超高阻尼隔震橡胶支座力学性能温度相关性影响因素分析

沈朝勇 黄襄云 陈洋洋 毛景远 陈建秋 林佳

摘要：采用拟静力试验，分析不同水平应变、竖向压力、频率、内部橡胶G值以及不同温度加载顺序情况下SHDR支座水平性能的温度相关性，给出SHDR支座的各项水平力学性能指标（如屈服后刚度、屈服强度、单圈滞回面积、等效刚度及等效阻尼比等）温度相关性的影响程度，给出了除应变因素外相应拟合经验公式。研究结果表明：竖向压力、加载频率、支座内部橡胶G值和温度加载顺序对其影响较小，而应变影响较大;支座在常温下屈服后刚度及屈服强度随温度的增加而呈指数规律减少。

关键词：SHDR;温度相关性;屈服后刚度;屈服强度

0 引言

在上部结构与基础之间设置隔震装置，在延长结构周期的同时增加结构的整体阻尼，在地震发生时，结构遭受的地震作用会大大减小（周福霖，1997）。目前应用到隔震结构中比较成熟的水平隔震装置主要有铅芯隔震橡胶支座和高阻尼或超高阻尼隔震橡胶支座。前者因内部铅芯具有一定的毒性，使用范围受到了一定的限制，近年来，高阻尼（HDR）和超高阻尼隔震橡胶支座（SHDR）已引起研究人员的重视。高阻尼支座按阻尼大小进行分类：阻尼比12%～15%为HDR，阻尼比超过18%则被称为SHDR。

不同学者对铝芯隔震橡胶支座和HDR/SHDR进行了相关研究，如叶明坤等（2012）计算分析了一多跨設置超高阻尼支座桥梁，分析表明，采用隔震后，在顺桥向和横桥向，桥梁墩底弯矩和剪力的减震系数大部分在50% 以上，桩顶内力的减震系数也可达到30% 以上。资道铭等（2013）对比研究了天然隔震橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座、HDR/SHDR不同相关性及其基本力学性能的变化差异，指出HDR/SHDR力学性能的温度变化性较大，在超低温地区时应用时要慎重。袁涌等（2008，2011）采用实时子结构试验方法研究了不同隔震支座类型的隔震桥梁减震效果，试验表明，采用SHDR具有较好的隔震效果。庄学真等（2006）对HDR支座开展了水平应变相关性试验和大变形试验，得出HDR的等效刚度随应变的增加而减小，但其阻尼比变化不大。资道铭等（2016）对低模量SHDR进行了基本性能和极限变形试验研究，并对一典型建筑物采用低模量SHDR隔震技术方案进行了计算分析，分析表明，采用低模量SHDR可以取得较好的隔震效果，完全可以取代铅芯隔震橡胶支座。张文俊和郑宗平（2017）采用有限元程序对SHDR和铅芯支座的隔震桥梁进行对比分析，分析结果表明，在地震能量集中时间段内，SHDR的减震控制效果则明显优于铅芯支座。Akira等（2013）通过试验和理论对比分析研究了SHDR在水平双向的力学性能，研究表明，在地震双向输入时，理论分析低估了其地震时的位移反应。

上述对SHDR的研究中，理论分析较多，而试验研究相对较少，特别是对其温度相关性的试验研究，仅有资道铭等（2013）论述了在单一应变、压力、加载频率和固定加载顺序下SHDR的温度相关性及其低温敏感性，但其研究尚不够全面，其温度相关性可能受应变大小、竖向压力大小、加载频率的大小及不同温度施加顺序的影响，同时不同G值超高阻尼温度相关性是否一致，也有待研究。本文将采用反复加载的试验方法，详细研究应变、压力、加载频率、G值、温度加载顺序等因素对SHDR温度相关性能的影响，找出其共有的特性，归纳出可供参考使用的SHDR温度相关性近似经验公式。

1 试验概况

本试验用的橡胶支座内部构造见表1。依据《橡胶支座 第2部分：桥梁隔震橡胶支座》（GB 20688.2—2006），支座为I类。参考《公路桥梁高阻尼隔震橡胶支座》（JT/T 842—2012）和《公路桥梁铅芯隔震橡胶支座》（JT/T 822—2011），竖向压力及水平应变取6 MPa和100%，基准频率为0.25 Hz。试验过程为研究不同应变、竖向压力、加载频率、G值、温度加载顺序对SHDR水平力学性能温度相关性的影响。试验方法及试验加载温度参考《橡胶支座 第1部分：隔震橡胶支座试验方法》（GB/T 20688.1—2007），支座力学性能取第3圈的结果作为测试值，试验温度取-20，-10，0，10，23及40 ℃。在广州大学工程抗震研究中心竖向1 000 ton、水平50 ton试验机上进行试验。图1为正在试验的支座。图2为竖向1 000 ton、水平50 ton试验装置。

