多向受力状态下高阻尼橡胶支座力学性能试验研究

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学校代码10459学号或申请号201212212452密级硕士学位论文多向受力状态下高阻尼橡胶支座力学性能试验研究（国家自然科学基金资助项目U1204502）（河南省重点科技攻关项目102102210062）作者姓名：李政导师姓名：王建强教授学科门类：工学专业名称：防灾减灾工程及防护工程培养院系：土木工程学院完成时间：2015年3月 AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterExperimentalResearchonMechanicalPropertiesofHighDampingRubberBearingUnderMultiaxialLoadingStateBy:ZhengLiSupervisor:Prof.JianqiangWangDisasterPreventionandMitigationEngineeringSchoolofCivilEngineeringMarch2015 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：h$年入月1|H学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：円期：年c月vl円 摘要摘要近年来，由于高阻尼橡胶支座不仅有利于环境保护，而且具有良好的力学性能，开始逐渐应用于实际工程中。目前，对于高阻尼橡胶支座主要是进行水平单向压剪试验，研究支座在水平单向压剪状态下的力学性能，而在实际地震中，支座处于多向受力状态，竖向荷载和水平双向恢复力的耦合效应也是不可忽视的。因而，目前的研究现状已不能满足工程实际的需要，为研究高阻尼橡胶支座在多向受力状态下的力学性能，本文的主要研究内容如下：（1）对高阻尼橡胶支座进行水平单向压剪试验，研究竖向压应力和应变幅值对支座水平等效刚度、等效阻尼比、屈服后刚度和屈服力的影响。（2）对高阻尼橡胶支座进行水平双向压剪试验，研究竖向压应力和应变幅值对支座水平两个方向的力学性能参数的影响，并通过对比水平单向压剪试验与水平双向压剪试验的结果，研究水平双向恢复力的耦合效应对高阻尼橡胶支座力学性能的影响，结果表明耦合效应对高阻尼橡胶支座力学性能影响不大。（3）对高阻尼橡胶支座进行水平双向“8”字形加载压剪试验，研究竖向压应力和应变幅值对支座水平两个方向力学性能参数的影响，并通过试验结果的对比，研究Y方向位移对支座X方向力学性能的影响，结果表明Y方向位移的增加，增加了X方向的耗能、水平等效刚度和屈服后刚度，降低了X方向的屈服力，对阻尼比影响不大。关键词：高阻尼橡胶支座；多向受力；耦合效应；力学性能；试验研究I AbstractAbstractHighdampingrubberbearinghasbeengraduallyusedinactualengineeringstructuresduetoitsenvironmentalprotectionandgoodmechanicalproperties.Inthepaststudiesrelatedtothemechanicalpropertiesofbearings,experimentswerecon-ductedundertheunidirectionalhorizontalwithconstantverticalload.Thecouplingeffectofhorizontalrestoringforcesandverticalloadarenotnegligible,sincebearingsareundermultiaxialloadingstateinactualearthquake.Hence,mechanicalpropertiesofhighdampingrubberbearingundermultiaxialloadingstateareinvestigatedtosatisfytherequirementofpracticalengineering.Themaincontentofthepaperisasfollow:(1)TheunidirectionalhorizontaltestonHDRwasconductedtoinvestigatetheinfluenceofverticalloadandshearstrainontheequivalenthorizontalstiffness,equivalentdampingratio,post-yieldstiffnessandyieldstrength.(2)ThebidirectionalhorizontaltestonHDRwasconductedtoinvestigatetheinfluenceofverticalloadandshearstrainonthemechanicalpropertiesparameterofthetwohorizontaldirections.Bycomparingthevaluesoftheunidirectionalhorizontaltestwiththebidirectionalhorizontaltest,thecouplingeffectofhorizontalrestoringforcesareinvestigated.(3)Thebidirectionalhorizontaltest,thefigureeight-shapedpath,onHDRwasconductedtoinvestigatetheinfluenceofverticalloadandshearstrainonthemechanicalpropertiesparameterofthetwohorizontaldirections.Bycomparingthevaluesofthetwoexperimentalconditions,theeffectoftheYdirectiondisplacementonthemechanicalpropertiesofHDRintheXdirectionareinvestigated.KeyWords：highdampingrubberbearing；multiaxialloadingstate；thecouplingeffect；mechanicalproperties；experimentalresearchII 目录目录1绪论...................................................................111.1引言................................................................1.2高阻尼橡胶支座概述...................................................................................11.3高阻尼橡胶支座的国内外发展现状...........................................................21.3.1国外发展现状......................................................................................................21.3.2国内发展现状......................................................................................................41.4本论文研究内容...........................................................................................52高阻尼橡胶支座力学性能试验概况..................................................72.1高阻尼橡胶支座试件...................................................................................72.2加载系统.......................................................................................................72.3试验平台.......................................................................................................82.4支座试验工况.............................................................................................112.5支座试验结果计算方法.............................................................................123高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验.............................................143.1引言.............................................................................................................143.2试验工况.....................................................................................................143.3高阻尼橡胶支座试验结果分析.................................................................153.3.1支座滞回曲线....................................................................................................153.3.2支座水平等效刚度............................................................................................163.3.3支座等效阻尼比................................................................................................18III 目录3.3.4支座屈服后刚度................................................................................................203.3.5支座屈服力........................................................................................................223.4本章小结.....................................................................................................244高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验...............274.1引言.............................................................................274.2试验工况.....................................................................274.3高阻尼橡胶支座X方向试验结果分析....................................................274.3.1支座X方向滞回曲线........................................................................................274.3.2支座X方向水平等效刚度................................................314.3.3支座X方向等效阻尼比....................................................................................314.3.4支座X方向屈服后刚度....................................................................................334.3.5支座X方向屈服力............................................................................................354.4高阻尼橡胶支座Y方向试验结果分析....................................................364.4.1支座Y方向滞回曲线........................................................374.4.2支座Y方向水平等效刚度................................................................................374.4.3支座Y方向等效阻尼比....................................................................................394.4.4支座Y方向屈服后刚度....................................................................................414.4.5支座Y方向屈服力............................................................................................434.5高阻尼橡胶支座水平单向和双向压剪试验对比分析.............................444.5.1支座耗能对比....................................................................................................454.5.2支座水平等效刚度对比.....................................................................................464.5.3支座等效阻尼比对比.........................................................................................474.5.4支座屈服后刚度对比.........................................................................................484.5.5支座屈服力对比................................................................................................494.6本章小结.....................................................................................................505高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验.............................515.1引言.............................................................................................................51IV 