裝配式施工知識分享：建筑隔震疊層橡膠支座研究進展

編輯推薦：裝配式建筑入門(建筑工程基礎知識)

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1 疊層橡膠研究進展

1·1 Haringx理論

對疊層橡膠支座力學特性的理論研究,一般基于Haringx理論。該理論是基于不可壓縮的彈性體,作為小變形的彈性理論,不適用于大變形和屈曲等現(xiàn)象。

1·2 疊層橡膠性能研究

在Haringx理論的基礎上,A·N·Gent研究了無限長條、圓形不可壓縮彈性層的壓縮、彎曲和剪切特性,在小變形假設和不可壓縮假設下得出了形式簡單的線性解。P·B·Lindly進一步研究了固結在兩端剛性板的線彈性材料壓縮性能。C·G·Koh用變量變換法得到了方形可壓縮材料的壓縮剛度,并證明了拋物面變形假設是符合實際情況的。M·S·Chalhoub考慮了體積壓縮率對壓縮剛度的影響,在此基礎上研究了長條方形橡膠的壓縮性能和彎曲下的鋼-橡膠粘結影響。

H·C·Tsai[1]推導出無限長條圓形、方形的壓縮剛度,并用有限元方法進行了驗證。之后,又推導了粘結在剛性板之間的無限長條形、圓形、方形,橡膠的傾斜剛度、粘結在剛性板之間的圓形橡膠純彎下的水平位移的公式、粘結在剛性板之間的圓形、方形、無限長條形橡膠的簡化有效壓縮剛度。

1·3 疊層橡膠支座研究

1·3·1 剛性加強板橡膠支座

(1) 天然橡膠支座。疊層橡膠支座需要提供足夠的豎向承載力和承受較大的水平變形。因此,針對疊層橡膠支座的強度和剛度的研究成為主要的研究內(nèi)容。C·G·Koh對方形橡膠隔震支座進行研究,提出了考慮P-Δ效應的粘彈性模型,得出模型在正弦水平力和恒定壓力下的穩(wěn)態(tài)響應。M·S·Chalhoub理論分析了考慮體積壓縮率影響的圓形隔震支座的壓縮剛度。M·Iizuka在此基礎上,提出恒定壓力下有限變形,非線性彈簧大變形的宏觀模型以及隔震支座的經(jīng)驗設計公式。M·C·Constantinou研究中空橡膠層的壓縮剛度。G·H·Koo使用瞬時觀測剪切模量參數(shù)方程,提出一個估算支座在小變形和極限剪切變形條件下的力學模型。H·C·Tsai使用分離變量法,研究粘彈柱體模型的隔震支座在正弦水平力和恒定壓力下的穩(wěn)態(tài)響應。

疊層橡膠支座作為承壓構件,對其穩(wěn)定性也有大量的研究。C·W·Roeder從理論和實驗研究了橡膠支座在不同豎向荷載下的穩(wěn)定性。C·G·Koh對支座的穩(wěn)定性進行了實驗研究。J·F·Stanton基于Haringx理論,從理論和實驗兩個方面研究了橡膠支座在不同豎向荷載下的穩(wěn)定性。S·Nagarajaiah基于Koh-Kelly理論,提出了一個考慮了大變形、大轉角,剪力與轉動剛度的非線性計算模型。I·Buckle對一系列橡膠支座進行實驗,研究水平位移對臨界荷載的影響和評價現(xiàn)有的設計方法。除了理論和實驗研究,J·C·Simo使用有限元法,分析在不同的豎向荷載下的水平位移特性和穩(wěn)定性。W·Seky采用有限元法對疊層橡膠支座進行大變形分析。

(2) 鉛芯橡膠支座。在疊層橡膠支座內(nèi)灌入鉛芯,可以提高疊層橡膠支座的阻尼,耗散地震能量及提供抵御微小震動的初始剛度。R·G·Tyler對鉛芯橡膠支座進行了大變形實驗。A·Mori對NRB和LRB的壓縮特性進行了軸壓實驗研究,并與當時實行的規(guī)范、Gent、Chalhoub、Kelly等理論進行對比研究,證明有了LRB和NRB有相似力學性能,鉛芯影響不大。R·S·Jangid研究了近場地震的特點和支座參數(shù)優(yōu)化問題,通過調整支座的屈服強度可以影響隔震結構的最大位移,而結構的加速度響應不變。J·S·Hwang基于AASHTO規(guī)范,提出了修正的支座等效線性化模型。通過與非線性模型進行對比計算,效果良好。

