环形橡胶支座力学性能试验研究与有限元分析.pdf

第43卷第3期2023年6 月文章编号：10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 12 6-10地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0313环形橡胶支座力学性能试验研究与有限元分析汪奇翰,卢文胜12,任祥香12,许沛东1,2（1.同济大学土木工程学院，上海2 0 0 0 92；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海2 0 0 0 92）摘要：随着环形橡胶支座在文物及大型设备隔震等方面应用需求的增长，对环形橡胶支座的力学性能的准确掌握越来越重要。目前,虽然部分学者已提出环形橡胶支座的水平与竖向刚度的计算公式,但其对不同参数特征的环形橡胶支座的适应性还未经过试验验证,此外，支座水平与竖向刚度的压应力相关性也呕需进一步研究。因此,聚焦环形橡胶支座的水平与竖向力学性能，通过试验对现有计算公式进行评估,并重点研究支座的水平与竖向刚度的压应力相关性；基于试验建立环形橡胶支座的有限元模型，参数化分析不同特征参数的环形橡胶支座在不同压应力及水平剪应变下的水平刚度、竖向刚度及其内部应力分布变化规律,并量化分析不同压应力与剪应变对支座各项力学性能的影响。研究结果表明：环形橡胶支座的水平与竖向刚度均呈现出显著的压应力相关性；第一形状系数与第二形状系数对环形橡胶支座的水平与竖向力学性能均产生影响,第一形状系数对支座的竖向等效刚度与等效应力影响更大,而第二形状系数对支座的水平等效刚度影响更大；在不同加载工况下，环形橡胶支座内钢板层的Mise等效应力均远大于橡胶层。关键词：环形橡胶支座；支座试验；水平刚度；竖向刚度；压应力相关性中图分类号：TU352;TU317;TU311.3文献标识码：AExperimental study and finite element analysis of mechanicalbehavior of annular rubber bearingsWANG Qihan,LU Wensheng.*2,REN Xiangxiang2,XU Peidong1,2(1.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:With the growth of the application demands of the annular rubber bearings in seismic isolation of culturalrelics and equipments,it is more and more important to quantitatively grasp the mechanical properties of the annularrubber bearings.At present,although the formula for calculating the horizontal and vertical stiffness of annularrubber bearings has been proposed,the adaptability of the formula to annular rubber bearings with different parametercharacteristics has not been verified by tests,and the compressive stress correlation of the horizontal and verticalstiffness of the bearings also needs further study.Therefore,this paper focuses on the horizontal and verticalmechanical properties of annular rubber bearings,evaluates the accuracy of the existing calculation formula throughtests,and studies the compressive stress correlation between the horizontal and vertical stiffness of bearings.Finiteelement models of annular rubber bearings are established based on the experiment,the parameter analysis isconducted to study the horizontal stiffness,vertical stiffness,and its internal stress distribution variation law of theannular rubber bearings with various parameters under different compressive stress and horizontal shear strain.Theinfluence of the compressive stress and the shear strain on the mechanical properties of the bearing is alsoquantitatively analyzed.The results show that the horizontal and vertical stiffness of the annular rubber bearings收稿日期：2 0 2 2-0 4-11；修回日期：2 0 2 2-0 7-2 3基金项目：中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（2 0 2 1D11)Supported by:Scientific Research Fund of Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration(2021D11)作者简介：汪奇翰（1997 一），男，硕士研究生，主要从事结构减隔震研究。