次会议上，有人发表了这样的意见：“我们公司在进行超高层建筑物抗震设计的时候，会先对建筑物的抗震措施进行详尽的解析，而后计算该建筑物的结构强度，估算出能充分确保其安全的安全系数，再根据这些数据进行设计。对于抗震建筑物，我们也是采取同抗震结构体一样的方法，以同样的精度进行设计。但是，就隔震而言，对支撑建筑物基础的隔震橡胶却不甚了解。在长期使用过程中，隔震橡胶的性能会发生什么样的变化呢，实在是不得而知。”

如果是这样的话，要对隔震结构进行整体安全设计则是无稽之谈。总之，弹性模量及功能退化随时间推移的变化自不必说，对隔震橡胶内发生的局部应力和应变来说，只要不能对隔震橡胶破损特性进行定量，那么它的变形极限和建筑物所许可的变化极限也无从确定。况且，如果这些数值多年后发生了变化，那么对隔震橡胶的使用寿命正确地加以预测，是绝对必要的。

另一方面，作为一个实质性的问题，如果隔震橡胶的使用寿命比建筑物的寿命（混凝土建筑物的使用寿命当时定为60 a）还短，那么建筑物在拆毁前，隔震橡胶必须要更换多次。亦即，如果能正确地预测隔震橡胶的长时间性能变化与耐久性，加之，使用寿命在60 a以上的话，那么，采用隔震橡胶的抗震建筑物在抗震标准严格的日本，是不可能普及的。

毋容置疑，上述二个命题对当时的橡胶业界来说是二道束手无策的难题。原因在于，包括轮胎在内，一般橡胶制品的使用寿命在5～10 a之间。另一方面，就橡胶制品使用寿命预测而言，作为一项研究课题，即使有了一些可定性的研究实例，但是作为一种实用的设计方法，目前尚无这一方面的论文发表。因此，碍于这二道难题不能解决，隔震橡胶这一制品在日本难以发展，因此我们不得不横下一条心。于是，在1985年便开始着手隔震橡胶长期使用寿命预测的研究，以及确保使用寿命达60 a以上的隔震橡胶的开发。

5 隔震橡胶使用寿命之预测

（1） 预测使用寿命的必要条件

不言而喻，橡胶制品使用寿命之预测的第一要素为：①定量掌握产品在使用期间所受到的外部因素影响；②定量掌握外部因素对该产品产生的力学作用（应力，应变及龟裂等）。第二要素是定量预测在如此条件下，产品发生了多少变化（疲劳与老化）。

过了使用期后的产品的各项指标（包括安全率）如果还在设计基准范围以内的话，那么就可以确定，该产品的实际使用寿命比设计使用寿命长。总而言之，所谓使用寿命预测，实际上就是产品设计中其功能及安全性的设定标准。总之，没有定量的基准化就没有了意义。

（2） 在何种状态下可确认隔震橡胶的使用寿命

关于在何种状态下可以确认隔震橡胶的使用寿命这一问题，该文作者与各建筑商进行了交流，假设把以下三点作为最重要的因素。首先，从隔震橡胶所起的作用来考虑，隔震功能的底线，就是隔震橡胶的弹性模量要处在某一设计值范围之内。其次，橡胶的应变能力（包括粘接强度）较低，发生地震时隔震橡胶容易破损，建筑物反复摇晃，由变形造成的疲劳性破坏有所加剧，橡胶的拉断伸长率低于设计基准值。第三，周围环境恶化进一步加重了这种状况。

隔震橡胶破损很有可能引发建筑物整体损坏甚至倒塌这样的重大事故，因此，作为抗震建筑物一定要绝对避免这一情况的发生。

现在的问题是，隔震橡胶的压缩蠕变量有时会超过设定值。就算隔震橡胶的垂直弹性模量非常高，与混凝土基础相比，它依然是非常柔软的。如果考虑到橡胶的黏弹性这一因素，其压缩蠕变量随着使用时间的延长还是渐渐增大的。另一方面，由于各建筑物的形状与空间布置的不同，由建筑物的支柱所承受的负荷亦会有所不同。所以，隔震橡胶位于建筑物的不同部位，其蠕变量在某些部位会非常大，而在另一些部位则非常小。建筑物的地基出现高低差，从而产生不同程度的下沉，建筑物存在着出现部分损坏的危险性。

