裝配式施工知識(shí)分享：建筑隔震疊層橡膠支座研究進(jìn)展

編輯推薦：裝配式建筑入門(建筑工程基礎(chǔ)知識(shí))

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1 疊層橡膠研究進(jìn)展

1·1 Haringx理論

對(duì)疊層橡膠支座力學(xué)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(chǔ)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(shè)和不可壓縮假設(shè)下得出了形式簡單的線性解。P·B·Lindly進(jìn)一步研究了固結(jié)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(shè)是符合實(shí)際情況的。M·S·Chalhoub考慮了體積壓縮率對(duì)壓縮剛度的影響,在此基礎(chǔ)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(jié)影響。

H·C·Tsai[1]推導(dǎo)出無限長條圓形、方形的壓縮剛度,并用有限元方法進(jìn)行了驗(yàn)證。之后,又推導(dǎo)了粘結(jié)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(jié)在剛性板之間的圓形橡膠純彎下的水平位移的公式、粘結(jié)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(qiáng)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(duì)疊層橡膠支座的強(qiáng)度和剛度的研究成為主要的研究內(nèi)容。C·G·Koh對(duì)方形橡膠隔震支座進(jìn)行研究,提出了考慮P-Δ效應(yīng)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(yīng)。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(chǔ)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(yàn)設(shè)計(jì)公式。M·C·Constantinou研究中空橡膠層的壓縮剛度。G·H·Koo使用瞬時(shí)觀測(cè)剪切模量參數(shù)方程,提出一個(gè)估算支座在小變形和極限剪切變形條件下的力學(xué)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(yīng)。

疊層橡膠支座作為承壓構(gòu)件,對(duì)其穩(wěn)定性也有大量的研究。C·W·Roeder從理論和實(shí)驗(yàn)研究了橡膠支座在不同豎向荷載下的穩(wěn)定性。C·G·Koh對(duì)支座的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。J·F·Stanton基于Haringx理論,從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)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(gè)考慮了大變形、大轉(zhuǎn)角,剪力與轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的非線性計(jì)算模型。I·Buckle對(duì)一系列橡膠支座進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究水平位移對(duì)臨界荷載的影響和評(píng)價(jià)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法。除了理論和實(shí)驗(yàn)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(duì)疊層橡膠支座進(jìn)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(dòng)的初始剛度。R·G·Tyler對(duì)鉛芯橡膠支座進(jìn)行了大變形實(shí)驗(yàn)。A·Mori對(duì)NRB和LRB的壓縮特性進(jìn)行了軸壓實(shí)驗(yàn)研究,并與當(dāng)時(shí)實(shí)行的規(guī)范、Gent、Chalhoub、Kelly等理論進(jìn)行對(duì)比研究,證明有了LRB和NRB有相似力學(xué)性能,鉛芯影響不大。R·S·Jangid研究了近場地震的特點(diǎn)和支座參數(shù)優(yōu)化問題,通過調(diào)整支座的屈服強(qiáng)度可以影響隔震結(jié)構(gòu)的最大位移,而結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)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(jìn)行對(duì)比計(jì)算,效果良好。

C·Topkaya對(duì)方形橡膠支座進(jìn)行斜壓實(shí)驗(yàn),研究了尺寸效應(yīng)。K·L·Ryan通過實(shí)驗(yàn)研究得出軸向荷載增加時(shí),豎向剛度減少。在大水平變形時(shí),豎向剛度發(fā)生軟化;LRB屈服強(qiáng)度與軸力大小有關(guān)。在此基礎(chǔ)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(yīng)力與應(yīng)變規(guī)律。M·Imbimbo采用有限元方法分析了在軸壓下S1對(duì)應(yīng)力分布和應(yīng)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(xué)特性外,還具有阻尼特性。J·S·Hwang采用分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)開爾文模型建立HDR的計(jì)算模型。并采用修正高斯-牛頓系統(tǒng)識(shí)別法進(jìn)行了對(duì)比研究。隨后,研究了分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)麥斯威爾模型在HDR上的應(yīng)用、考慮溫度影響的分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)開爾文模型。Y·Ohtori對(duì)HDR的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究。D·N·Grant對(duì)圓形HDR水平雙向作用力研究,建立一個(gè)與水平位移不耦合的宏觀模型。M·Abe對(duì)方形HDR、LRB進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究,建議設(shè)計(jì)時(shí)要考慮三向受力下的耦合作用。

1·3·2 柔性加強(qiáng)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(qiáng)材料,鋼板由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能,好處顯而易見。但是,也造成了支座造價(jià)高和自重大。有鑒于此,開始有學(xué)者,研究采用柔性加強(qiáng)板支座力學(xué)性能。J·-M·Kelly進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究表明用纖維板代替鋼板作疊層橡膠支座的加強(qiáng)板,可以減少造價(jià)和重量。B·Y·Moon和B·S·Kang,詳盡地介紹了纖維加強(qiáng)板橡膠支座設(shè)計(jì)和制造,并研究了中心孔和鉛芯對(duì)纖維加強(qiáng)板橡膠支座影響。H·C·Tsai等對(duì)柔性加強(qiáng)板疊層橡膠支座展開了系列研究。研究表明:柔性加強(qiáng)板的邊界條件會(huì)影響支座的剛度;只有當(dāng)支座受壓時(shí),纖維橡膠支座的剛度才能提高;在纖維板未能完全受拉時(shí),壓力和彎矩是非線性耦合的;纖維加強(qiáng)板支座的豎向屈曲荷載受水平力影響,同時(shí)也小于線性材料加強(qiáng)板的支座。

2 總結(jié)和展望

對(duì)疊層橡膠隔震支座的機(jī)理研究,圍繞著支座的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、阻尼特性:從理論解析分析,到實(shí)驗(yàn)分析、經(jīng)驗(yàn)公式的提出、有限元法的應(yīng)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(yīng)、考慮溫度效應(yīng);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(fù)合作用的相關(guān)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(gòu)造機(jī)理的特性復(fù)雜,疊層橡膠支座的研究仍將有待進(jìn)一步深入。

(1) 研究疊層橡膠支座在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性,以及各種特性狀態(tài)的相關(guān)性對(duì)支座力學(xué)性能的影響。

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

(3) 結(jié)合柔性加強(qiáng)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(qiáng)板的力學(xué)特性,但是針對(duì)內(nèi)部加強(qiáng)板的研究較少,這方面仍有待進(jìn)一步研究。

(5) 在對(duì)疊層橡膠支座各種性能深入研究的基礎(chǔ)上,需要解決疊層橡膠支座優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)分享：建筑隔震疊層橡膠支座研究進(jìn)展”，更多裝配式新發(fā)展新資訊，歡迎繼續(xù)關(guān)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(fèi)預(yù)約短信提醒服務(wù)和裝配式精華考點(diǎn)/課程講義，點(diǎn)擊下方免費(fèi)下載即可獲取。