目录5.2试验工况.....................................................................................................515.3高阻尼橡胶支座“8”字形1:0.5压剪试验X方向试验结果分析........525.3.1支座X方向滞回曲线........................................................................................525.3.2支座X方向水平等效刚度................................................................................535.3.3支座X方向等效阻尼比....................................................................................555.3.4支座X方向屈服后刚度....................................................................................565.3.5支座X方向屈服力............................................................................................575.4高阻尼橡胶支座“8”字形1:0.5压剪试验Y方向试验结果分析........585.4.1支座Y方向滞回曲线........................................................................................585.4.2支座Y方向水平等效刚度................................................................................595.4.3支座Y方向等效阻尼比....................................................................................605.4.4支座Y方向屈服后刚度....................................................................................625.4.5支座Y方向屈服力............................................................................................635.5高阻尼橡胶支座“8”字形1:1压剪试验X方向试验结果分析...........645.5.1支座X方向滞回曲线........................................................................................645.5.2支座X方向水平等效刚度................................................................................655.5.3支座X方向等效阻尼比....................................................................................665.5.4支座X方向屈服后刚度....................................................................................675.5.5支座X方向屈服力............................................................................................685.6高阻尼橡胶支座“8”字形1:1压剪试验Y方向试验结果分析...........695.6.1支座Y方向滞回曲线........................................................................................695.6.2支座Y方向水平等效刚度................................................................................705.6.3支座Y方向等效阻尼比....................................................................................715.6.4支座Y方向屈服后刚度....................................................................................725.6.5支座Y方向屈服力............................................................................................735.7高阻尼橡胶支座“8”字形1:0.5和1:1压剪试验对比分析..................745.7.1支座X方向耗能对比........................................................................................755.7.2支座X方向水平等效刚度对比........................................................................765.7.3支座X方向等效阻尼比对比............................................................................76V 目录5.7.4支座X方向屈服后刚度对比............................................................................765.7.5支座X方向屈服力对比....................................................................................775.8本章小结.....................................................................................................786结论与展望.......................................................................................796.1结论.............................................................................................................796.2展望.............................................................................................................80参考文献.................................................................................................81个人简历、在学期间发表的学术论文和科研成果.............................83致谢.........................................................................................................84VI 绪论1绪论1.1引言地震是具有突发性的自然灾害，在地震中，成百上千幢建筑沦为废墟，成千上万的人丧生，遍地哀鸿，生灵涂炭，给人类造成巨大的灾难。我国处于地[1-2]震多发区，2008年的汶川地震和2010年的青海玉树地震至今仍令人痛心。地震灾害造成大量的建筑、桥梁结构的破坏，引起较多的人员伤亡，导致巨大的经济损失，因此，提高工程结构的抗震能力显得非常迫切。建筑结构隔震技术是20世纪60年代出现的一项新技术,多年来，世界各国学者对此项技术开展了广泛、深入的研究，并取得了引人注目的成果。隔震技术是目前工程中应用最多的一种减震控制技术，由于其易于实施、减震控制效果好，正受到越来越多国家的重视。常用的隔震橡胶支座主要有三种：天然橡胶支座（NRB)、铅芯橡胶支座(LRB)、高阻尼橡胶支座(HDR)。目前，在我国的隔震结构中，最常用的隔震装置是铅芯橡胶支座，但是试验研究证明铅芯橡胶支座使用的橡胶在低温下存在着迅速硬化的现象，在低周疲劳作用下支座中的铅芯将产生疲劳剪切破坏，使支座的耗能性能大幅度降低，5000次水平小位移低周反复加载后其阻尼大致降[3]低25％，并且使用过程中橡胶开裂、铅芯外露，会对环境造成污染，其力学性能也受到不同程度的折减。因此，研究既对环境没有污染，又具备稳定的力学性能和阻尼的新型高阻尼橡胶支座对于隔震技术的发展和应用有着重要的社会和经济价值。很多发达国家都已经开始了这方面的研究，美国、欧洲、日本等已经投入了大量的人力物力研制具备稳定性能的新型高阻尼橡胶隔震支座，我国对于高阻尼橡胶支座也进行了一定的研究，但目前对于高阻尼橡胶支座的力学性能还有待进一步的深入研究。1.2高阻尼橡胶支座概述高阻尼橡胶支座（HighDampingRubberBearing，HDR），其构造与天然橡胶支座相似，不同之处在于，在天然橡胶和合成橡胶的橡胶聚合物中，加入填[4]充剂、补强剂、可塑剂、硫化剂等配合剂，制成高阻尼橡胶，从而使其不仅具[5]备天然橡胶支座的水平和竖向性能外，还具有较强的阻尼性能。目前加入较多的材料为石墨，使支座不仅具有很好的弹性恢复能力，并且具有水平耗能的功1 绪论能，高阻尼橡胶材料粘性大，自身可以吸收更多的能量，其力学性能很复杂，[6]所以它的性能被近似成超弹性。它与天然橡胶支座相比，具有较高的等效阻尼比；与铅芯橡胶支座相比，具有更大的屈服前刚度，对结构抗风更有利，而且更为有利的条件是高阻尼橡胶支座不附带铅芯有毒材料，有利于环保，特别适合对环保有特殊要求的地方。高阻尼橡胶支座由于加入了一系列的高阻尼材料，在一定程度上增加了支座的阻尼，因此高阻尼橡胶支座除了能够提供一定的水平变形能力以外，其对水平变形还具有一定的抵抗作用，这种抵抗作用使它吸收地震能量的能力比普通的橡胶支座要强，起到一定的自复位效果。高阻尼橡胶支座由于具有较高阻尼功能，其滞回曲线较为丰满。高阻尼橡胶支座在小变形领域刚度较大，随着[7]变形的增大，其刚度会软化，在应变幅值超过200%后开始硬化，其滞回曲线会变成月牙形，见图1.1。图1.1高阻尼橡胶支座滞回曲线由于高阻尼橡胶支座综合了弹簧和阻尼器功能，设计时可以不在隔震层安装其他阻尼器，因此，高阻尼橡胶支座代替了传统隔震结构所采用的隔震支座[7]加阻尼器的结构形式，使隔震层的结构布置简单规则。目前，高阻尼橡胶支座在美国、日本等国家和地区有一定的应用。2 绪论1.3高阻尼橡胶支座的国内外发展现状1.3.1国外发展现状[8]1995年，Sano和Di-Pasquale依据Davienkov-Martine法则提出了一个非应变率相关模型来近似等效考虑在不同的应变条件下高阻尼橡胶支座刚度的折减及阻尼的变化。[9]1997年，Kikuchi和Aiken等将Bi-Linear模型与Ramberg-Osgood模型相结合的方式，同样也提出了一个非应变率相关模型来近似模拟高阻尼橡胶支座的本构关系。[10]2004年，AbeM等提出了一个双向弹塑性模型，来考虑在双向加载条件下，高阻尼橡胶支座的应力-应变本构特性。然而以上所提到的数值模型有一个共同特点，它们考虑了在不同应变条件下高阻尼橡胶支座刚度的折减及阻尼的变化，但是没有将应变率对高阻尼橡胶支座本构关系的影响考虑进去。[11-12]Hwang,J.S.对隔震桥面进行振动台试验分析，采用分数导数Kelvin模型建立高阻尼橡胶支座的计算模型，并采用修正高斯-牛顿系统识别法进行了对比研究。随后基于分数导数Kelvin模型，又提出了考虑了应变率、温度、频率和[13]竖向荷载等十个参数相关性的恢复力模型，并通过循环荷载试验验证了该模型的准确性。[14]A.Dall’Asta和L.Ragni对高阻尼橡胶支座进行不同应变幅值与应变速率下的纯剪切试验，通过试验数据的研究，得出了一个非线性粘弹性损伤模型，更准确地描述橡胶在循环加载下的力学性能，研究发现HDR具有应变率迟滞特性，即不同的应变率下，高阻尼橡胶支座的应力-应变本构关系不同，提出了高阻尼橡胶支座的应变率依存非线性数值模型。[15]A.R.Bhuiyan对高阻尼橡胶支座在恒定竖向荷载作用下进行水平压剪试验，通过对试验结果的研究，在Maxwell模型基础上添加一个非线性弹性弹簧和一个弹塑性滑块，提出了考虑HDR非线性率相关性的粘弹塑性流变模型。[16]MasatoAbe对NRB、LRB和HDR进行了试验研究和对比，主要研究了三种橡胶支座在小振幅下、水平单向加载以及水平双向“8”字形和圆形加载试验的力学性能并对三种橡胶支座进行了对比，得出以下结论：（1）随着水平位移的增加，HDR的等效刚度增加而阻尼比降低；（2）在三向加载试验中，水平3 绪论双向的恢复力之间有耦合效应，使HDR的水平等效刚度和等效阻尼比相较于水平单向加载试验的结果有所增加，因此在三向受力的情况下，耦合效应是不可[17]忽视的。随后MasatoAbe又对HDR的模型进行了研究，提出了基于弹塑性本构关系的一维模型和二维模型，前者与大变形试验吻合，后者与三向受力试验吻合。[18]JunjiYoshida等运用了有限元方法研究了高阻尼橡胶支座的力学性能，研究结果与试验吻合。1.3.2国内发展现状[19]庄学真对高阻尼橡胶支座进行了水平单向压剪力学性能试验，研究了支座的竖向刚度、水平等效刚度、阻尼比及水平剪切大变形等，对高阻尼橡胶支座的变形相关性进行了初步的试验研究，但未对其规律进行很好的归纳。[20]薛晓峰对高阻尼橡胶支座进行了纯剪切试验，分析了高阻尼橡胶特征参数与激励频率、应变幅值幅值、粘弹性层厚度、剪切面形状的关系，认为对高阻尼橡胶阻尼器的等效刚度和等效阻尼比计算式中应考虑激励频率和应变幅值的影响。[21]袁勇对高阻尼橡胶支座进行了水平单向压剪试验，试验结果表明：高阻尼橡胶支座是速度相关型支座，即加载频率对水平等效刚度影响较大，但对阻尼比影响不大，并且发现位移加载顺序（顺应变与逆应变）对高阻尼橡胶支座的水平等效刚度与阻尼比均影响较大。[22]朱坤通过对高阻尼橡胶支座进行水平单向压剪试验，研究了应变幅值、竖向压应力、加载频率、加载顺序和橡胶剪切模量对支座水平力学性能的影响，并建立了等效粘滞模型中的等效剪切刚度和等效阻尼比与应变幅值的回归公式，给出了高阻尼橡胶支座双线性模型有关参数。并以工程实例为背景，研究HDR在桥梁隔震中的隔震效果，利用大型有限元分析软件ANSYS对隔震桥梁地震反应进行时程分析，并与相同规格的铅芯橡胶支座隔震桥的分析结果对比，结果显示高阻尼橡胶支座隔震桥有更好的隔震效果。[23-25]沈朝勇采用反复加载试验方法对高阻尼橡胶支座进行水平单向压剪试验，研究了支座的应变幅值相关性、压应力相关性、加载频率相关性、反复加载次数相关性、温度相关性、老化相关性等，并研究了其相应因素对HDR滞回环面积、屈服强度、等效阻尼比、屈服后刚度、等效刚度的影响。试验结果表4 绪论明，加载频率、反复加载次数、温度、老化对HDR阻尼影响较大，而对其刚度影响相对较小。通过对试验曲线的分析，给出了G值为0.64MPa，应变幅值为100%，等效阻尼比为12%的HDR的等效剪切模量、等效阻尼比、屈服强度、屈服前刚度、屈服后刚度随应变幅值变化的经验公式。[26]陈飞对高阻尼橡胶支座的力学性能进行了系统的试验研究，即高阻尼橡胶支座的应变幅值相关性试验、压应力相关性试验、加载频率相关性试验、温度相关性试验、反复加载次数相关性试验以及极限剪切性能试验等。试验结果表明高阻尼橡胶支座的等效阻尼比随应变幅值、压应力、加载频率、温度和加载次数的变化较明显，而其水平等效刚度比较稳定，高阻尼橡胶支座有比较好的极限剪切变形能力。[27]张晓玲用DMA+450动态机械分析仪测试高阻尼橡胶材料的振动疲劳性能，结果表明高阻尼橡胶受温度影响较大，当温度高于40℃时，其疲劳过程会明显加速。高阻尼橡胶的初始刚度较大，表现为弹性性能，微米量级的小振幅对其疲劳性影响较小，适用于在振幅不大、频率一定的条件下工作。[28]张欣采用有限元非线性动力时程分析方法研究了软弱土场地条件下高阻尼橡胶支座的适用性，对比采用了高阻尼橡胶支座和板式橡胶支座后桥梁的地震响应，研究结果表明，当下部结构的刚度较大时，即使在软弱土场地条件下，高阻尼橡胶支座仍具有很大的阻尼并具有较好的减震效果。[29]杜鹏飞采用有限元分析软件Midascivil建立有限元模型分析得出高阻尼橡胶支座具有良好的抗震性能，在桥墩刚度比较大、桥梁的基本周期比较短或主要能量集中在高频段时具有优异的隔震效果，可以均匀分摊各桥墩的地震力使全桥协同抗震，同时通过支座的滞回耗能能有效地减小桥墩的位移、弯矩及剪力。1.4本论文研究内容近年来，由于高阻尼橡胶支座（HDR）不仅有利于环境保护，而且具有良好的力学性能，开始逐渐应用于实际工程中。目前，对于高阻尼橡胶支座主要是进行水平单向压剪试验，研究支座在水平单向压剪状态下的力学性能，而在实际地震过程中，支座处于多向受力状态，竖向荷载和水平双向恢复力的耦合效应也是不可忽视的。因而，目前的研究现状已不能满足工程实际的需要，为5 绪论研究高阻尼橡胶支座在多向受力状态下的力学性能，本文的主要研究内容如下：（1）对直径为200mm的圆形高阻尼橡胶支座进行水平单向压剪试验，研究竖向压应力、应变幅值对高阻尼橡胶支座的力学性能参数的影响，主要研究的力学性能参数包括：支座耗能、水平等效刚度、等效阻尼比、屈服后刚度和屈服力。