（3） 隔震橡胶使用寿命预测系统

图2所示为负荷要素绘成的程序图，而负荷要素会使隔震橡胶随着时光的推移而发生相应的变化。把流程图定义为“隔震橡胶使用寿命预测系统”。首先，若从隔震橡胶的力学负荷以及耐久性来考虑，在通常情况下隔震橡胶为静态负重状态，此时因为压缩形变的缘故，隔震橡胶中产生了蠕变以及永久变形现象。发生地震时，为了顺应建筑物水平方向的移动，隔震橡胶产生了剧烈的形变，其内部以及橡胶与铁板之间的界面上会产生裂纹并持续扩展（疲劳破坏）。

图2 隔震橡胶60 a使用寿命预测系统

对于隔震橡胶来说，氧化作用是环境负荷的主因。一般来说，隔震橡胶不会被安装在日照强烈的部位。在滨海地区还要考虑臭氧因素的影响。由于这些环境因素的影响，橡胶的弹性模量与破损特性都会发生变化（老化）。当然，还要消除疲劳与老化的加和效应。

假定，上述这些因素会使隔震橡胶随时间的推移，而发生变化并影响使用寿命，那么我们在进行加速老化实验时，首先，鉴于压缩变形与动态大变形的缘故，在隔震橡胶的内部会产生局部应力与局部应变，必须对其程度进行定量分析。因为，疲劳与老化这两大因素在很大程度上取决于变形条件，进行应力解析必须使用可利用计算机的FEM（有限元法）。

另一方面，在当时，有关橡胶的压缩蠕变数据乃是一片空白。况且，隔震橡胶的压缩蠕变，包括橡胶自身的特性，都受到叠层结构的形状、负荷与温度的影响。所以，这些条件及每次蠕变实验中所获得的数据，都要归纳为定量的函数。另一方面，关于环境老化问题，若主要考虑氧化老化因素，那么，阿累尼乌斯方程（通过高温加速试验）是适用的。而对于臭氧与紫外线老化，阿累尼乌斯方程就不适用了，从而不得不进行出错实验。

在疲劳破坏实验中，裂纹增长速度dc/dn的测定以及S-N曲线测定是其核心内容。加之，由多层橡胶和铁板构成的隔震橡胶叠层体中，内部橡胶与表层橡胶的粘接界面，橡胶与铁板的粘接界面上都存在着剥离问题。因此，在实验中我们主要使用橡胶试片进行测试，为了验证各要素的时效变化是否在结构体（隔震橡胶）的时效变化中体现出来，该文作者制作了小型的隔震橡胶，进行了加速试验，并加以对比。表1便是各构成要素与其评价项目的总览。

6 有可能进行定量的使用寿命预测之三大要素技术开发

（1） 大变形FEM（有限元法）的解析与开发

对于隔震橡胶使用寿命预测来说，最重要的而且又是最费功夫的，就是大变形的FEM解析法了。一般情况下使用的FEM解析乃微小变形的FEM，而在发生大地震时，隔震橡胶内部会产生100%的应变，因而是不适用的。另一方面，计算软件也是大变形FEM解析的难点。从根本上来说，更大的拦路虎则是这种大变形的力学解析问题。橡胶材料在大变形过程中呈现出明显的非线性特性，因而，研究适用于大变形本身的力学解析是十分有必要的。

为了解决这个问题，该文作者制作了一台一轴固定二轴拉伸的试验机（图3）。依靠专业的非线性计算软件开发公司研发了大变形FEM计算软件（数值计算的核心部分）。把拉伸实验中所得的力学数值与大变形FEM计算软件联系起来的子程序，由该文作者所在的