2 温度相关性的影响因素研究

2.1 应变

支座基准应变选取100%或175%（橡胶支座 第2部分：桥梁隔震橡胶支座，GB 20688.2—2006）。G1.0-SHDR300300被选取。

图3给出了SHDR支座屈服后刚度Kd、屈服强度Qd 、单圈滞回环面积W、水平等效刚度Kh、等效阻尼比Heq在2种不同应变下的温度相关性变化规律曲线。图中竖坐标轴为不同温度下基本性能值与23 ℃下性能值的比值，横坐标轴为试验温度与23 ℃的相对差值。图4a给出了一典型温度40 ℃时不同应变第3圈滞回曲线。

从图3a，b来看，在2种应变下的Kd，Qd在高于0 ℃时，应变对支座的这2个参数的影响程度基本相同，即影响有限，但在低于0 ℃时，应变对其的影响呈现相反的规律：对于Kd，应变为175%时，其性能相对基准温度时性能变化小，而100% 应变时，其性能相对基准温度时性能变化较大，且随温度的降低呈增大的趋势;但对于Qd而言，应变在低温时却正好呈现相反的影响变化规律趋势。对比分析图3b，c发现，其呈现相同的变化规律，其原因在于这两个参数都主要反映SHDR的耗能大小。从图3d来看，应变对SHDR的Kh的影响在整个温度变化区间有限，在2种应变状态下显示出非常相近的变化规律，可以认为应变对Kh的温度影响的变化规律基本无影响。但从3e来看，应变对SHDR的Heq比温度相关性除了在高温状态下影响较小外，在其他大部分温度区间的影响相对较大;如应变为100%时，随温度的降低，力学性能基本变化不大，而175%应变时，随温度的降低，支座Heq比呈现线性逐渐增加的变化趋势。

2.2 压应力

在水平和竖向地震作用下，支座会产生附加压力或拉力，施加在支座上的竖向应力将发生变化，在不同竖向压应力时，支座的温度相关性可能有所不同。G0.8-SHDR300300被选取，试验压应力分别采用6 MPa和12 MPa。

图5给出了SHDR支座Kd，Qd，W， Kh， Heq在2种不同竖向压应力下的温度相关性变化规律曲线。图4b给出了一典型温度23 ℃时不同压力下第3圈滞回曲线。

从图5可以看出，除极个别温度点（如Kd=-20 ℃，Kh=-10 ℃）的两种竖向压应力下温度相关性相对基准温度下的比值有所差别外（前者误差约20%左右，后者约25%左右），其它测试点，两种竖向压力下的SHDR各水平性能温度相关性整体上差别很小，呈现近似相同的情况。整体试验结果表明，竖向压力的不同对SHDR支座水平性能温度相关性影响有限。

2.3 频率

原型隔震桥梁频率为0.25～0.33 Hz（即隔震周期约3～4 s），但原型隔震支座一般尺寸比较大，在试验时实现上述频率的试验具有一定的困难，一般会采用稍低的频率进行试验，如0.05～0.01 Hz等，本节选取2个典型频率0.25 Hz和0.05 Hz作为研究加载频率对SHDR温度相关性的影响因子。G1.0-SHDR300300被选取。

图6给出了SHDR支座Kd ，Qd，W， Kh， Heq在不同加载频率情况下的温度相关性变化规律。图4c给出了一典型温度即-10℃时不同频率时第3圈滞回曲线。

从图6来看，2个加载频率下的SHDR各水平性能温度相关性部分指标在-20 ℃和-10 ℃时略有差异，Kd在这2个温度值时各自相对误差约为12%左右;Qd在-10 ℃时约为20%，在-20 ℃时约为13%，W与Qd相近;而Kh在-10 ℃时约为20%;Heq在-10 ℃约20%，在-20 ℃时约为10%。整体上讲，各个参数在-10 ℃时差异稍大，忽略个别点的影响，可以基本认为加载频率对SHDR的温度相关变化规律影响不大。

2.4 内部橡胶G值

在桥梁隔震项目中，为防止变形过大，一般采用支座剪切模量比较大的隔震橡胶支座，从目前桥梁隔震使用支座来看，大部分支座内部橡胶G值均大于0.8 MPa，部分支座甚至达到2 MPa。本文选取3种不同的G值，即0.8，1.0及1.2 MPa，作为G值对SHDR温度相关性的影响因子。各支座内部构造完全相同。试验时压力均为6 MPa，水平剪应变均为100%，水平加载频率均为0.25 Hz。