（2）对直径为200mm的圆形高阻尼橡胶支座进行水平双向压剪试验，研究在水平双向压剪状态下，竖向压应力和应变幅值对支座X、Y两个方向的力学性能参数的影响，并通过对比水平单向压剪试验与水平双向压剪试验支座X方向的试验结果，研究水平双向恢复力的耦合效应对高阻尼橡胶支座力学性能的影响。（3）对直径为200mm的圆形高阻尼橡胶支座进行水平双向“8”字形加载压剪试验，试验分为两个工况，X、Y方向的位移比分别为1:0.5和1:1，研究在“8”字形加载路径下，竖向压应力和应变幅值对支座力学性能参数的影响，并通过对比两工况的试验结果，研究Y方向的位移对支座X方向力学性能的影响。6 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况2.1高阻尼橡胶支座试件高阻尼橡胶支座是在天然橡胶中加入了添加剂，使得支座除了具有天然橡胶支座的水平和竖向力学特性外,还具有阻尼特性。根据GB20688.3-2006橡胶支[30]座第3部分：建筑隔震橡胶支座对高阻尼橡胶支座基本参数的取值要求及现有的试验条件，选用国内某橡胶隔震支座生产厂家生产的直径为200mm的高阻尼橡胶支座作为试验对象，支座的具体参数见表2.1，支座的构造图见图2.1。表2.1高阻尼橡胶支座的基本参数支座橡胶剪橡胶层橡胶内部内部上下隔振连接S1S2直径切模量厚层数钢板钢板封板器总板厚(mm)(MPa)(mm)厚度层数厚度高度度(mm)(mm)(mm)(mm)2000.865341674128.336.67图2.1高阻尼橡胶支座立面图2.2加载系统高阻尼橡胶支座的力学性能试验在华北水利水电大学土木工程综合实验室进行。本试验采用MTS电液伺服加载系统作为加载装置，选用2台500kN电液伺7 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况服作动器作为平面内X向和Y向的施力设备，选用1台1500kN电液伺服作动器作为Z向竖向荷载的施力设备，作动器的详细参数见表2.2。表2.2加载设备性能指标技术参数500kN作动器500kN作动器1500kN作动器作动器编号1#2#3#额定输出推力500kN649kN1460kN额定输出拉力500kN445kN962.5kN最大行程254mm762mm508mm工作压力21MPa21MPa21MPa系统控制方式荷载(力)、位移加载波形正弦波、三角波、梯形波、斜波、组合波、地震波等2.3试验平台为实现高阻尼橡胶支座的三向加载，本课题组设计了一种运动范围大、承载能力强、试验精度高的力学试验平台。使用该平台可对试验对象进行单向、双向或三向力学试验。高阻尼橡胶支座力学性能试验试验平台的示意图如图2.2所示，试验系统示意图如图2.3所示，试验现场示意图如图2.4-2.6。本试验平台中，竖向加载头具有导向装置，约束了除竖向移动外的其他5个自由度，保证了竖向加载方向的准确性和稳定性。X向和Y向运动通过各自的导轨和侧向滚子排来保证加载方向的准确性和稳定性，X向和Y向的运动分为两层，中承力板进行X向运动，上承力板进行Y向运动。在上承力板和中承力板之间设置有Y向滚子排，可保证在竖向加载后Y向的正常运动，并将竖向载荷向下传递。在中承力板和下承力板之间设置有X向滚子排，可保证在竖向加载后X向的正常运动，并将竖向载荷向下传递至固定于机座或地面上的下承力板，最终传递至地面。X向和Y向的运动通过解耦机构可实现各向的独立运动，该机构由1个与X轴同向的移动副、1个与Y轴同向的移动副及1个转动副组成，具体结构主要包括：解耦机构框体、解耦滑块、解耦滚子排、销轴和Y加载导向机构。8 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况图2.2高阻尼橡胶支座力学性能试验平台细节示意图1-Y加载头，2-解耦机构框体，3-上承力板，4-X加载头，5-中承力板，6-导轨，7-滚子排，8-下承力板图2.3高阻尼橡胶支座力学性能试验系统示意图1-1#电液伺服作动器，2-3#电液伺服作动器，3-2#电液伺服作动器，4-地梁，5-高阻尼橡胶支座，6-试验平台9 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况图2.4高阻尼橡胶支座力学性能试验现场示意图图2.5高阻尼橡胶支座力学性能试验现场实物图10 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况图2.6高阻尼橡胶支座力学性能试验平台实物图2.4支座试验工况本文中对直径为200mm的圆形高阻尼橡胶支座进行压剪试验，试验内容分为水平单向压剪试验和水平双向压剪试验，试验对象为试件HDR-B和HDR-C。水平单向压剪试验：试验试件HDR-B，竖向压应力分别为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa和18MPa，激励频率为0.01HZ，并分别进行50%、100%、150%和200%应变幅值下的水平力学性能试验。水平双向压剪试验：（1）水平双向加载：试验试件HDR-C，竖向压应力分别为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa和18MPa，X与Y方向的激励频率均为0.01HZ，X与Y的位移比为1:0.5加载，X方向的应变幅值分别为50%、100%、150%和200%，相对应Y方向的应变幅值分别为25%、50%、75%和100%。（2）水平双向“8”字形加载：工况一：试验试件HDR-B，竖向压应力分别为6MPa、9MPa、12MPa和15MPa，X、Y方向的激励频率为1:2（分别为0.01HZ和0.02HZ），X、Y方向的位移比为1:0.5的“8”字形加载，X方向的应变幅值分别为100%和200%，相对应Y方向的应变幅值分别为50%和100%。工况二：试验试件HDR-C，竖向压应力分别为6MPa、9MPa、12MPa和11 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况15MPa，X、Y方向的激励频率为1:2（分别为0.01HZ和0.02HZ），X、Y方向的位移比为1:1的“8”字形加载，X、Y方向的应变幅值均分别为100%和200%。2.5支座试验结果计算方法本文主要研究高阻尼橡胶支座的水平剪切性能，研究的力学参数主要有水[31]平等效刚度、等效阻尼比，屈服后刚度和屈服力。依照隔震支座试验规范，将试件水平单双向压剪试验的结果数据计算可得出所需支座的主要力学性能参数。公式如下（2.1）-（2.4），参考图如下图2.7。图2.7高阻尼橡胶支座剪切性能的测定QQ12（2.1）KhXX122Wh（2.2）eq2K(XX)h121QQQQ1d12d2K()（2.3）d2XX121Q(QQ)（2.4）dd1d22式中：Q—最大水平剪力；1Q—最小水平剪力；2X—最大水平位移；112 2高阻尼橡胶支座力学性能试验概况X—最小水平位移；2Q,Q—滞回曲线正向和负向与剪力轴的交叉点；d1d2W—滞回曲线的包络面积；K,h,K,Q—分别为水平等效刚度，等效阻尼比，屈服后刚度和屈服力。heqdd13 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验3.1引言[19]在高阻尼橡胶支座的水平单向压剪试验研究方面，庄学真等研究了高阻尼橡胶支座在不同荷载作用下的水平等效刚度、等效阻尼比及水平剪切大变形[21]的性能。袁涌等通过试验发现高阻尼橡胶支座是速度相关型支座，加载频率对其水平等效刚度有较大的影响，但对其等效阻尼系数影响不大。这些试验研究的力学参数主要为水平等效刚度和阻尼比，但对屈服后刚度以及屈服力并未深入研究。而实际地震作用下，隔震支座是通过自身进入塑性变形来对地震能量进行耗散，所以支座塑性阶段的屈服后刚度和屈服力也是研究其力学性能的主要参数。本章将对直径为200mm的高阻尼橡胶支座HDR-B进行水平单向压剪试验，如图3.1，得到支座的滞回曲线研究其耗能性能，并通过对试验数据的处理，计算出在水平单向压剪试验中支座的水平等效刚度、等效阻尼比、屈服后刚度以及屈服力，研究应变幅值和竖向压应力对高阻尼橡胶支座力学性能参数的影响。图3.1水平单向剪压试验图3.2试验工况本章对高阻尼橡胶支座HDR-B进行水平单向压剪试验，选用3#作动器施加Z方向的竖向荷载，1#作动器施加X方向的水平位移荷载，竖向采用力控制加[31]载，水平方向采用位移控制加载。在水平单向压剪试验中，试验方法采用文献中所推荐的循环3圈方法，为保证第3圈结果的完整性，实际试验时采用了4个循环，取第3圈的试验结果。为研究竖向压应力和应变幅值对高阻尼橡胶支座力学性能的影响，试验方案采用保持竖向压应力分别为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa和18MPa，激励频率为0.01HZ，水平方向分别进行50%、100%、150%和200%应变幅值下的水平单向压剪试验。试验工况如下表3.1所示。14 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验表3.1水平单向剪压试验工况工况试件加载函数循环激励频率ω应变幅值Ux竖向压应次数（HZ）力（MPa）水平单向HDR-BXUsint40.0150%、100%、3、6、9、x压剪试验150%、200%12、15、183.3高阻尼橡胶支座试验结果分析3.3.1支座滞回曲线通过对HDR-B水平单向剪压试验，在激励频率为0.01HZ下得到不同竖向压应力下，应变幅值分别为50%、100%、150%、和200%的水平剪切力与剪切位移的滞回曲线如下图3.2-图3.7所示。图3.2竖向压应力3MPa滞回曲线图3.3竖向压应力6MPa滞回曲线15 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验图3.4竖向压应力9MPa滞回曲线图3.5竖向压应力12MPa滞回曲线滞回曲线图3.6竖向压应力15MPa滞回曲线图3.7竖向压应力18MPa滞回曲线通过上图滞回曲线可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）滞回曲线光滑饱满，耗能性能良好，四个循环的滞回环基本重合，说明其耗能性能比较稳定；（2）随着应变幅值与竖向压应力的增加，滞回环面积增加，即耗能增加；（3）在应变幅值较小时，其滞回曲线呈椭圆状，随着应变幅值的增大滞回曲线逐渐呈现出明显的月牙状，尤其在应变幅值达到200%时，刚度明显增加，即出现刚度硬化现象，说明高阻尼橡胶支座的本构关系受应变幅值大小的影响。3.3.2支座水平等效刚度对HDR-B进行水平单向压剪试验，根据试验所得的结果数据，依照公式（2.1）可计算出不同应变幅值与竖向压应力下高阻尼橡胶支座的水平等效刚度16 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验如下表3.2。表3.2支座在水平单向剪压试验下的水平等效刚度（kN/m）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%3956.5757.9681.7626.06857.6709.8682.8643.89863.6711.4698.4672.112841.6688.7692.0673.615867.5694.5699.1676.718788.3610.6614.0694.7根据表格中的数据可画出支座水平等效刚度随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图3.8和图3.9。图3.8水平等效刚度随剪切应变幅值变化曲线由图3.8可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）当竖向压应力小于18MPa时，支座的水平等效刚度随应变幅值的增加整体呈下降趋势，主要原因为随着支座水平变形的增加，支座受压区域面积逐渐减小，远离核心受压区域的内部橡胶因约束程度降低从而导致支座水平刚度的相应减小；（2）当竖向压应力增至18MPa时，支座的水平等效刚度随着应变幅值的增加呈先降后升的趋势，在应变幅值为200%时水平等效刚度明显上升，增幅达13.1%，主要原因为高阻尼橡胶支座在较大竖向压应力以及大变形的情况下，出现了刚度硬化现象导致水平等效刚度较大幅度的上升；17 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验（3）应变幅值100%为分界点，水平等效刚度在应变幅值100%之前随剪切变形的增加下降趋势明显，50%-100%间平均降率为19.4%，说明高阻尼橡胶支座在小变形领域等效水平刚度较大，即对结构抗风有利；而在应变幅值100%之后，支座的水平等效刚度随剪切位移的变化趋势明显变缓，因外保护层橡胶与支座下封板硫化在一起，约束了靠近下封板临近数层内部橡胶自由水平剪切变形，致使支座水平等效刚度下降趋势变缓。图3.9水平等效刚度随竖向压应力变化曲线由图3.9可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）当应变幅值为50%-100%时，支座的水平等效刚度随着竖向压应力的增加呈下降趋势，但仅在竖向压应力较小（3MPa-6MPa）和较大（15MPa-18MPa）时变化明显，平均下降率为9.4%；而在竖向压应力为6MPa-15MPa时等效刚度随竖向压应力几乎保持不变，平均变化率仅为1.7%，即在这区间内水平等效刚度对竖向压应力的变化不敏感；（2）当应变幅值为150%时，支座的水平等效刚度随竖向压应力的增加呈下降趋势。在3MPa-15MPa之间水平等效刚度几乎不变，平均变化率为1.1%。当竖向压应力增至15MPa-18MPa时，等效刚度明显下降，下降幅度达12.2%；（3）当应变幅值为200%时，支座的水平等效刚度随竖向压应力的增加而增加，但增加幅度不大，平均增加率为2.1%，即在应变幅值200%时，竖向压应力的增加强化了支座的刚度硬化现象。3.3.3支座等效阻尼比18 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验对HDR-B进行水平单向压剪试验，根据试验所得的结果数据，依照公式（2.2）可计算出不同应变幅值与压应力下高阻尼橡胶支座的阻尼比如下表3.3。表3.3支座在水平单向压剪试验下的阻尼比（%）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%313.512.211.512.0615.313.812.512.4917.916.314.514.01219.918.516.315.81521.220.718.317.71824.925.522.819.2根据表格中的数据可画出支座阻尼比随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图3.10和图3.11。图3.10阻尼比随剪切应变幅值变化曲线由上图3.10可知高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）当竖向压应力为3MPa时，支座的阻尼比随应变幅值的增加呈先减后增的趋势，但整体变化幅度不大。应变幅值150%为分界点，在50%-150%为下降段，平均下降率为7.7%，在150%-200%出现了小幅上升，上升幅度为4.3%；（2）当竖向压应力为6MPa-15MPa时，支座的阻尼比随应变幅值的增加而[31-32]降低，借鉴文献中支座等效阻尼比的公式，由于支座最大位移及相应力形成的三角形面积增加的幅度比滞回环面积更快，从而导致了支座等效阻尼比随19 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验剪切变形增加而减小。150%为分界点，当应变幅值小于150%时，等效阻尼比的平均下降率为9.0%，当应变幅值大于150%时，阻尼比随应变幅值的增加变化不大，平均下降率为2.6%，高阻尼橡胶支座在大变形下阻尼比下降率降低，即大变形时仍保持较好的阻尼性能；（3）当竖向压应力为18MPa时，支座的阻尼比随应变幅值的增加呈先增后减的趋势。应变幅值100%为分界点，应变幅值100%之前，随着应变幅值的增加阻尼比呈小幅上升，增幅率为2.4%；应变幅值100%后呈持续下降趋势，且下降幅度随着变形的增大而增大，当幅值增至150%-200%时，达到最大下降幅度15.8%，这是因为支座的刚度硬化导致阻尼比的大幅下降。图3.11阻尼比随压应力变化曲线图由图3.11可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）在相同应变幅值下，等效阻尼比随着竖向压应力的增加而增加，平均增幅率为13.4%，最大增幅率达24.6%；（2）相较于应变幅值对阻尼比的影响，竖向压应力对阻尼比影响较大。3.3.4支座屈服后刚度屈服后刚度为支座进入塑性变形后的刚度，较水平等效刚度其值较小。地震中，上部结构的水平位移和支座的隔振效果都与屈服后刚度有很大关系，所以研究支座的屈服后刚度是很有必要的。对HDR-B进行水平单向的压剪试验，根据试验所得的结果数据，依照公式（2.3）可计算出不同应变幅值与竖向压应力下高阻尼橡胶支座的屈服后刚度如20 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验下表3.4。表3.4支座在水平单向压剪试验下的屈服后刚度（kN/m）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%3720.9596.9555.4510.16605.8533.7540.1518.99570.2501.1527.2522.012519.9455.7499.5499.315513.3432.3479.0477.218405.5321.5367.3473.0根据表格中的数据可画出阻尼比随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图3.12和图3.13。