山南叠层隔震橡胶支座力学性能研究

　　随着人类社会经济发展和城市化进程,各类高层建筑、大跨度空间结构、大跨度桥梁等大规模建设,财富和人口越来越集中。一旦发生地震灾害,其造成的人生和经济损失将会比以往任何时候都要大。大跨度桥梁的结构特点是结构自由度很少。仅依靠结构阻尼和非弹性变形承受强震作用时,结构会发生过大的变形。过大的变形会导致严重损伤甚至倒塌。传统的高层建筑抗震设计主要是基于保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性,通过建筑结构构件的强度和塑性变形来抵抗地震作用。由此带来的问题是结构构件的截面尺寸增大、自重增加,结构在地震中受到的地震作用进一步增大。隔震技术经过近几十年的发展和应用,实践证明隔震技术是有效减少地震灾害的方法之一,已经不只限于小型桥梁和中低层结构,正在向大跨度桥梁,大高宽比高层建筑上发展和推广。目前,我国隔震技术在大型桥梁和高层建筑的应用实例不多。大跨度桥梁本身固有周期较长,引入隔震设计后,结构的固有周期将延长。长周期结构的隔震效果需要作系统行研究。高层建筑,由于高宽比大,地震中容易产生倾覆弯矩,使得隔震支座进入受拉状态,这一直是阻碍隔震技术在高层建筑应用的原因之一。叠层橡胶隔震支座是隔震体系应用得最多的隔震装置。目前设计和制造叠层橡胶隔震支座时,为保证橡胶支座发生纯剪切变形,都尽量采用强度较大和较厚的内部钢板,以达到内部钢板满足刚性假设的条件。内部钢板在压剪状态下的应力分布和破坏形式、内部钢板的厚度变化对支座的力学性能带来什么样的影响、支座在大变形下,力学性能及破坏形式仍不太明晰。本文针对以上问题,围绕着叠层橡胶隔震支座力学性能、大跨度隔震桥梁地震响应和高层隔震建筑支座受拉三个方面中的关键问题展开理论和试验研究。

主要研究内容如下：

(1)基于大量国内外研究文献,归纳和总结了隔震支座力学性能、大跨度隔震桥梁和高层隔震建筑的原理和国内外研究进展,提出目前需要解决的一系列关键问题;

(2)为研究支座力学性能和内部钢板厚度对支座的力学性能的影响,制作4个具有不同厚度内部钢板的足尺方型天然橡胶叠层橡胶支座进行轴压试验和压剪试验,在此基础上,对最薄内部钢板的叠层橡胶支座进行破坏试验,研究薄钢板叠层橡胶支座的极限破坏形式。通过对轴压试验的数据分析和整理,提出了以S2和面压为参数的叠层橡胶支座竖向刚度经验公式;

(3)基于超弹性的有限元分析理论,选择适合的橡胶材料模型,由材料基础试验数据拟合模型参数。采用有限元分析方法,建立实体模型,研究试验中的4个足尺方形天然橡胶叠层橡胶支座在纯轴压和压剪状态下内部钢板的应力状态和变形状态,给出了薄钢板支座破坏试验的合理解释;

(4)阐述了减隔震高架桥设计的原理和方法。研究隔震高架桥体系的桥墩塑性铰和隔震层的计算分析模型。制作了2个相同的1：10缩尺桥墩模型。对其中一个模型进行反复加载拟静力试验,验证了纤维模型模拟桥墩塑性铰骨架曲线的有效性。对另外一个模型输入正弦波和天然地震波进行振动台试验,结合隔震支座压剪试验、桥墩拟静力试验和单墩振动台试验的实验结果,使用SAP2000程序,建立有限元分析模型。通过对隔震体系的整体模型的理论分析结果与试验结果的对比分析验证了计算模型的正确性;

(5)结合某大型高架桥工程,建立三维分析模型,采用非线性时程分析方法,研究土-结构相互作用对隔震高架桥的地震响应影响,对比研究减隔震高架桥梁与抗震高架桥梁的地震响应和桥墩高差变化时,减隔震高架桥地震响应规律。研究表明不考虑桩-土-结构相互作用,采用墩底固结模型,得到的响应值是保守的;采用减隔震设计,可以有效地降低高架桥地震加速度响应,同时也能降低桥梁速度响应,隔震后主梁位移大于抗震设计的主梁移位;抗震设计的桥梁在大震时桥墩进入塑性,通过墩身的塑性铰耗地震能量,而隔震桥梁通过隔震层耗散地震能量,在大震下,墩身保持弹性状态;对于桥墩大高差高架桥,采用抗震设计的高架桥上部惯性力会集中于高度最小的桥墩上。采用减隔震设计通过选取合适的支座参数可以降低整桥地震响应的同时使惯性力得以均匀分散到各个桥墩上;

(6)采用弹塑性时程分析法对20层的框架、框-剪结构的抗震和隔震效果进行了对比分析。结果表明,抗震结构上部结构的地震响应加速度远大于隔震结构的;应用隔震技术后,高层建筑在大震时,上部结构仍处在弹性状态,减少大震后对受损建筑的维修工作。隔震后结构的加速度响应显著降低,有利于保持建筑使用功能;

(7)针对叠层橡胶支座抗拉性能远小于抗压性能制约叠层橡胶支座在大高宽比建筑的推广和应用的问题。

本文提出一种新型抗拉装置：利用叠层橡胶支座的抗压能力来承受隔震层的拉力。通过对采用新型抗拉装置结构在大震中的地震响应分析,证明新型抗拉装置可以把拉力转化成压力,提高隔震层的抗拉能力,减少隔震层竖向位移,降低上部结构地震响应。此装置对于隔震技术向大高宽比结构应用和推广有实际应用的意义。