图3 一轴固定二轴拉伸试验机，右下方虚线框内为处在实验状态（λ=1.5）

如图4所示，实验中使用了假设的未老化与经70年老化后的试片。以裂纹生成的时间（铁板与橡胶的粘接端部）以及裂纹扩展的时间（橡胶中心部位）为横轴，对施加于纵轴上的应变量作图，绘成S-N曲线。根据FEM计算结果，假定最大强度的地震发生时，隔震橡胶的最大应变量达350%～400%。即使这样的应变反复多次，隔震橡胶使用60 a后仍十分坚固。

图4 未老化橡胶与相当于老化70 a后橡胶的S-N曲线之对比

（2） 压缩蠕变的机理解析与长期预测

对隔震橡胶施加负荷，在测定初期能观察到蠕变量有若干增加。而从测定中期开始，蠕变量急剧增加。图5为将蠕变量与时间的关系作为温度的函数制成的图。由图5可见，隔震橡胶的压缩蠕变在负荷初期缓慢增加，经过103～104min后则有呈直线型上升趋势。因此，通过直线部分的外延，可以求得其长期蠕变量，而且还可以利用阿累尼乌斯方程计算蠕变量。因为是在高温下进行的加速试验，所以，在室温条件下使用60 a后预测的蠕变量也插入了图5。

图5 换算成室温下内层橡胶的弹性模量变化

然后，分析了机理，即隔震橡胶为何会经过一定时间后，其蠕变量会激增？光从结论上说，因为压缩负荷的缘故，夹在铁板间的橡胶内部的小分子成分（气泡，油脂，填充剂等）从隔震橡胶的侧面被挤出来，隔震橡胶厚度减小（蠕变产生）。被压缩在铁板中间的橡胶其内部所产生的压力梯度成了推动小分子物质移动的力，从而导致这些小分子物质从高压力的铁板中心部位，向压力为零的自由端移动。相比于橡胶的黏弹性响应（初期蠕变），该蠕变量要大得多。为了使小分子物质能够移动，该引导期（103～104min）很有必要。

（3） 对环境因素老化的长期预测

隔震橡胶的结构是外层橡胶保护着夹在铁板之间的内层橡胶。可以设想，这种结构对内层橡胶的氧化老化有某种程度的保护作用（阻断氧的侵蚀）。为此，可将试片封入真空容器中进行高温加速试验。图6a为按上述条件进行实验所得的内层橡胶的弹性模量变化（保持率）情况，利用阿累尼乌斯方程，将其换算成室温变化情况下所得的曲线。从约有10%误差的曲线来看，橡胶的弹性模量在使用初期（10～30 a）会有20%～30%的增加，然后逐年递减。所以，隔震橡胶的水平弹簧刚度。就以所预计的时效变化情况为基础进行了设计。

图6b是断裂强度的时效变化情况。由图6b可知，断裂强度在使用初期的10～30 a间会有20%～30%的提高，而后缓慢降低。断裂强度在60 a后极有可能比使用初期下降不少，与此相反的是，拉断伸长率则随着使用时间的延续而缓慢减小。预测60 a过后，它仅为初始值的85%～90%。另一方面，对于高能量因素（臭氧，紫外线等）造成的老化，阿累乌尼斯方程是不适用的。作为加速实验条件，我们立刻就增加了物质的浓度（与实际浓度相比）。不过从结果上来看，还是能够了解到，内部橡胶对臭氧的抗耐性并不理想。因此，需要用EPDM系的外层橡胶覆盖在隔震橡胶的侧面。

图6 换算成室温下内层橡胶断裂强度之变化

（4） 隔震橡胶使用寿命之判定

如果60 a间遇上两次大地震（震度7），橡胶所受到的最大形变（350%～400%）的次数至多也就10次左右。其间，再遇上中等程度的地震5到6次，轻微地震10次，从上述图4老化后的S-N曲线来看，对反复多次变形的耐久性仍有余量。表1对与各结构要素（内层橡胶，外层橡胶，粘接剥离等）相关的疲劳与老化等耐久性进行了全面的评价。结果判定，隔震橡胶的使用寿命可达60 a以上（安全率包含在内）。