图3.12屈服后刚度随剪切应变幅值变化曲线由图3.12可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）当竖向压应力为3MPa时，屈服后刚度随应变幅值的增加而减小，平均下降幅度为10.8%；（2）当竖向压应力大于3MPa时，屈服后刚度随应变幅值的增加呈现先减后增的趋势。应变幅值100%为明显的分界点，当应变幅值小于100%时，屈服后刚度随着水平位移的增大而减小，平均下降幅度为14.6%；当应变幅值大于100%时，屈服后刚度随着应变幅值的增加而增加，主要因外保护层橡胶与支座下封板硫化在一起，当支座进入较大变形时（大于100%），约束了靠近下封板临近数层内部橡胶自由水平剪切变形，致使支座屈服后刚度增加。当竖向压应21 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验力小于18MPa时，屈服后刚度在应变幅值150%-200%几乎保持不变，当竖向压应力增至18MPa时，屈服后刚度在应变幅值150%-200%出现明显增加，增幅达28.8%，为刚度硬化的结果。3.13屈服后刚度随压应力变化曲线图由图3.13可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）当应变幅值小于200%时，支座的屈服后刚度随竖向压应力的增加而降低，平均下降率达9.8%；（2）当应变幅值为200%时，屈服后刚度变化不明显，平均变化率为2.3%，主要因为高阻尼橡胶支座在应变幅值为200%时出现了刚度硬化，而竖向压应力的增加会强化支座的刚度硬化现象，从而减缓了屈服后刚度随压应力增加而下降的幅度。（4）综合图3.8、图3.9、图3.12和图3.13可以看出，支座HDR-B在竖向压应力为18MPa应变幅值为200%时出现了刚度硬化现象。3.3.5支座屈服力对HDR-B进行水平单向压剪试验，根据试验所得的结果数据，依照公式（2.4）可计算出不同应变幅值与压应力下高阻尼橡胶支座的屈服力如下表3.5。屈服力为滞回环在零位移时支座的水平剪切力，主要由此时支座的粘滞阻尼力提供，其变化与滞回环与坐标轴交点位置变化情况一致，在一定程度上反映了支座的耗能能力。22 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验表3.5支座在水平单向压剪试验下的屈服力（kN）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%33.54.85.77.063.85.36.47.594.46.37.79.0124.87.08.710.5155.37.99.912.0185.78.711.113.3根据表格中的数据可画出屈服力随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图3.14和图3.15。图3.14屈服力随剪切应变幅值变化曲线由图3.14可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）在相同竖向压应力下，屈服力随应变幅值的增加而增加，平均增加率为32.4%。屈服力为滞回环在零位移时支座的水平剪切力，主要由此时的粘滞阻尼力提供，与零位移时支座的速度相关，根据加载函数可知，应变幅值越大支座在零位移处的速度越大，粘滞阻尼力越大，屈服力也就越大。（2）支座屈服力随应变幅值增加而增加的幅度受竖向压应力大小的影响，随着压应力的增加，屈服力的增加幅度也在增加，即竖向压应力的增加会加强屈服力对应变幅值的敏感度。23 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验图3.15屈服力随压应力变化曲线图由图3.15可以看出高阻尼橡胶支座在水平单向压剪试验中：（1）相同应变幅值下，屈服力随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为15.3%；（2）支座屈服力随竖向压应力的增加而增加的幅度受应变幅值大小的影响，随着应变幅值的增加，屈服力的增加幅度也在增加，即应变幅值的增加会增强屈服力对竖向压应力的敏感度。3.4本章小结由对HDR-B的水平单向压剪试验结果可以得出：（1）HDR滞回曲线饱满耗能良好，并且各个循环重合度高耗能稳定，小变形下支座滞回曲线呈椭圆状，随着应变幅值的增加滞回曲线呈明显月牙状，支座出现刚度硬化现象，即不同的应变幅值高阻尼橡胶支座的本构关系也不相同。（2）HDR的水平等效刚度随应变幅值的增加整体呈下降趋势。应变幅值100%为分界点，当应变幅值小于100%时，水平等效刚度随剪切位移的增加明显下降，平均下降幅度为19.4%；当应变幅值大于100%时，其下降的趋势明显变缓，当压应力达到18MPa幅值为200%时支座出现了刚度硬化现象，并且竖向压应力的增加会强化此种现象。HDR的水平等效刚度随竖向压应力的增加整体下降趋势，当应变幅值增至200%时，支座的刚度硬化导致水平等效刚度随压应力的增加呈小幅上升，平均增加率为2.1%。（3）HDR的阻尼比随应变幅值的增加整体呈下降趋势，但在大变形200%24 3高阻尼橡胶支座水平单向压剪试验时，刚度硬化现象会导致阻尼比随剪切位移增加而大幅下降；阻尼比随压应力的增加而增加。（4）HDR的屈服后刚度在压应力较小时（3MPa）随应变幅值的增加而下降，随着压应力的增加其逐渐呈现先降后增的趋势，幅值100%为分界点，当压应力达到18MPa应变幅值为200%时，刚度硬化现象使屈服后刚度随水平变形的增加出现大幅上升段；屈服后刚度随压应力的增加呈下降趋势，而应变幅值的增加会使其下降幅度变缓。（5）HDR的屈服力随应变幅值增加而增加，随压应力的增加而增加。25 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.1引言[16]MasatoAbe对高阻尼橡胶支座进行水平双向受力试验研究，加载路径为圆形和1:1的“8”字形，主要研究了水平等效刚度和阻尼比随水平位移的变化情况，并且得出在三向加载试验中，水平双向的恢复力之间有耦合效应，使HDR的等效刚度和阻尼比相较于水平单向加载试验的结果有所增加，因此在三向受力的情况下，耦合效应是不可忽视的，其研究的力学参数主要为阻尼比和水平等效刚度。而国内对高阻尼橡胶支座剪压试验仍停留在在水平单向受力情况，对水平双向受力研究甚少。实际地震中，支座在水平双向均受力，为研究水平双向恢复力的耦合效应对支座力学性能的影响，本章对将直径为200mm的高阻尼橡胶支座HDR-C进行水平双向压剪试验，试验如图4.1。得到隔震支座两个方向滞回曲线研究其耗能性能，通过对试验数据的处理，分别图4.1HDR-C水平双向压剪试验工况计算出各个工况下支座X方向和Y方向的水平等效刚度、等效阻尼比、屈服后刚度以及屈服力，并分析影响这些力学参数的原因。4.2试验工况在水平双向压剪试验中，选用3#作动器施加Z方向竖向荷载，1#作动器施加X方向水平位移荷载，2#作动器施加Y方向水平位移荷载，竖向采用力控制[31]加载，水平方向采用位移控制加载。试验方法采用文献中所推荐的循环3圈方法，为保证第3圈结果的完整性，实际试验时采用了4个循环，即X方向与Y方向均采用4个循环，取第3圈的试验结果。试验方案采用保持竖向压应力分别为3MPa、6MPa、9MPa、12MPa、15MPa26 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验和18MPa，X、Y方向的激励频率均为为0.01HZ，X方向分别进行50%、100%、150%和200%应变幅值下的压剪试验，X方向与Y方向的位移比为1:0.5，工况详情如下表4.1所示。表4.1水平双向压剪试验工况加试件循频率ω剪切应变幅值Ux/Uy竖向压应加载路径载环（HZ）力（MPa）方次向数XHDR-C40.0150%100%150%200%3、6、9、XUsintx12、15、18YHDR-C40.0125%50%75%100%3、6、9、YUsinty12、15、184.3高阻尼橡胶支座X方向试验结果分析4.3.1支座X方向滞回曲线通过对HDR-C的水平双向压剪试验，X方向在激励频率为0.01HZ下得到不同竖向压应力下应变幅值分别为50%、100%、150%、和200%的水平剪切力与位移的滞回曲线如下图4.2-图4.7所示。图4.2水平双向压剪试验竖向压应力3MPa图4.3水平双向压剪试验竖向压应力6MPa时X方向滞回曲线时X方向滞回曲线27 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验图4.4水平双向压剪试验竖向压应力图4.5水平双向压剪试验竖向压应力9MPa时X方向滞回曲线12MPa时X方向滞回曲线图4.6水平双向压剪试验竖向压应力图4.7水平双向压剪试验竖向压应力15MPa时X方向滞回曲线18MPa时X方向滞回曲线通过上图滞回曲线可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）支座X方向的滞回曲线圆滑饱满，剪切耗能性能良好，四个循环的滞回环基本重合，说明其在水平双向压剪状态下支座X方向耗能性能稳定；（2）滞回环的面积随着应变幅值和竖向压应力的增加而增加，耗能增大。即压应力与应变幅值对支座X方向耗能有影响；（3）与水平单向压剪试验滞回曲线一致，在应变幅值较小时，X方向的滞回环呈椭圆状，随着剪切位移的增加，刚度先出现软化，当应变幅值增至200%时刚度明显增加，滞回环呈现出明显的月牙状，即在大变形下高阻尼橡胶支座出现了刚度硬化现象，不同的应变幅值支座的本构关系也不同。28 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.3.2支座X方向水平等效刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.1）可计算出不同应变幅值与压应力下高阻尼橡胶支座HDR-C在水平双向压剪试验中X方向的水平等效刚度，记录如下表4.2。表4.2水平双向压剪试验中X方向的水平等效刚度（kN/m）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%3846.4704.5663.9610.66798.0675.1678.2647.79831.8699.6703.3674.612813.8674.4697.1680.215825.5672.4700.4708.518763.5597.6621.4719.3根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向水平等效刚度随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.8和图4.9。图4.8水平双向剪压试验X水平等效刚度随剪切应变幅值变化曲线由图4.8可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当竖向压应力小于15MPa时，X方向的水平等效刚度随应变幅值的增加整体呈下降趋势，主要原因为随着支座水平变形的增加，支座受压区域面积逐渐减小，远离核心受压区域的内部橡胶因约束程度降低，从而导致支座水平29 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验刚度相应减小；（2）当竖向压应力为15MPa-18MPa时，X方向的水平等效刚度随着应变幅值的增加呈先降后升的趋势。当竖向压应力为18MPa应变幅值为150%-200%时水平等效刚度明显上升，增幅达15.8%，主要原因为高阻尼橡胶支座在较大竖向压应力以及大变形的情况下，出现了刚度硬化现象，导致水平等效刚度较大幅度的上升；（3）应变幅值100%为分界点，X方向的水平等效刚度在应变幅值100%之前随剪切变形变化明显，应变幅值50%-100%等效水平刚度平均下降率为17.6%；而在应变幅值100%之后，水平等效刚度随剪切位移的变化趋势明显变缓，尤其应变幅值100%-150%几乎保持不变，因外保护层橡胶与支座下封板硫化在一起，约束了靠近下封板临近数层内部橡胶自由水平剪切变形，致使支座整体等效刚度下降趋势变缓。图4.9水平双向压剪试验X水平等效刚度随压应力变化曲线由图4.9可以看出HDR在水平双向压剪试验中：（1）当应变幅值小于200%时，X方向水平等效刚度随着竖向压应力的增加整体呈下降趋势。在3MPa-15MPa之间几乎保持不变，平均变化率为2.7%；在15MPa-18MP下降幅度相对较大，平均下降率达10%。说明当竖向压应力较小时其对支座的水平等效刚度影响不大，而当竖向压应力增至18MPa时，会对水平等效刚度有一定程度的折减；（3）当应变幅值为200%时，X方向水平等效刚度随竖向压应力的增加而增加，但增加幅度不大，平均增加率为3.3%，即在应变幅值200%时，竖向压应30 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验力的增加强化了支座的刚度硬化现象。4.3.3支座X方向等效阻尼比根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.2）可计算出不同应变幅值与压应力下高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中X方向的等效阻尼比，记录如下表4.3。表4.3水平双向压剪试验中X方向的等效阻尼比（%）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%313.712.212.413.1615.814.112.413.0918.216.314.513.61220.418.616.215.31522.020.717.917.11825.825.922.318.5根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向等效阻尼比随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.10和图4.11。图4.10水平双向压剪试验X方向阻尼比随剪切应变幅值曲线由图4.10可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当竖向压应力为3MPa-6MPa时，X方向的阻尼比随应变幅值的增加31 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验呈先降后升的趋势，但上升幅度不大，平均上升率为4.0%；（2）当竖向压应力为9MPa-15MPa时，X方向的阻尼比随应变幅值的增加[31-32]而降低，借鉴文献中支座等效阻尼比的公式，由于支座最大位移及相应力形成的三角形面积增加的幅度比滞回环面积更快，从而导致了支座等效阻尼比随剪切变形增加而减小。应变幅值150%为分界点，当应变幅值小于150%时，等效阻尼比的平均下降率为10.4%，当应变幅值大于150%时，阻尼比随应变幅值的增加变化不大，平均下降率为5.4%。说明支座在较大变形（200%）时阻尼比退化率降低，仍保持一定的阻尼比，即在较大变形时仍保持较好的耗能性能；（3）当竖向压应力为18MPa时，X方向的阻尼比随应变幅值的增加呈先增后减的趋势。应变幅值100%为分界点，应变幅值100%之前，阻尼比随应变幅值的增加而小幅上升，上升幅度仅为0.4%；应变幅值100%后呈持续下降趋势，且下降幅度随着变形的增大而增大，在应变幅值为150%-200%下降幅度达17.0%，主要是因为支座在竖向压应力为18MPa应变幅值为200%时出现刚度硬化，从而使阻尼比大幅下降。图4.11水平双向压剪试验X方向阻尼比随竖向压应力变化曲线由图4.11可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：相同应变幅值下，X方向的阻尼比随竖向压应力增加而增加，平均上升率为12.5%。竖向压应力为15MPa-18MPa时，阻尼比上升幅度最大，最大上升率达25.1%。32 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.3.4支座X方向屈服后刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.3）可计算出不同应变幅值与压应力下HDR-C在水平双向压剪试验中X方向的屈服后刚度，记录如下表4.4。表4.4水平双向压剪试验中X方向的屈服后刚度（kN/m）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%3630.5556.3533.6487.56559.8505.7542.0522.89545.5496.4536.7532.912497.4448.0508.7515.615476.7420.2487.9513.318386.8310.8379.0502.5根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向屈服后刚度随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.12和图4.13。图4.12水平双向压剪试验X方向屈服后刚度随剪切应变幅值变化曲线由图4.12可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当竖向压应力为3MPa时，屈服后刚度随应变幅值的增加而减小，平均下降幅度为8.2%；（2）当竖向压应力大于3MPa时，屈服后刚度随应变幅值的增加呈现先减后增的趋势。