E-mail:J通讯作者：任祥香（198 8），女，工程师，博士，主要从事结构隔震及结构试验技术研究。E-mail：x i a n g x i a n g r e n t o n g j i.e d u.c n第3期shows a significant compressive stress correlation.The first shape coefficient and the second shape coefficient havean effect on the horizontal and vertical mechanical properties of the annular rubber bearing,while the first shapecoefficient has a greater effect on the vertical equivalent stiffness and equivalent stress of the bearing,and thesecond shape coefficient has a greater effect on the horizontal equivalent stiffness of the bearing.Under differentloading conditions,the Mise equivalent stress of the steel plate layer in annular rubber bearing is much larger thanthat of the rubber layer.Key words:annular rubber bearing;bearing test;horizontal stiffness;vertical stiffness;compressive stresscorrelation汪奇翰，等：环形橡胶支座力学性能试验研究与有限元分析1270引言地震给人类社会带来了极大的危害，隔震技术通过在建筑物上部结构和基础之间设置隔震装置以减少输入到上部结构的地震能量,是减轻地震灾害的有效手段之一1。经过数十年的发展，相关学者已研发出多种类型的隔震装置，如橡胶支座、摩擦滑移支座、摩擦摆支座等,其中，橡胶支座隔震效果十分显著，被广泛用于设备、建筑及公路桥梁隔震2-3。橡胶支座的形状主要有矩形、圆形与环形，目前国内学者对于矩形与圆形橡胶支座力学性能的研究较多4-5,而对环形橡胶支座的研究较少。普通圆形橡胶支座一般具有较大的竖向刚度,往往与结构的竖向周期耦合引起不利的共振效应，在核电、桥梁、地铁站等结构的三维隔震（振)时，一般选用具有基本相同剪切刚度和较小竖向刚度的厚层橡胶支座6。环形橡胶支座与厚层圆形橡胶支座相似,可用于结构的三维隔震（振）中。与圆形厚层橡胶支座通过增大单层橡胶厚度以减小钢板对橡胶层竖向变形约束的原理相类似,环形橡胶支座通过在支座中间开孔,增大橡胶层自由鼓凸变形的面积以减小钢板对橡胶层竖向变形的约束,从而实现在保证基本相同剪切刚度的情况下减小支座的竖向刚度。国内外研究学者对橡胶支座的力学性能进行了系统的试验与仿真研究。韩强等7,何文福等8 进行了一系列的支座试验,对橡胶支座的水平剪切和竖向力学性能进行了较为全面的评价,分析支座在不同变形状态下的刚度特性。肖畅等9通过试验与数值模拟研究了圆形厚层橡胶支座的力学性能,进一步精细化分析不同橡胶层厚度支座的竖向刚度计算方法。CONSTANTINOU等10 和KELLY等较早开展了对环形橡胶支座的力学性能的研究,指出相对于圆形橡胶支座,环形支座中间孔洞的存在减小了支座的压缩模量,从而大大减小了支座的竖向刚度,并在圆形橡胶支座竖向刚度理论公式的基础上引人孔洞修正系数来计算环形橡胶支座的竖向刚度。PINARBASI等12 对比了圆形橡胶支座和环形橡胶支座均匀压缩刚度的解析解,并指出支座压缩模量随着空心直径占比的增加而减小，空心孔的存在还会改变横截面上的应力分布。总体来说,环形橡胶支座的试验和仿真方法与圆形橡胶支座相类似,差别主要在于力学性能方面。目前,环形橡胶支座水平与竖向刚度的压应力相关性尚不清楚。随着环形橡胶支座应用需求的增长,定量掌握环形橡胶支座力学性能来指导支座设计越来越重要,有必要对环形橡胶支座的力学性能开展进一步深入研究。表1支座试件参数1王环形橡胶支座力学性能试验为研究环形橡胶支座的力学性能，设计外径分别为8 0、10 0 mm，内径直径均为外径2 0%的2 种环形橡胶支座RB80和RB100。支座的第一形状系数均为9.6,第二形状系数均为2.6，具体特征参数如表1所示。对支座D/mmRB8080RB100100注：D为支座外径;d为支座内径;A为支座截面面积;n.为橡胶层数;t,为橡胶单层厚度；S,为第一形状系数;S,为第二形状系数;n,为钢板层数；t，为钢板单层厚度；G为橡胶剪切模量。Table 11Parameters of the bearing specimensd/mmA/mm164826207540n1818t./mm1.72.1支座RB80RB100S19.6S2