此外为谨慎起见，该文作者制作了小型隔震橡胶，并对其进行了相当于60 a跨度的氧化老化试验，确认其疲劳破坏特性也未出现问题。因此，在1987年末得出了“隔震橡胶的使用寿命可达60 a以上”这一最终结论。而后，有人就提出了隔震橡胶能否使用100 a的这样的问题。为了回答这个问题，有必要站在新的起点上，再次进行实验。

7 使用寿命预测准确吗？

（1） 环境老化的时效变化（实际使用10 a后的隔震橡胶）

首先，观察一下因环境老化因素造成的性能之变化。该文作者回收了在山上大桥（日本栃木县鸟山町）上使用了10 a的隔震橡胶（2组），并对其性能进行了测试。图7为用回收的隔震橡胶解剖试片测定的弹性模量（300%拉伸应力）的分布图。图中与未使用过的新品隔震橡胶进行了对比。若除去接近外表层的部分，与使用初期相比，弹性模量有19%的增加。此外，断裂强度的变化（增加10%）大体上也符合预测结果。而且，预计不会出现表征臭氧老化的表面裂纹。

图7 实际使用10 a后的隔震橡胶的弹性模量变化

（2） 蠕变量的时效变化（实际使用20 a后的隔震橡胶）

各建筑商对隔震橡胶在使用过程中会有何种变化这一问题，非常感兴趣，所以，对几栋抗震大楼从建造开始时便不断地进行蠕变量测试。大林组技术研究所高科技研发中心从1986年8月竣工到2005年3月为止的19 a间，其蠕变测量数据已公开发布。图8中A基点数据（黑色圆点）为隔震橡胶载荷23 d后测得的值。将其开工建设时开始记录的20 a间的实测数据与预测值（实线）进行比较后发现，两者基本一致。根据实线预测的60 a后，隔震橡胶的蠕变量为6.0 mm（=2.2%）。

图8 实际使用20 a后的隔震橡胶的蠕变量变化与预测值之比较

8 抗震建筑，隔震橡胶今后的研究课题与社会责任

“反正我们已经了解了地震的发生机理，通过采取抗震措施，可以抵御它”。假如产生这样的轻敌思想，那么，对于抗震工作者来说，这样的想法可能会招致无可挽回的损失。上文的报告中说，就设定隔震橡胶的使用寿命而言，能达到其1/4～1/3使用寿命的报告尚未发表。因此，现在该是脚踏实地进行周密准备的时候了。为此，要把事态预想得更严重一些，作好倒计时的准备。

对抗震建筑物来说，不该发生的事故是，由于地震的缘故，建筑物与周围的固定物体（建筑物与柱状物）发生冲撞。最严重的状况是隔震橡胶断裂，建筑物部分损坏或倒塌。至于说造成这些严重事故的原因，从外部条件来看，有长周期地震波，松软的地基，地壳滑移等。看来有必要重新评价包括变更设计内容在内的整体方案。加之，需要更加注意的是，在隔震橡胶制造以及抗震建筑物施工时人为的过失。

如果，我们能意识到自然现象的神秘与残酷无情，那么，在何种情况下，才能绝对避免最严重的事态发生？所以，必须引入故障保险机制。比如，在隔震橡胶破损前，使建筑物软着陆在何种地基上；为不使建筑物在一定距离内位移而设置限位装置等等，只要开动脑筋，总能找到解决方案。

总之，在日本，抗震建筑还只是一门技术，并非一种产品。有史以来，地震科技工作者肩负着日本人民的期待和也许可以实现的梦想（结束对地震的恐惧），即承担着“创造新型居住文化”这一使命。所有地震科技工作者，所有企业，都要抛弃个人、公司的名誉与眼前利益，担负起责任和义务，并永远铭记在心。

［1］ 深堀美英. 免震ゴム開発加ら生まれを左高分子の寿命预测技術. ployfile 2014. No.10 52-58.

［责任编辑：张启跃］

TQ 336.4+2

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1671-8232（2015）12-0037-07

2015-06-05