应变幅值100%为明显的分界点，当应变幅值小于100%时，屈服33 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验后刚度随着水平位移的增大而减小，平均下降幅度为12.0%；当应变幅值大于100%时，屈服后刚度随着应变幅值的增加而增加，主要因外保护层橡胶与支座下封板硫化在一起，当支座进入大变形时（大于100%），约束了靠近下封板临近数层内部橡胶自由水平剪切变形，致使支座屈服后刚度增加。当竖向压应力小于18MPa时，屈服后刚度在应变幅值150%-200%几乎保持不变，当竖向压应力增至18MPa时，屈服后刚度在应变幅值150%-200%出现明显增加，增幅达32.6%，为刚度硬化的结果。4.13水平双向压剪试验X方向屈服后刚度随压应力变化曲线由图4.13可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当应变幅值小于200%时，X方向的屈服后刚度随竖向压应力的增加而下降，平均下降率为9.3%，下降幅度最大在竖向压应力为15MPa-18MPa时，最大下降率为26%。（2）当应变幅值为200%时，X方向的的屈服后刚度随压应力的变化幅度不大，平均变化率为3.0%。主要因为X方向的应变幅值达200%时支座出现了刚度硬化现象，并且竖向压应力的增加会强化此现象，从而减缓了屈服后刚度的随压应力增加而下降的幅度，甚至在竖向压应力较小时屈服后刚度随压应力的增加出现了小幅上升趋势。（3）综合图4.8、图4.9、图4.12和图4.13可以看出，当X方向在竖向压应力达18MPa后，应变幅值为200%时支座出现了刚度硬化现象。34 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.3.5支座X方向屈服力根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.4）可计算出不同应变幅值与压应力下HDR-C在水平双向压剪试验中X方向的屈服力，记录如下表4.5。表4.5水平双向压剪试验中X方向的屈服力（kN）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）50%100%150%200%33.24.45.97.463.65.16.17.594.36.17.58.5124.76.88.59.9155.27.69.611.7185.78.610.913.0根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向屈服力随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.14和图4.15。图4.14水平双向压剪试验X方向屈服力随剪切应变幅值变化曲线由图4.14可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：相同竖向压应力下，X方向的屈服力随应变幅值的增加而增加，平均增加率为29.8%。在应变幅值较小50%-100%时，增加幅度最大，最大增幅率达50.9%，即小变形范围内（50%-100%）剪切位移对屈服力的影响较大。35 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验图4.15水平双向压剪试验X方向屈服力随压应力变化曲线由图4.15可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：相同应变幅值下，X方向的屈服力随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为13.0%。4.4高阻尼橡胶支座Y方向试验结果分析4.4.1支座Y方向滞回曲线通过对HDR-C的水平双向压剪试验，Y方向在激励频率为0.01HZ下得到不同竖向压应力下应变幅值分别为25%、50%、75%、和100%的水平剪切力与位移的滞回曲线如下图4.16-4.21所示。图4.16水平双向压剪试验竖向压应力图4.17水平双向压剪试验竖向压应力3MPa时Y方向滞回曲线6MPa时Y方向滞回曲线36 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验图4.18水平双向压剪试验竖向压应力图4.19水平双向压剪试验竖向压应力9MPa时Y方向滞回曲线12MPa时Y方向滞回曲线图4.20水平双向压剪试验竖向压应力图4.21水平双向压剪试验竖向压应力15MPa时Y方向滞回曲线18MPa时Y方向滞回曲线通过上图滞回曲线可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）Y方向的滞回曲线饱满，剪切耗能性能良好，四个循环的滞回环基本重合，说明支座在水平双向压剪状态下Y方向耗能性能比较稳定；（2）滞回环的面积随着应变幅值和竖向压应力的增加而增加，耗能增大，即压应力与应变幅值对支座Y方向耗能有影响；（3）与X方向滞回曲线一致，在应变幅值较小时，Y方向的滞回环呈椭圆状，随着剪切位移的增加，刚度先出现软化，当应变幅值增至100%时刚度明显增加，滞回环呈现出明显的月牙状，即出现了刚度硬化。4.4.2支座Y方向水平等效刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.1）可计算出不同应变幅值与压应力下HDR-C在水平双向压剪试验中Y方向的水平等效刚度，记录如下表37 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.6。表4.6水平双向压剪试验中Y方向的水平等效刚度（kN/m）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）25%50%75%100%3940.8758.8700.6640.76869.5721.1716.1676.89902.2739.1739.6707.712875.6724.2739.5716.915894.4717.1744.5752.918851.3649.9664.5767.0根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向水平等效刚度随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.22和图4.23。图4.22水平双向压剪试验Y方向水平等效刚度随剪切应变幅值变化曲线由图4.22可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当竖向压应力小于15MPa时，Y方向的水平等效刚度随应变幅值的增加整体呈下降趋势；（2）当竖向压应力为15MPa-18MPa时，Y方向的水平等效刚度随着应变幅值的增加呈先降后升的趋势。当竖向压应力增至18MPa应变幅值为75%-100%时水平等效刚度明显上升，增幅达15.4%，主要原因为高阻尼橡胶支座在较大竖向压应力以及大变形的情况下，出现了刚度硬化现象，导致Y方向水平等效刚38 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验度较大幅度的上升；（3）应变幅值50%为分界点，在应变幅值50%之前，支座Y向水平等效刚度随剪切变形的增加明显下降，平均下降率为19.2%；而在应变幅值50%之后，水平等效刚度随剪切位移的变化趋势明显变缓，尤其应变幅值50%-75%几乎保持不变；（4）Y向水平等效刚度随应变幅值的变化规律与X方向的规律一致。图4.23水平双向压剪试验Y方向水平等效刚度随压应力变化曲线由图4.23可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当应变幅值小于100%时，Y方向水平等效刚度随着竖向压应力的增加整体呈下降趋势。在6MPa-15MPa有波动但变化幅度较低，平均变化率为2.0%，在15MPa-18MPa下降幅度相对较大，平均下降率为8.3%；（2）当应变幅值为100%时，Y方向水平等效刚度随竖向压应力的增加而增加，但增加幅度不大，平均增加率为3.7%，即Y向在应变幅值100%时，竖向压应力的增加强化了支座的刚度硬化现象；（3）Y向水平等效刚度随压应力的变化规律与X方向一致。4.4.3支座Y方向等效阻尼比根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.2）可计算出不同应变幅值与压应力下HDR-C在水平双向压剪试验中Y方向的阻尼比，记录如下表4.7。39 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.7水平双向压剪试验中Y方向的阻尼比（%）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）25%50%75%100%314.412.812.813.0616.714.712.813.2918.816.914.913.81221.619.216.615.61522.721.218.217.31826.526.422.718.7根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向等效阻尼比随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.24和图4.25。图4.24水平双向压剪试验Y方向阻尼比随剪切应变幅值变化曲线由图4.24可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当竖向压应力为3MPa-6MPa时，支座Y方向的阻尼比随应变幅值的增加呈先降后升的趋势，但上升幅度不大，平均上升率为1.6%；（2）当竖向压应力为9MPa-18MPa时，支座Y方向的阻尼比随应变幅值的增加而降低。当竖向压应力增至18MPa应变幅值为75%-100%时，Y方向的阻尼比下降幅度最大，最大下降率达17.6%。主要是因为支座Y向在竖向压应力为18MPa应变幅值为100%时出现刚度硬化，从而使阻尼比大幅下降。40 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验图4.25水平双向压剪试验Y方向阻尼比随压应力变化曲线由图4.25可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：相同应变幅值下，Y方向的阻尼比随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为12.2%。Y向应变幅值为100%时，阻尼比随压应力增加的幅度最小，因为在水平双向压剪1:0.5试验中，当Y向应变幅值为100%时支座出现刚度硬化现象，刚度的硬化降低了阻尼比随压应力的增加幅度。4.4.4支座Y方向屈服后刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.3）可计算出不同应变幅值与压应力下HDR-C在水平双向压剪试验中Y方向的屈服后刚度，记录如下表4.8。4.8水平双向压剪试验中Y方向的屈服后刚度（kN/m）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）25%50%75%100%3700.1602.0565.2515.96618.0545.9575.2546.89598.1524.7563.1557.712529.3479.1537.1541.815524.4450.5521.9543.518445.9343.6404.6535.4根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向屈服后刚度随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.26和图4.27。41 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验图4.26水平双向压剪试验Y方向屈服后刚度随剪切应变幅值变化曲线由图4.26可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当竖向压应力为3MPa时，支座Y向屈服后刚度随应变幅值的增加而减小，平均下降幅度为10.1%；（2）当竖向压应力大于3MPa时，支座Y向屈服后刚度随应变幅值的增加呈现先减后增的趋势。应变幅值50%为明显的分界点，当应变幅值小于50%时，屈服后刚度随着水平位移的增大而减小，平均下降幅度为14.1%；当应变幅值大于50%时，屈服后刚度随着应变幅值的增加而增加，当竖向压应力小于18MPa时，屈服后刚度在应变幅值75%-100%几乎保持不变，当竖向压应力增至18MPa时，屈服后刚度在应变幅值75%-100%出现明显增加，增幅达32.3%，为支座刚度硬化的结果。图4.27水平双向压剪试验Y方向屈服后刚度随压应力变化曲线42 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验由图4.27可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：（1）当应变幅值小于100%时，Y向屈服后刚度随竖向压应力的增加而下降，平均下降率为8.9%，下降幅度最大在压应力为15MPa-18MPa时，最大下降率达23.7%。（2）当应变幅值为100%时，Y方向的的屈服后刚度随压应力的变化幅度不大，平均变化率为2.5%，主要因为Y的应变幅值达100%时支座出现了刚度硬化现象，并且竖向压应力的增加会强化此现象，从而减缓了屈服后刚度随压应力增加而下降的幅度。（3）综合图4.22、图4.23、图4.26和图4.27可以看出，支座在竖向压应力达18MPa后，Y方向应变幅值为100%时出现了刚度硬化现象，这与X方向出现刚度硬化的情况是一致的。4.4.5支座Y方向屈服力根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.4）可计算出不同应变幅值与压应力下高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中Y方向的屈服力，记录如下表4.9。4.9水平双向压剪试验中Y方向的屈服力（kN）竖向压应力水平方向应变幅值（MPa）25%50%75%100%31.82.43.03.761.92.63.23.992.33.24.04.5122.63.74.65.3152.84.05.06.3183.04.65.86.9根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向水平等效刚度随应变幅值和竖向压应力变化的曲线，如图4.28和图4.29。由下图4.28可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：Y方向的屈服力随应变幅值的增加而增加，平均增加率为28.6%，在应变幅值较小25%-50%时，增加幅度最大，最大增幅率达53.3%。43 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验图4.28水平双向压剪试验Y方向屈服力随剪切应变幅值变化曲线图4.29水平双向压剪试验Y方向屈服力随压应力变化曲线由图4.29可以看出高阻尼橡胶支座在水平双向压剪试验中：相同应变幅值下，Y方向的屈服力随竖向压应力的增加而增加，平均增幅率为13.1%，与X向屈服力随压应力变化趋势一致。4.5高阻尼橡胶支座水平单向和双向压剪试验对比分析在实际地震作用下，高阻尼橡胶支座在水平两个方向均会产生位移，处于多向受力状态，为研究水平双向恢复力的耦合效应对支座力学性能的影响，现将水平单向与水平双向压剪试验X方向的试验结果进行对比。44 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.5.1支座耗能对比将水平单向与水平双向压剪试验支座X方向的第三圈滞回耗能统计如下表4.10表4.10水平单双向压剪试验支座第三圈滞回耗能对比应变幅值竖向压应力第三圈滞回耗能（kN•m）双向较单向（MPa）水平单向压剪试验水平双向压剪试验变化率（%）（X方向）3183.1164.3-10.36185.9178.7-3.950%9218.3214.4-1.812236.5234.9-0.715260.2257.3-1.118277.2278.30.43524.8485.8-7.46552.7536.5-2.9100%9654.5644.6-1.512721.5710.2-1.615812.2788.0-3.018880.9876.7-0.53996.71045.04.861090.11067.1-2.1150%91291.41294.00.2121437.31433.7-0.3151628.11596.5-1.9181779.21765.7-0.831697.81810.06.661807.91906.45.4200%92123.72069.0-2.6122401.82352.7-2.0152711.72746.51.318-0.33021.83012.7通过对上表4.10中变化率求均值可得：水平单双向压剪试验支座滞回耗能45 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验平均变化率为2.6%，变化幅度不大，仅在小变形小压应力（3MPa，50%）时变化率相对较大，耦合效应降低了支座的耗能，降低率为10.3%。