图7给出了SHDR支座Kd ，Qd ，W，Kh， Heq在3种不同橡胶G值下的温度相关性变化规律。图4c给出了一典型温度10 ℃时不同G值第3圈滞回曲线。

从图7可以看出，3种G值的SHDR各水平性能温度相关性在极个别测试点有少量的差异外，如Kd在G1.2，-20℃，Kh在G0.8，-10℃，G1.2，-20℃时，其最大误差约为15%，如忽略上述个别差异，可以认为内部橡胶G值对SHDR的温度相关性影响很小。

2.5 加载顺序

《橡胶支座 第1部分：隔震橡胶支座试验方法》（GB/T 20688.1—2007）中，支座温度相关性的试验加载顺序推荐为从低温到高温逐渐增加，如采用温度逐渐减少的加载顺序，对支座的温度相关性的规律影响如何？为研究其影响，试验时加载顺序分别采用了温度递增和递减的顺序。G1.0-SHDR300300被选取。

图8给出了SHDR支座Kd ，Qd ，W，Kh， Heq在不同温度加载顺序时的温度相关性变化规律。图4e给出了一典型温度0 ℃时不同加载顺序支座第3圈滞回曲线。

由图8可以看出，除个别低温点（如-20 ℃和-10 ℃）对支座Kd ，Qd及W略有影响外，不同温度加载顺序对支座水平性能Kh和Heq的温度相关性影响较小。

3 试验数据归纳

在对桥梁进行隔震设计时，如采用非线性分析SHDR支座时，力学性能参数Kd ，Qd将会被采用。从各影响参數对上述两个水平性能影响来看，除水平剪应变影响较大外，其它参数除极个别测试点略有影响外，可以认为整体影响不大，而水平剪应变一般以100%为基准应变较为多见。现将第2节中所有数据中各因素下SHDR支座的Kd，式中：T的单位为℃。

图9给出了高G值SHDR支座的Kd 和Qd所有试验数据及相应的拟合曲线。从2个参数的拟合曲线来看，二者整体均呈非线性关系，且均随温度的增加非线性减少，但后者相对前者变化斜率更大。从拟合曲线与试验数据的上下边界来看，Kd和Qd的拟合曲线与试验结果最大误差约为12.5%。式（1）和（2）分别给出了高G值SHDR支座的Kd和Qd拟合经验公式，可供设计人员在进行隔震设计参考。具体应用时，可根据实际工程的具体温度，进行温度相关性换算出实际工程所在温度时的隔震支座参数值进行隔震计算。

4 结论

通过对超高阻尼SHDR支座水平力学性能温度相关性各种影响因素的试验研究，可以得出如下结论：

（1）压力、频率、G值和加载顺序对SHDR支座各种力学性能参数，如屈服后刚度、屈服强度、单圈滞回面积、等效刚度、等效阻尼、温度相关性影响较小。

（2）应变对SHDR支座各种力学性能参数，如屈服后刚度、屈服强度、单圈滞回面积、等效刚度、等效阻尼、温度相关性影响较大。

（3）SHDR支座力学性能参数屈服后刚度及屈服强度随温度的增加而均呈指数规律减少，且后者随温度增加减小速率更快

（4）给出了100%应变时SHDR支座力学性能参数屈服后刚度及屈服力考虑竖向压力、加载频率、橡胶内部G值及加载顺序的适量影响的温度相关性拟合经验公式。

参考文献：

叶明坤，资道铭，梁莹莹 等.2012.超高阻尼隔震橡胶支座在桥梁中的运用[J].中国建筑金属结构，（2）：112-114.

袁涌，熊世树，朱宏平.2008.隔震桥梁地震反应速度控制型实时子结构试验[J].华中科技大学学报（自然科学版），36（8）：117-120.

袁涌，朱宏平，资道铭.2011.高阻尼橡胶隔震支座的力学性 能及隔震效果分析研究[J].预应力技术，84（1）：20-23.

张文俊，郑宗平.2017.SHDR与LRB隔震连续梁桥的地震响应对比研究[J].工程与建设，31（6）：796-800.

周福霖.1997.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社.

庄学真，沈朝勇，金建敏.2006.桥梁高阻尼橡胶支座力学性能试验研究[J].地震工程与工程振动，26（5）：208-212.

资道铭，靳建楠，莫曲浪.2016.新型低模量超高阻尼橡胶支座在建筑结构中的应用研究[J].城市与减灾，5：48-55.

资道铭，梁莹莹，袁涌 等.2013.几种隔震橡胶支座性能研究及隔震效果探讨[J].预应力技术，99（4）：18-26.