振动台试验用小尺寸普通叠层橡胶支座性能试验研究.pdf
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1、Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.32023EarthquakeResistantEngineeandRetrofittingeJun.20232023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造文章编号1002-8412(2023)03-0067-09D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.009振动台试验用小尺寸普通叠层橡胶支座性能试验研究韩森,杨杰川,杜红凯,蒋金卫,刘祥辉((北京建筑大学,北京10 0 0 44)【提要为研究振动台模型试验用小尺寸普通
2、叠层橡胶支座力学性能,设计完成静力试验和振动台试验,分析加载频率、剪应变、压应力以及振动台模拟不同地震动对小尺寸普通叠层橡胶支座水平等效刚度和等效阻尼比的影响。试验数据表明,静力试验下,加载频率在0.0 2 0.3Hz内变化时,对支座性能影响较小;剪应变由10%增大至2 50%,水平等效刚度减小,等效阻尼比先降低后趋于基本稳定,剪应变大于10 0%后,支座性能会发生改变;压应力由0.5g。增大至2.5g。,小尺寸普通叠层橡胶支座水平等效刚度呈减小趋势,等效阻尼比呈增大趋势且幅度较大;动力试验下,在弹性范围内,支座水平等效刚度和等效阻尼比随剪应变的增大线性下降,与静力试验数据结果有一定差异,说明
3、直接使用静力试验的数据结果来预估实际小尺寸支座的性能是不准确的。【关键词小尺寸橡胶支座;剪应变;压应力;加载频率;静力试验;振动台试验中图分类号】TU317*.1文献标识码1AExperimental study of the performance of small size common laminated rubber bearings forshaking table testHan Miao,Yang Jie-chuan,Du Hong-kai,Jiang Jin-wei,Liu Xiang-hui(Beijing University of Civil Engineering an
4、d Architecture,Beijing 100044,China)Abstract:To study the mechanical properties of small size common laminated rubber bearings for shaking table test,static test andshaking table test are designed,and the effects of loading frequency,shear strain,compressive stress and shaking table simulation ofdif
5、ferent ground motions on the horizontal equivalent stiffness and equivalent damping ratio of small size common laminated rubberbearings are analyzed.The experimental data show that under the static test,when the loading frequency changes within 0.02Hz-0.3Hz,it has little influence on the bearing per
6、formance;when the shear strain increases from 10%to 250%,the horizontal equivalentstiffness decreases,the equivalent damping ratio first decreases and then tends to be basically stable,when the shear strain exceeds100%,the bearing performance will change;when the compressive stress increases from 0.
7、500 to 2.500,the horizontal equivalentstiffness of small size common laminated rubber bearings decreases,and the equivalent damping ratio increases.Under the dynamictest,in the elastic range,the horizontal equivalent stiffness and equivalent damping ratio of the bearing linearly decrease with theinc
8、rease of shear strain,which is somewhat different from the results of the static test,indicating that it is inaccurate to directly use thedata of the static test to predict the actual small size bearing performance.Keywords:small size rubber bearing;shear strain;compressive stress;loading frequency;