4.5.2支座水平等效刚度对比将水平单向与水平双向压剪试验支座X向的水平等效刚度统计如下表4.11。表4.11水平单双向压剪试验支座水平等效刚度对比应变幅值竖向压应力水平等效刚度（kN/m）双向较单（MPa）向变化率水平单向剪压试验水平双向压剪试验（%）（X方向）3956.5846.4-11.56857.6798.0-6.950%9863.6831.8-3.712841.6813.8-3.315867.5825.5-4.818788.3763.5-3.13757.9704.5-7.06709.8675.1-4.9100%9711.4699.6-1.712688.7674.4-2.115694.5672.4-3.218610.6597.6-2.13681.7663.9-2.66682.8678.2-0.7150%9698.4703.30.712692.0697.10.715699.1700.40.218614.0621.41.23626.0610.6-2.56643.8647.70.6200%9672.1674.60.412673.6680.21.015676.7708.54.718694.7719.33.5通过对上表4.11中变化率求均值可得：水平单双向压剪试验支座的水平等效刚度平均变化率为3.0%，变化幅度不大，仅在小变形小压应力（3MPa，50%）46 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验时变化率相对较大，耦合效应降低了支座的水平等效刚度刚度，降低率为11.5%。4.5.3支座等效阻尼比对比将水平单向与水平双向压剪试验支座X方向的阻尼比统计如下表4.12。表4.12水平单双向压剪试验支座阻尼比对比应变幅值竖向压应力阻尼比（%）双向较单（MPa）向变化率水平单向剪压试验水平双向压剪试验（%）（X方向）313.513.71.5615.315.83.350%917.918.21.71219.920.42.51521.222.03.81824.925.83.6312.212.20613.814.12.2100%916.316.301218.518.60.51520.720.701825.525.91.6311.512.47.8612.512.4-0.8150%914.514.50.01216.316.2-0.61518.317.9-2.21822.822.3-2.2312.013.19.2612.413.04.8200%914.013.6-2.91215.815.3-3.21517.717.1-3.41819.218.5-3.6通过对上表4.12中变化率求均值可得：水平单双向压剪试验支座的阻尼比平均变化率为2.6%，变化幅度不大，即双向的耦合效应对高阻尼橡胶支座的阻尼比影响不大。47 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.5.4支座屈服后刚度对比将水平单向与水平双向压剪试验支座X向的屈服后刚度统计如下表4.13。表4.13水平单向双向压剪试验支座屈服后刚度对比应变幅值竖向压应力屈服后刚度（kN/m）双向较单（MPa）向变化率水平单向剪压试验水平双向压剪试验（%）（X方向）3720.9630.5-12.56605.8559.8-7.650%9570.2545.5-4.312519.9497.4-4.315513.3476.7-7.118405.5386.8-4.63596.9556.3-6.86533.7505.7-5.3100%9501.1496.4-0.912455.7448.0-1.715432.3420.2-2.818321.5310.8-3.33555.4533.6-3.96540.1542.00.4150%9527.2536.71.812499.5508.71.815479.0487.91.918367.3379.03.23510.1487.5-4.46518.9522.80.7200%9522.0532.92.112499.3515.63.315477.2513.37.618473.0502.56.2通过对上表4.13中变化率求均值可得：水平单双向压剪试验支座的屈服后刚度平均变化率为4.1%，变化幅度不大，仅在小变形小压应力时（3MPa，50%）变化幅度较大，耦合效应降低了支座的屈服后刚度，下降率为12.5%。48 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.5.5支座屈服力对比将水平单向与水平双向压剪试验支座X方向的屈服力统计如下表4.14。表4.14水平单双压剪试验支座屈服力对比应变幅值竖向压应力屈服力（kN）双向较单（MPa）向变化率水平单向剪压试验水平双向压剪试验（%）（X方向）33.53.2-8.4%63.83.6-5.4%50%94.44.3-2.4%124.84.7-1.6%155.35.2-1.5%185.75.7-1.6%34.84.4-8.0%65.35.1-3.8%100%96.36.1-3.4%127.06.8-2.8%157.97.6-3.8%188.78.6-0.8%35.75.93.1%66.46.1-4.6%150%97.77.5-2.7%128.78.5-2.1%159.99.6-3.5%1811.110.9-1.8%37.07.46.2%67.57.50.0%200%99.08.5-5.6%1210.59.9-5.5%1512.011.7-2.2%1813.313.0-2.2%通过对上表4.14中变化率求均值可得：水平单双向压剪试验支座的屈服力平均变化率为3.5%，变化幅度不大，即双向的耦合效应对高阻尼橡胶支座的屈服力影响不大。49 4高阻尼橡胶支座水平双向压剪试验4.6本章小结通过对直径为200mm的HDR-C水平双向压剪试验结果分析以及水平单双向压剪试验结果对比可以看出：（1）水平双向压剪试验中支座X、Y方向的滞回曲线均较饱满，耗能稳定，且随着应变幅值的增加滞回环呈明显月牙状。X、Y方向的力学性能参数（水平等效刚度、阻尼比、屈服后刚度和屈服力）随应变幅值和竖向压应力的变化趋势是一致的，且与水平单向压剪试验各参数的变化规律也是一致的；（2）水平双向恢复力的耦合效应对支座的水平等效刚度、阻尼比、屈服后刚度和屈服力均影响不大，仅在小变形小竖向压应力下（3MPa，50%）对支座影响相对较大，会降低支座的水平等效刚度和屈服后刚度。50 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验5.1引言在地震中，水平两个方向不仅位移会有所不同，其频率也会有所偏差，为研究不同加载路径下高阻尼橡胶支座的力学性能，本章将对高阻尼橡胶支座进行水平双向的“8”字形加载压剪试验，X、Y方向的加载频率为1:2，将试验分为两个工况，X、Y位移比分别为1:0.5和1:1，试验对象分别为HDR-B和HDR-C，通过对比两工况的试验结果来研究Y向位移的大小对支座X向力学性能的影响。对高阻尼橡胶支座HDR-B和HDR-C进行水平双向“8”字形压剪试验，试验如图5.1，得到支座滞回曲线，通过对试验数据的处理，分别计算出各个工况下支座X方向和Y方向的水平等效刚度、阻尼比、屈服后刚度以及屈服力，对图5.1水平双向“8”字形加载试验比两个方向的试验结果并分析影响力学参数的原因。5.2试验工况在水平双向“8”字形加载压剪试验中，选用3#作动器施加Z方向竖向荷载，1#作动器施加X方向水平位移荷载，2#作动器施加Y方向水平位移荷载,竖向采[31]用力控制加载，水平方向采用位移控制加载试验方法。X方向采用文献中所推荐的循环3圈方法，为保证第3圈结果的完整性，实际试验时采用了4个循环，试验结果取第3圈的结果，Y方向试验采用8个循环，试验结果取5、6循环的平均值。为研究高阻尼橡胶支座在水平双向“8”字形压剪试验中的力学性能以及Y向位移大小对支座X方向力学性能的影响，试验方案分为两个工况，工况一：对HDR-B进行水平双向“8”字形加载压剪试验，X与Y方向位移比为1:0.5，工况二：对HDR-C进行水平双向“8”字形加载压剪试验，X与Y方向位移比51 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验为1:1。竖向压应力分别为6MPa、9MPa、12MPa和15MPa，工况如下表5.1和表5.2所示，加载路径如下图5.2和图5.3。表5.1水平双向“8”字形压剪试验工况一（1:0.5）试件加载循环激励频率应变幅值竖向压应力加载路径方向次数ω（HZ）Ux/Uy（MPa）HDR-BX40.01100%200%6、9、12、15XUsintxHDR-BY80.0250%100%6、9、12、15YUsin2ty表5.2水平双向“8”字形压剪试验工况二（1:1）试件加载循环激励频率应变幅值竖向压应力加载路径方向次数ω（HZ）Ux/Uy（MPa）HDR-CX40.01100%200%6、9、12、15XUsintxHDR-CY80.02100%200%6、9、12、15YUsin2ty图5.2工况一加载路径图5.3工况二加载路径5.3高阻尼橡胶支座“8”字形1:0.5压剪试验X方向试验结果分析5.3.1支座X方向滞回曲线52 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验通过对HDR-B进行水平双向“8”字形1：0.5压剪试验，X与Y方向位移比为1:0.5，X与Y方向的频率比为1：2，X方向激励频率为0.01HZ，得到不同竖向压应力下应变幅值分别为100%和200%的水平剪切力与位移的滞回曲线如下图5.4-图5.7所示。图5.4竖向压应力6MPa时X向滞回曲线图5.5竖向压应力9MPa时X向滞回曲线图5.6竖向压应力12MPa时X向滞回曲线图5.7竖向压应力15MPa时X方滞回曲线由图5.4-图5.7可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）X方向的滞回曲线饱满圆滑，4个循环重合度较高耗能稳定，由于其加载路径的特殊性，X方向的最大力与最大位移并不同时出现；（2）随着应变幅值与竖向压应力的增加滞回环面积明显增加，耗能增加，即压应力与应变幅值对耗能有影响。5.3.2支座X方向水平等效刚度53 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.1）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-B在水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中X方向的水平等效刚度，记录如下表5.3。表5.3水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中X方向水平等效刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）水平等效刚度（kN/m）6586.89545.6100%12551.815539.76562.99569.6200%12583.415597.9根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向水平等效刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.7。图5.8工况一X方向水平等效刚度变化曲线由图5.8可以看出在高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）当应变幅值为100%时，X方向的水平等效刚度随竖向压应力的增加整体呈下降趋势，仅在9MPa-12MPa有小幅上升段，上升率为1.1%；（2）当应变幅值为200%时，X方向的水平等效刚度随竖向压应力的增加而增加，平均上升率2.0%，幅度不大。应变幅值的大小影响水平等效刚度随压54 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验应力的变化趋势，应变幅值100%与200%支座X方向水平等效刚度随压应力变化趋势不同，主要因为当应变幅值增至200%时，支座出现的刚度硬化使X向的水平等效刚度有所增加，随着竖向压应力的增加而增加，即竖向压应力的增加会强化支座的刚度硬化现象；（3）当竖向压应力较小时（小于7MPa），应变幅值为100%的水平等效刚度大于应变幅值为200%的结果，随着竖向压应力的增加，应变幅值为200%的水平等效刚度逐渐远大于应变幅值为100%的结果，最大增幅率为10.8%。5.3.3支座X方向等效阻尼比根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.2）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-B在水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中X方向的阻尼比，记录如下表5.4。表5.4水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中X方向阻尼比应变幅值（%）竖向压应力（MPa）阻尼比（%）618.0921.7100%1224.71527.9616.7918.9200%1220.91522.9根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向阻尼比在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.9。由下图5.9可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）相同应变幅值下，X方向的阻尼比随竖向压应力的增加而增加，而其增加幅度随应变幅值的增加而降低，应变幅值为100%时，阻尼比随压应力的平均增加率为15.8%，应变幅值为200%时，阻尼比随压应力的平均增加率为11.1%，主要因为应变幅值200%时，支座水平刚度的大幅增加使阻尼比随压应力增加而增加的幅度有所下降；（2）相同竖向压应力下，应变幅值为200%的阻尼比小于应变幅值为100%55 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验的结果，平均下降率为13.4%，即阻尼比随着应变幅值的增加而降低，其降低幅度随着压应力的增加而扩大。图5.9工况一X方向阻尼比变化曲线5.3.4支座X方向屈服后刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.3）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-B在水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中X方向的屈服后刚度，记录如下表5.5。表5.5水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中X方向屈服后刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服后刚度（kN/m）6413.39344.4100%12320.615283.76436.39420.9200%12412.315403.4根据表格中的数据可画出该工况下高阻尼橡胶支座X方向屈服后刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.10。56 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验图5.10工况一X方向屈服后刚度变化曲线由图5.10可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）相同应变幅值下，X方向的屈服后刚度随竖向压应力的增加而降低，当应变幅值为100%时平均降低幅度为11.7%，当应变幅值为200%时平均降低幅度为2.6%，支座刚度硬化减缓了屈服后刚度随压应力增加而减小的幅度；（2）相同竖向压应力下，应变幅值200%比100%的屈服后刚度大，平均增幅为24.6%。5.3.5支座X方向屈服力根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.4）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-B在水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中X方向的屈服力，记录如下表5.6。表5.6水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中X方向屈服力应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服力（kN）65.296.0100%126.9157.767.698.9200%1210.31511.757 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验根据表格中的数据可画出该工况下高阻尼橡胶支座X方向屈服力在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.11。图5.11工况一X方向屈服力变化曲线由图5.11可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）相同应变幅值下，X方向的屈服力随着竖向压应力的增加而增加，平均增加率为14.7%；（2）相同竖向压应力下，应变幅值为200%时X向的屈服力大于应变幅值为100%时的结果，平均增加率为48.9%。