C·Topkaya對方形橡膠支座進行斜壓實驗,研究了尺寸效應。K·L·Ryan通過實驗研究得出軸向荷載增加時,豎向剛度減少。在大水平變形時,豎向剛度發(fā)生軟化;LRB屈服強度與軸力大小有關。在此基礎上Ryan提出了考慮軸壓影響的非線性模型。M·Takayama采用有限元法分析LRB在不同平均壓力下的應力與應變規(guī)律。M·Imbimbo采用有限元方法分析了在軸壓下S1對應力分布和應力集中的影響。

(3) 高阻尼橡膠支座。高阻尼橡膠支座是在天然橡膠中加入了添加劑,使得支座除了具有NRB的水平和豎向力學特性外,還具有阻尼特性。J·S·Hwang采用分數(shù)導數(shù)開爾文模型建立HDR的計算模型。并采用修正高斯-牛頓系統(tǒng)識別法進行了對比研究。隨后,研究了分數(shù)導數(shù)麥斯威爾模型在HDR上的應用、考慮溫度影響的分數(shù)導數(shù)開爾文模型。Y·Ohtori對HDR的尺寸效應進行了研究。D·N·Grant對圓形HDR水平雙向作用力研究,建立一個與水平位移不耦合的宏觀模型。M·Abe對方形HDR、LRB進行了理論和實驗的對比研究,建議設計時要考慮三向受力下的耦合作用。

1·3·2 柔性加強板橡膠支座

傳統(tǒng)的疊層橡膠支座,采用的是鋼板作為加強材料,鋼板由于具有優(yōu)良的力學性能,好處顯而易見。但是,也造成了支座造價高和自重大。有鑒于此,開始有學者,研究采用柔性加強板支座力學性能。J·-M·Kelly進行了理論和實驗研究。研究表明用纖維板代替鋼板作疊層橡膠支座的加強板,可以減少造價和重量。B·Y·Moon和B·S·Kang,詳盡地介紹了纖維加強板橡膠支座設計和制造,并研究了中心孔和鉛芯對纖維加強板橡膠支座影響。H·C·Tsai等對柔性加強板疊層橡膠支座展開了系列研究。研究表明:柔性加強板的邊界條件會影響支座的剛度;只有當支座受壓時,纖維橡膠支座的剛度才能提高;在纖維板未能完全受拉時,壓力和彎矩是非線性耦合的;纖維加強板支座的豎向屈曲荷載受水平力影響,同時也小于線性材料加強板的支座。

2 總結和展望

對疊層橡膠隔震支座的機理研究,圍繞著支座的強度、剛度、穩(wěn)定性、阻尼特性:從理論解析分析,到實驗分析、經(jīng)驗公式的提出、有限元法的應用;從理想彈性的Haringx理論,到考慮體積壓縮、考慮材料特性、考慮加載方式、考慮尺寸效應、考慮溫度效應;從一維、二維、到三維分析;從單純考慮單向壓、拉、彎,到雙向受力的壓剪、拉剪、到三向壓剪、拉剪及其復合作用的相關性,展開了系統(tǒng)的研究,取得了豐碩的成果。由于疊層橡膠支座材料和構造機理的特性復雜,疊層橡膠支座的研究仍將有待進一步深入。

(1) 研究疊層橡膠支座在復雜應力狀態(tài)下的力學特性,以及各種特性狀態(tài)的相關性對支座力學性能的影響。

(2) 隨著隔震技術的進一步推廣,建筑物的高度的增加,需要對大直徑、超大直徑疊層橡膠支座的力學性能進行研究。

(3) 結合柔性加強板疊層橡膠支座的研究,開發(fā)和推廣自重輕,體積小,成本低,易于在小型建筑使用的小型疊層支座。

(4) 疊層支座的極限承載力取決于內(nèi)部加強板的力學特性,但是針對內(nèi)部加強板的研究較少,這方面仍有待進一步研究。

(5) 在對疊層橡膠支座各種性能深入研究的基礎上,需要解決疊層橡膠支座優(yōu)化設計的問題。

(6) 疊層橡膠隔震支座的有限元分析研究。使用有限元分析,可以提高研究的效率和降低成本,解決一些實驗無法完成的分析。

裝配式建筑作為一種新興的建筑施工方法，其很多優(yōu)點都是傳統(tǒng)建筑無法比擬的。以上內(nèi)容就是“裝配式施工知識分享：建筑隔震疊層橡膠支座研究進展”，更多裝配式新發(fā)展新資訊，歡迎繼續(xù)關注環(huán)球網(wǎng)校裝配式建筑行業(yè)頻道!環(huán)球網(wǎng)校為大家提供 免費預約短信提醒服務和裝配式精華考點/課程講義，點擊下方免費下載即可獲取。