9、static test;shaking table testE-mail:hanmiao 隔震结构是通过隔震层把上部结构和下部结构分隔开,延长结构周期,减小向上部输入的能量,以达到减小结构动力响应的目的 。隔震设计中常收稿日期2022-10-28基金项目国家重点研发计划项目(2 0 19 YFC1509500);北京建筑大学高精尖创新中心项目(UDC2019032424)用的是普通叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座。其中普通叠层橡胶支座在工程中使用较多,对其力学性能也有了较多的研究。现有叠层橡胶支座力学性能计算方法一般适用于实际工程中尺寸较大的隔震支座。随着国内振动台试验室建设的发展 2 ,越来越多的
10、学者选择通过振动台试验深人研究隔震结构在地震作用下的动力un.2023Earthquake Resistant EngineeringgandRetrofitting.682023年6 月工程抗震与加固改造响应,由于振动台台面尺寸的限制,试验中多采用缩尺结构模型,相应的隔震支座也需要进行缩尺。张耀庭等【3 对小型叠层橡胶支座(D 10 0%时,随着的增大,支座水平刚度逐渐减小。韩淼等 5 通过试验对小型叠层橡胶支座在不同剪应变、压应力、加载频率、加载次数下的剪切性能研究,给出10 0%剪应变下,剪切刚度规范计算公式随压应变变化的修正系数计算公式。李雄彦等 6 设计了隔震结构振动台试验用的小尺寸
11、高阻尼橡胶支座,进行滞回性能测试,结果表明相同竖向荷载作用下,随剪应变增大,高阻尼橡胶支座的等效水平刚度下降、等效阻尼比略有增加。目前,大多数学者对静力试验下的支座性能研究得比较充分,但静力试验一般是通过输人正弦波方式加载,与实际振动台试验输入地震动存在差异。朱腾宇等 7 对小尺寸LRB支座开展了振动台试验研究,对比了地震动幅值、频谱、方向等工况下支座的力学性能和滞回曲线变化;朱玉华等 8 对振动台试验初始工况和模型经历数十个地震动输人工况前后的铅芯橡胶支座性能进行对比,分析其性能变化;马玉宏等 9 对铅芯橡胶支座开展拟静力试验和模拟地震振动台动力试验,分析不同地震波、不同剪应变作用下铅芯橡胶
12、支座力学性能变化规律,结果表明隔震设计时直接采用静力试验的结果会夸大支座的耗能能力;彭天波等【10 采用实时混合试验研究LNR支座的抗震性能,结果表明加载速率对水平等效刚度和阻尼比有显著的影响;J.Sanchez等 1 采用2 种拟静力加载和一种振动台动态加载方式,对隔震支座性能进行了研究,并对常用的临界荷载面积折减公式提出建议。袁涌等【12 通过速度控制型实时子结构拟动力试验系统,研究在地震中天然橡胶支座等速度相关型隔震支座对桥梁的减隔震效果,并指出该系统能很高精度地模拟隔震桥梁的地震反应。本文将通过加静力试验和振动台试验对比小尺寸普通叠层橡胶支座水平等效刚度和等效阻尼比,为确定振动台模型试
13、验用小尺寸橡胶支座的力学性能提供依据。1试验设计1.1小型橡胶支座的几何参数选用普通叠层橡胶支座(LNR),有效直径为150mm,如图1所示,具体参数如表1所示。共选取3个小型普通叠层橡胶支座进行性能试验。中孔一1上连接板上封板橡胶层薄钢板10SOSSCOI下封板下连接板7575270图1支座剖面示意图Fig.1 Diagram of bearing section表1支座详细参数Tab.1Detailed parameters of the bearing支座型号LNR支座总高H(mm)102.5叠层钢板外径do(mm)150中孔直径d(mm)15内部橡胶T.(mm)28.5内部钢板T,(m
14、m)22上下封板t,Xn(mm)122上下连接板tgn(mm)14x2剪切模量G(MPa)0.3921.2静力试验和工况设计根据橡胶支座水平刚度试验要求,使用量程250kN的MTS作动器进行水平加载,最大行程为125mm;使用量程为150 kN的液压千斤顶为支座施加竖向压应力,千斤顶与支座之间放置量程为150kN的荷载传感器并在底钢板与下加载板之间放置滚轴,试验装置示意图如图2 所示。采用静态高速应变数据采集仪对试验数据进行记录,最大采样频率为10 0 Hz,图3为试验加载实物图。将3个橡胶支座标记为LNR-1、LNR-2、LNR-3,将设计压应力。=2 MPa,剪应变10 0%,加载频率0.
15、2Hz的工况作为标准工况,进行不同加载频率、剪应变、压应力的加载试验,每个试验工况循环加载Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.369韩第45卷第3期淼,等:振动台试验用小尺寸普通叠层橡胶支座性能试验研究顶钢板千斤顶丝杆上加载板、传感器支座下加载板作动器右支架左支架滚轴底钢板图2试验装置示意图Fig.2Diagram of the test set-up图3订试验加载实物图Fig.3Physical view of test loading4次,取第3次循环数据进行计算分析。试验的加载制度如下:(1)不同加
16、载频率试验。选取支座压应力。、剪应变10 0%以及2.5g。剪应变2 0 0%两种情况,每种情况的加载频率均选取0.0 2、0.0 5、0.1、0.2,0.3Hz。(2)不同剪应变试验。支座施加压应力。作为恒定竖向压应力,加载频率取为0.2 Hz,小变形下剪应变取10%、2 0%、50%、10 0%,大变形下剪应变取150%、2 0 0%、2 50%。每一个剪应变10 0%的试验后,都设置一次标准工况试验。(3)不同压应力试验。选取10 0%剪应变和0.2Hz加载频率,压应力取为0.5g。、0。、1.5g。、2g0/2.5g00因上加载板的焊接问题,在进行2.5g。压应力下2 50%剪应变工况
17、加载时,焊缝受拉破坏,重新加工上加载板后,继续进行试验,出于对作动器的保护,支座未继续进行2.5g。压应力下2 50%剪应变工况试验。1.3振动台试验和工况设计静力试验一般采用正弦波加载,而实际地震是更为复杂的随机运动,为验证动力状态下小型普通叠层橡胶支座性能,通过5层钢框架基础隔震结构振动台试验进行对比分析。由于振动台尺寸的限制,对结构模型进行缩尺设计,缩尺比例为1:4,模型总质量为13.4t。试验模型如图4所示。图4振动台试验模型图Fig.4Shaking table test model diagram隔震层布置4个与静力试验所用的同一批小型橡胶支座,支座通过螺栓分别和4根柱子底部相连,