5.4高阻尼橡胶支座“8”字形1:0.5压剪试验Y方向试验结果分析5.4.1支座Y方向滞回曲线通过对高阻尼橡胶支座HDR-B水平双向“8”字形1：0.5压剪试验，X与Y方向位移比为1:0.5，X与Y方向的频率比为1：2，Y方向激励频率为0.02HZ，得到不同竖向压应力下应变幅值分别为50%和100%的水平剪切力与位移的滞回曲线如下图5.12-图5.15所示。由图5.12-图5.15可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）由于加载路径“8”字形的特殊性，Y向的滞回曲线并不对称，但仍旧比较圆滑，8个循环的重合度也较为良好说明Y向耗能稳定；（2）支座Y向滞回环的面积随着应变幅值和竖向压应力的增加而增加，即耗能增加。58 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验图5.12工况一竖向压应力6MPa时Y向图5.13工况一竖向压应力9MPa时Y向滞回曲线滞回曲线图5.14工况一竖向压应力12MPa时Y向图5.15工况一竖向压应力15MPa时Y向滞回曲线滞回曲线5.4.2支座Y方向水平等效刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.1）可计算出应变幅值为50%和100%时不同压应力下高阻尼橡胶支座在工况一水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中Y方向的水平等效刚度，记录如下表5.7。根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向水平等效刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.16。59 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.7水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中Y方向水平等效刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）水平等效刚度（kN/m）6813.49797.050%12828.215843.56757.09779.5100%12813.415845.7图5.16工况一Y方向水平等效刚度变化曲线由图5.16可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）当应变幅值为50%时，Y方向的水平等效刚度随竖向压应力的增加呈先降后增的趋势，但变化幅度均不大，平均变化率为2.6%；（2）当应变幅值为100%时，Y方向的水平等效刚度随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为3.8%；（3）应变幅值为100%的水平等效刚度小于幅值为50%的结果，平均下降率为3.6%。5.4.3支座Y方向等效阻尼比根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.2）可计算出应变幅值为50%和100%时不同压应力下HDR-B在水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中Y方向的阻尼比，记录如下表5.8。60 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.8水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中Y方向阻尼比应变幅值（%）竖向压应力（MPa）阻尼比（%）620.7923.550%1225.51527.7622.1924.0100%1225.61527.3根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向阻尼比在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.17。图5.17工况一Y方向阻尼比变化曲线由图5.17可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）相同应变幅值下，Y方向的阻尼比随着竖向压应力的增加而增加，平增加率为8.8%；（2）相同竖向压应力下应变幅值50%与100%的阻尼比结果相差不大，平均变化率为2.7%，即应变幅值对Y向阻尼比影响不大。61 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验5.4.4支座Y方向屈服后刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.3）可计算出应变幅值为50%和100%时不同压应力下HDR-B在水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中Y方向的屈服后刚度，记录如下表5.9。表5.9水平双向“8”字形1:0.5压剪试验中Y方向屈服后刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服后刚度（kN/m）6501.29443.850%12425.715396.46449.19431.8100%12423.615413.2根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向屈服后刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.18。图5.18工况一Y方向屈服后刚度变化曲线由图5.18可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：（1）相同应变幅值下，支座Y向屈服后刚度随竖向压应力的增加而降低，平均下降率为5.1%；（2）当竖向压应力小于15MPa时，Y向应变幅值为50%时的屈服后刚度大62 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验于幅值为100%的结果，当竖向压应力增至15MPa时，幅值为100%时的屈服后刚度大于幅值为50%的结果，即支座的刚度硬化使屈服后刚度明显增加，并且削弱了其随压应力增加而降低的幅度。5.4.5支座Y方向屈服力根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.4）可计算出应变幅值为50%和100%时不同压应力下HDR-B在工况一水平双向“8”字形1：0.5压剪试验中Y方向的屈服力，记录如下表5.10。表5.10工况一水平双向“8”字形剪压试验中Y方向屈服力应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服力（kN）64.795.350%126.0156.769.2910.4100%1211.71513.0根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向屈服力在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.19。图5.19工况一Y方向屈服力变化曲线63 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验由图5.19可以看出高阻尼橡胶支座在工况一中：在相同应变幅值下，Y方向的屈服力随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为12.4%；在相同竖向压应力下，应变幅值100%的屈服力大于幅值为50%的结果，平均增加率95.3%。5.5高阻尼橡胶支座“8”字形1:1压剪试验X方向试验结果分析5.5.1支座X方向滞回曲线通过对高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形1:1加载剪压试验，工况二中，X与Y方向位移比为1:1，X与Y方向的频率比为1：2，X方向激励频率为0.01HZ，得到不同竖向压应力下X方向应变幅值分别为100%和200%的水平剪切力与位移的滞回曲线如下图5.20-5.23所示。图5.20工况二竖向压应力6MPa时X方图5.21工况二竖向压应力9MPa时X方向滞回曲线向滞回曲线图5.22工况二竖向压应力12MPa时X图5.23工况二竖向压应力15MPa时X方方向滞回曲线向滞回曲线64 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验由图5.20-图5.23可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）X方向的滞回曲线由于加载路径“8”字形的特殊性，最大力与最大位移并不同时出现，但曲线仍比较光滑且前3个循环重合度高，说明在工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验中支座X向仍具有良好稳定的耗能性能；（2）随着应变幅值与竖向压应力的增加滞回环面积明显增加，即耗能增加。5.5.2支座X方向水平等效刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.1）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中X方向的水平等效刚度，记录如下表5.11。根据表格中数据可画出该工况下支座X方向水平等效刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.24。表5.11工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验X方向水平等效刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）水平等效刚度（kN/m）6579.99542.5100%12571.715564.96633.69644.7200%12659.215678.9图5.24工况二X方向水平等效刚度变化曲线65 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验由图5.24可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）当应变幅值为100%时，X方向的水平等效刚度随竖向压应力的增加呈先减后增的趋势，变化幅度不大，平均变化率为4.3%，（2）当应变幅值为200%时，X方向的水平等效刚度随竖向压应力的增加而增加，但增加幅度不大，平均增加幅度为2.3%，这是因为竖向压应力强化了支座的刚度硬化现象，致使水平等效刚度随压应力增加而增加；（3）相同竖向压应力下，应变幅值为200%的水平等效刚度大于应变幅值为100%的结果，平均增幅率为15.9%，即水平等效刚度随应变幅值的增加而增加。5.5.3支座X方向等效阻尼比根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.2）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中支座X方向的阻尼比，记录如下表5.12。表5.12工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验X方向阻尼比应变幅值（%）竖向压应力（MPa）阻尼比（%）618.9922.6100%1224.71527.8617.2918.7200%1220.31522.1根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向阻尼比在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.25。由图5.25可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）相同应变幅值下，X方向的阻尼比随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为11.2%，其增加的幅度随着应变幅值的增大而减小；（2）相同竖向压应力下，应变幅值为200%的阻尼比小于幅值为100%的结果，平均下降率为16.1%。其降低的幅度随压应力的增加而扩大。66 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验图5.25工况二X方向阻尼比变化曲线5.5.4支座X方向屈服后刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.3）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中支座X方向的屈服后刚度，记录如下表5.13。表5.13工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验X方向屈服后刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服后刚度（kN/m）6426.09357.4100%12357.915324.76520.69512.1200%12506.615503.4根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向阻尼比在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.26。由图5.26可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）X方向的屈服后刚度随竖向压应力的增加而下降，下降幅度随应变幅值的增加而降低，主要是因为X方向应变幅值为200%时支座出现刚度硬化现象减缓了屈服后刚度随压应力增加而降低的幅度。67 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验（2）相同压应力下，应变幅值为200%的屈服后刚度大于幅值为100%时的结果，平均增加率为40.5%。图5.26工况二X方向屈服后刚变化曲线5.5.5支座X方向屈服力根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.4）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中支座X方向的屈服力，记录如下表5.14。表5.14工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验X方向屈服力应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服力（kN）64.695.6100%126.4157.266.898.0200%129.21510.5根据表格中的数据可画出该工况下支座X方向屈服力在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.27。68 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验图5.27工况二X方向屈服力变化曲线由图5.27可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：相同应变幅值下，X方向的屈服力随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为15.9%；相同竖向压应力下，应变幅值为200%时的屈服力大于幅值为100%时的结果，平均增加率为45.0%。5.6高阻尼橡胶支座“8”字形1:1压剪试验Y方向试验结果分析5.6.1支座Y方向滞回曲线在工况二中，对高阻尼橡胶支座HDR-C进行水平双向“8”字形1：1压剪试验，X与Y方向位移比为1:1，X与Y方向的频率比为1：2，Y方向激励频率为0.02HZ，得到不同竖向压应力下Y方向的应变幅值分别为100%和200%的水平剪切力与位移的滞回曲线如下图5.28-5.31所示。图5.28工况二竖向压应力6MPa时Y方图5.29工况二竖向压应力9MPa时Y方向滞回曲线向滞回曲线69 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验图5.30工况二竖向压应力12MPa时Y方图5.31工况二竖向压应力15MPa时Y方向滞回曲线向滞回曲线由图5.28-图5.31可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：支座Y方向的滞回曲线饱满圆滑且重合度高，说明该加载路径下Y方向的耗能良好稳定，与工况一Y向滞回曲线不同的是，工况二Y方向滞回曲线在正向位移较大处出现了明显的月牙状，这是因为工况二Y位移大于工况一的Y向位移，刚度硬化现象更明显。滞回环的的面积随着应变幅值和竖向压应力的增加而增加，即耗能增加。5.6.2支座Y方向水平等效刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.1）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中Y方向的水平等效刚度，记录如下表5.15。