18、并在每个支座底部安装一个三向荷载传感器,通过4块转接板与振动台台面相连。同时,沿主结构4个面各设置一个拉线式位移计,用以测量隔震层位移,位移计底部固定到台面,另一端通过磁力钩固定在底层板,两端都通过热熔胶加固。布置方式和位置如图5所示位移计支座三向荷载传感图5传感器布置图Fig.5Sensorarrangement diagram试验采用6 条地震波开展动力研究。由于波的频谱特性不同,不同加速度峰值下的结构响应不同,隔震层变形也不相同。选取各加速度峰值下支座最大变形/支座内部橡胶层总厚度为支座剪应变,具体工况如表2 所示Jun.Earthquake Resistant Engineering
19、and Retrofitting20232023年6 月70工程抗震与加固改造表2振动台试验工况表Tab.2Table of shaking table test conditions序号RSN加速度峰值(剪应变)(g)16(EL)0.11(29%),0.15(38%),0.2(49%),0.3(7 8%)0.11(41%),0.15(54%),0.2(74%),21650.22(81%),0.25(109%)31850.11(12%),0.15(30%),0.2(41%),0.3(60%)47660.08(37%),0.11(88%),0.15(114%)0.11(12%),0.15(16%
20、),0.2(22%),510040.3(33%),0.4(44%)0.11(16%),0.15(21%),0.2(28%),634750.22(31%),0.3(42%),0.35(48%)2试验数据分析橡胶支座第三部分:建筑隔震橡胶支座(GB20688.3-2006)【13 给出了天然橡胶支座等效剪切刚度的计算公式,如式(1)所示。AK=G-(1)T,式中:G为橡胶的剪切模量(MPa);T,为内部橡胶层的总厚度(mm);A 为橡胶支座竖向承载的有效面积(mm),不含橡胶层中间开孔面积。根据式(1)计算橡胶支座剪切刚度计算值K,为240.6kN/m。根据试验循环加载得到的滞回曲线,水平等效刚度
21、计算公式为:-QK,=(2)Ut-U-式中:U*为最大水平正位移,m;U 为最小水平负位移,m;Q*为与U*对应的水平剪力,kN;Q为与U对应的水平剪力,kN。等效阻尼比计算公式如式(3)所示。W(3)4元W。式中:为等效阻尼比;W。为等效阻尼耗能面积;W。为弹性恢复力做功面积。2.1静力试验结果2.1.1加载频率相关性试验结果图6 为LNR-1支座在设计压应力。,10 0%剪应变以及压应力2.5。,2 0 0%剪应变下,加载频率分别为0.0 2、0.0 5、0.1、0.2、0.3Hz时第3次循环加载滞回曲线。LNR-2、LNR-3支座的滞回曲线规律相同,限于篇幅不再给出。从图8 可以看出,相
22、同压应力和剪应变下,滞回环形状和面积基本不变。图6(b)曲线出现抖动可能是因为压应力过大,作动器不稳定导致的,整体变化规律基本一致。864(N)镇X20-0.02Hz-2-0.05Hz-4.0.1Hz.-0.2Hz-60.3Hz-8-30-20-100102030水平位移(mm)(a)100%-0o1296(N镇X3-3-0.02Hz-6-0.05Hz-9.0.1Hz.-0.2Hz-12?0.3Hz-15-800-60-40-20020406080水平位移(mm)(b)200%-2.50o图6不同加载频率下LNR-1支座滞回曲线Fig.6LNR-1 bearing hysteresis cur
23、ves at differentloading frequencies表3给出了3个支座2 种工况下的水平等效刚度。无括号数据为10 0%-。工况结果,括号内数据为2 0 0%-2.5g。工况结果。从表3可以看到:加载频率在0.0 2 0.3Hz,支座的水平等效刚度的增大趋势较为缓慢,10 0%-。工况下3个支座平均增加了3%,2 0 0%-2.5g。工况下仅增加了0.8%。表明加载频率对支座水平等效刚度和等效阻尼比影响很小。表3不同加载频率下的水平等效刚度(kN/m)Tab.3Horizontal equivalent stiffness at different loadingfreque
24、ncies(kN/m)支座加载频率(Hz)编号0.020.050.10.20.3232.2233.1234.8235.9238.2LNR-1(127.0)(125.3)(128.5)(128.7)(134.5)235.8240.2243.3244.1245.9LNR-2(134.3)(138.1)(125.8)(128.6)(130.4)227.1228.5230.3231.9231.8LNR-3(122.6)(122.9)(119.3)(118.7)(122.4)Vol.45,No.3Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting20237
25、1韩淼,等:振动台试验用小尺寸普通叠层橡胶支座性能试验研究第45卷第3期2.1.2剪应变相关性试验结果图7 为LNR-1支座在设计压应力,加载频率为0.2 Hz情况下,剪应变分别为10%、2 0%、50%、100%、150%、2 0 0%、2 50%时第3次循环加载滞回曲线。其他支座的变化规律相同,限于篇幅不再给出。可以看出,支座在小变形范围内,能保持稳定的弹性能力;在大变形范围内,支座产生了残余变形,在250%剪应变时,残余变形最大。1510510%0-20%-5-50%100%-10150%200%-15250%-90-60-300306090水平位移(mm)图7不同剪应变下LNR-1支座
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