表5.15工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验中Y方向水平等效刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）水平等效刚度（kN/m）6692.59637.1100%12659.515646.76744.09734.9200%12741.415749.770 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向水平等效刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.32。图5.32工况二Y方向水平等效刚度变化曲线由图5.32可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）当应变幅值为100%时，Y向的水平等效刚度随竖向压应力的增加呈先减后增的趋势，这与X方向的结果一致；当应变幅值为200%时，Y向的水平等效刚度随竖向压应力的增加变化幅度不大平均变化率为1.1%。（2）相同竖向压应力下，应变幅值为200%的水平等效刚度大于应变幅值为100%的结果，平均增幅率为12.8%。5.6.3支座Y方向等效阻尼比根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.2）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中Y方向的阻尼比，记录如下表5.16。根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向的阻尼比在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.33。由图5.33可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）相同应变幅值下，Y方向的阻尼比随竖向压应力的增加而增加，平均增加率为11.1%，其增加幅度随着应变幅值的增加而降低；（2）相同竖向压应力下，应变幅值为200%的阻尼比小于幅值为100%时的结果，平均下降率为13.4%71 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.16工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验中Y方向阻尼比应变幅值（%）竖向压应力（MPa）阻尼比（%）618.7922.5100%1224.61527.3617.6919.1200%1220.71522.7图5.33工况二Y方向阻尼比变化曲线5.6.4支座Y方向屈服后刚度根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.3）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR在工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验中Y方向的屈服后刚度，记录如下表5.17。根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向的屈服后刚度在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.34。由图5.34可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：（1）相同应变幅值下，Y方向的屈服后刚度随竖向压应力的增加而降低，降低的幅度随随应变幅值的的增加而降低，平均下降率为8.1%；（2）相同竖向压应力下，应变幅值为200%的屈服后刚度大于幅值为100%时的结果，平均增加率为32.4%。72 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.17工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验中Y方向屈服后刚度应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服后刚度（kN/m）6459.99374.3100%12360.115317.66534.19502.8200%12483.515460.2图5.34工况二Y方向屈服后刚度变化曲线5.6.5支座Y方向屈服力根据试验所得的结果数据，依照规范公式（2.4）可计算出应变幅值为100%和200%时不同压应力下HDR-C在工况二水平双向“8”字形1：1压剪试验中Y方向的屈服力，记录如下表5.18。根据表格中的数据可画出该工况下支座Y方向的屈服力在不同应变幅值下随竖向压应力变化的曲线，如图5.35。由图5.33可以看出高阻尼橡胶支座在工况二中：相同应变幅值下，Y方向的屈服力随着竖向压应力的增加而增加，平均增加率为11.8%；相同竖向压应力下，应变幅值为200%时的屈服力大于幅值为100%时的结果，平均增加率为76.0%。73 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.18工况二水平双向“8”字形1:1压剪试验中Y方向屈服力应变幅值（%）竖向压应力（MPa）屈服力（kN）67.097.9100%129.0159.9612.6913.9200%1215.51517.4图5.35工况二Y方向屈服力变化曲线5.7高阻尼橡胶支座“8”字形1：0.5和1:1压剪试验对比分析工况一与工况二的加载路径相同，均为“8”字形加载，支座X方向位移相同，但Y方向的位移不同，工况一中X、Y向位移比为1:0.5，工况二中X、Y向位移比为1:1，为研究Y方向位移的大小对支座X方向力学性能的影响，现将工况一与工况二支座X方向的试验结果进行对比，对比内容包括支座X方向的耗能、水平等效刚度、阻尼比、屈服后刚度和屈服力。5.7.1支座X方向耗能对比将工况一与工况二支座X方向的滞回耗能统计如下表5.19。74 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.19水平双向“8”字形压剪试验工况一与工况二支座滞回耗能对比应变幅值竖向压应力工况二较工X方向第三圈滞回耗能（kN•m）（MPa）况一变化率工况一（1:0.5）工况二（1:1）6597.6619.53.7%100%9669.6694.43.7%12770.7797.73.5%15852.1888.74.3%62127.42465.015.9%200%92429.42733.112.5%122756.23032.110.0%153094.43401.19.9%由表5.19可以看出：（1）工况二支座X方向滞回环面积均大于工况一的结果，即Y方向位移的增加会加大X方向滞回环的面积，即增加耗能，因为工况二合成位移大于工况一，合成位移的增加使X方向的耗能也随之有所增加；（2）工况二较工况一X方向滞回环面积的增加幅度随应变幅值的增加而增加。X方向应变幅值为100%时，平均增加幅度为3.8%，幅度不大，即在应变幅值为100%时，Y向位移的增加对支座X方向耗能影响不大；当X方向应变幅值为200%时，平均增加幅度为12.1%，影响相对较大，且耗能增加的幅度随竖向压应力的增加而降低，即压应力的增加会削弱支座X方向耗能随Y向位移增加而增加的幅度。5.7.2支座X方向水平等效刚度对比将工况一与工况二支座X方向的水平等效刚度统计如下表5.20。由下表5.20可以看出：（1）当应变幅值为100%时，工况二较工况一支座X方向水平等效刚度变化率的平均值为2.5%，变化不大，即在应变幅值为100%时，Y向位移的增加对支座X方向水平等效刚度的影响不大；（2）当应变幅值为200%时，工况二的水平等效刚度大于工况一的结果，即Y向位移的增加会增加X方向的水平等效刚度，平均增加幅度为13.1%。75 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.20水平双向“8”字形压剪试验工况一与工况二支座水平等效刚度对比应变幅值竖向压应力X方向水平等效刚度（kN/m）工况二较工况（MPa）工况一（1:0.5）工况二（1:1）一变化率6586.8579.9-1.2%100%9545.6542.5-0.6%12551.8571.73.6%15539.7564.94.7%6562.9633.612.6%200%9569.6644.713.2%12583.4659.213.0%15597.9678.913.6%5.7.3支座X方向等效阻尼比对比将工况一与工况二支座X方向的阻尼比统计如下表5.21。表5.21水平双向“8”字形压剪试验工况一与工况二支座阻尼比对比应变幅值竖向压应力X方向阻尼比（%）工况二较工况（MPa）工况一（1:0.5）工况二（1:1）一变化率618.018.94.9%100%921.722.64.3%1224.724.7-0.1%1527.927.8-0.3%616.717.22.9%200%918.918.7-0.6%1220.920.3-2.6%1522.922.1-3.2%由表5.21可以看出：（1）在竖向压应力较小时（小于9MPa）Y向位移增加会增加支座X方向的阻尼比，随着压应力的增加逐渐变为降低X向的阻尼比，但幅度均不大；（2）通过计算可得出工况一较工况二阻尼比变化率的平均值为2.4%，变化不大，即Y向位移的增加对支座X方向的阻尼比影响不大。5.7.4支座X方向屈服后刚度对比将工况一与工况二支座X方向的屈服后刚度统计如下表5.22。76 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验表5.22水平双向“8”字形压剪试验工况一与工况二支座屈服后刚度对比应变幅值竖向压应力X方向屈服后刚度（kN/m）工况二较工况（MPa）工况一（1:0.5）工况二（1:1）一变化率6413.3426.03.1%100%9344.4357.43.8%12320.6357.911.6%15283.7324.714.5%6436.3520.619.3%200%9420.9512.121.7%12412.3506.622.9%15403.4503.424.8%由表5.22可以看出：（1）工况二的屈服后刚度均大于工况一的结果，平均增加率为15.2%，即Y向位移的增加会增加X方向的屈服后刚度；（2）Y向位移的增加对支座X方向屈服后刚度的增加幅度随压应力和应变幅值的增加而增加，最大增幅至24.8%。5.7.5支座X方向屈服力对比将工况一与工况二X方向的屈服力统计如下表5.23。表5.23水平双向“8”字形压剪试验工况一与工况二支座屈服力对比应变幅值竖向压应力X方向屈服力（kN）工况二较工况（MPa）工况一（1:0.5）工况二（1:1）一变化率65.24.6-11.3%100%96.05.6-8.0%126.96.4-7.5%157.77.2-6.2%67.66.8-10.7%200%98.98.0-10.8%1210.39.2-10.8%1511.710.5-9.8%由表5.23可以看出：（1）工况二的屈服力均小于工况一的结果，平均降低率为9.4%，即Y向位移的增加会降低支座X方向的屈服力；（2）Y向位移增加对支座X向屈服力的降低幅度随压应力的增加而降低，即竖向压应力的增加会降低Y向位移对支座X向屈服力的的影响。77 5高阻尼橡胶支座水平双向“8”字形压剪试验5.8本章小结高阻尼橡胶支座在水平双向“8”字形压剪试验中：（1）高阻尼橡胶支座X、Y方向的滞回曲线均饱满圆滑，耗能性能良好稳定。工况二较工况一的合成位移大，所以工况二的滞回曲线在应变幅值为200%时出现了较为明显的月牙状，即支座刚度硬化现象更明显。（2）支座水平等效刚度在应变幅为100%时随压应力的变化幅度不大，在大变形200%时均随压应力增加而增加，即压应力的增加强化了支座的刚度硬化现象；支座的等效阻尼比随压应力的增加而增加；支座的屈服后刚度随压应力的增加而降低；支座的屈服力随压应力的增加而增加，随应变幅值的增加而增加。（3）Y方向位移的增加，增加了X方向的耗能、水平等效刚度和屈服后刚度，降低了X方向的屈服力，对阻尼比影响不大。尤其在大变形200%时对X方向耗能和水平等效刚度影响最大，X方向耗能最大增幅率达15.9%，水平等效刚度最大增幅率达13.6%。X方向屈服后刚度的增加幅度随着压应力和应变幅值的增加而增加，最大增幅率达24.8%，X方向屈服力最大降低率达11.3%。78 6结论与展望6结论与展望6.1结论在实际地震中，支座处于多向受力状态，本文对高阻尼橡胶支座进行了水平单向压剪试验和水平双向压剪1:0.5与“8”字形压剪试验，研究竖向压应力和应变幅值对支座水平等效刚度、阻尼比、屈服后刚度和屈服力的影响。并通过对比试验结果研究水平双向恢复力的耦合效应和Y向位移的大小对支座力学性能的影响，得出的主要结论如下：（1）HDR在水平单双向压剪试验中，各个方向的滞回曲线均饱满耗能良好，并且各个循环重合度高耗能稳定。小变形时滞回曲线呈椭圆状，随着应变幅的增加滞回曲线逐渐呈明显的月牙状，支座出现了刚度硬化现象，即不同的应变幅值下HDR的本构关系也不相同。（2）HDR的水平等效刚度随应变幅值的增加整体呈下降趋势，小变形领域刚度较大，随着变形的增大，其刚度会软化，而在应变幅值为200%时支座出现较为明显的刚度硬化，并且竖向压应力的增加会强化支座的刚度硬化现象；（3）HDR的阻尼比随应变幅值的增加整体呈下降趋势，在大变形200%时下降幅度最大，即刚度硬化现象导致阻尼比的大幅下降；相较于应变幅值，阻尼比受压应力的影响较大，阻尼比随压应力的增加而增加。（4）HDR的屈服后刚度在压应力较小时（3MPa）随应变幅值的增加而下降，随着压应力的增加其逐渐呈现先降后增的趋势，幅值100%为分界点，当压应力达到18MPa应变幅值200%时，刚度硬化现象使屈服后刚度随水平变形的增加出现大幅上升段；屈服后刚度随压应力的增加呈下降趋势，而应变幅值的增加会使其下降幅度变缓。（5）HDR的屈服力随应变幅值增加而增加，随压应力的增加而增加。（6）水平双向恢复力的耦合效应对支座的水平等效刚度、阻尼比、屈服后刚度和屈服力均影响不大，仅在小变形小竖向压应力下（3MPa，50%）对支座影响相对较大，会降低支座的水平等效刚度和屈服后刚度；Y方向位移的增加，增加了X方向的耗能、水平等效刚度和屈服后刚度，降低了X方向的屈服力，对阻尼比影响不大。79 6结论与展望6.2展望本文对高阻尼橡胶支座在多向受力状态下的力学性能进行了试验研究，并取得了一定的成果，但在试验设计上仍有不足，再加上高阻尼橡胶材料的发展仍处于初期阶段，所以在今后的研究中可通过以下几点对高阻尼橡胶支座进行更深入的探索与分析：（1）本论文对HDR进行的水平单双向压剪试验在水平方向均为纯剪切，并未考虑扭转的的因素，今后研究可以将扭转因素列入试验工况中。（2）在国内，对HDR的计算模型研究较少，由于HDR在大变形200%时会出现刚度硬化现象，其滞回曲线呈明显的月牙形，即不同的应变幅值下其本构关系也不相同，所以传统的双线性模型显然已不能满足要求，所以可以深入研究HDR的本构关系模型。（3）在国内，对HDR橡胶的材料研发还不够深入，研发具有优良阻尼性能的橡胶没有取得较大进展，以至于HDR在国内工程应用较少，所以对新型高阻尼橡胶材料的研发有着重要的现实意义。80 参考文献参考文献[1]杜修力，韩强，李忠献，等.5·12汶川地震中山区公路桥梁震害及启示[J].北京工业大学学报，2008，34(12):1270－1279[2]王克海，孙永红，韦韩，等.汶川地震后对我国结构工程抗震的几点思考[J].公路交通科技，2008,25（11）：54～59[3]袁涌，青山徹彦，山本吉久.关于高阻尼橡胶隔震支座的动力特性的研究[J].日本构造工学论文集，2005，Vol51-A[4]王如义，郑元锁.橡胶阻尼材料研究进展[J].橡胶工业，2003,50（2）：88～93[5]孙冬冬，李吉刚，李静，等.高阻尼橡胶支座阻尼特性研究[J].特种橡胶制品，2013，34（6）：57～59[6]JunjiYoshida，MasatoAbe，YozoFujino.Constitutivemodelofhigh-dampingrubbermaterials[J].JournalofEngineeringMechanics，2004,130（2）：129～141[7]朱宏平，周方圆，袁勇.建筑隔震结构进展与分析[J].工程力学，2014,31（3）：1～9[8]SanoT，DiPasqualeG.Aconstitutivemodelforhighdampingrubberbearings[J].JournalofPressureVesselTechnology，1995，117（1）：53～57[9]KikuchiM，AikenID.Ananalyticalhysteresismodelforelastomericseismicisolationbearings[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics，1997，26（2）：215～231[10]AbeM，YoshidaJ，FujinoY.Multi-axialbehaviorsoflaminatedrubberbearingsandtheirmodeling.I:modeling[J].JournalofStructuralEngineering，2004，130（2）：1133～1144[11]HwangJS，KuSW.Analyticalmodelingofhighdampingrubberbearings[J].JournalofStructuralEngineering，1997，123（8）：1029～1036[12]HwangJS，WangJC.SeismicresponsepredictionofHDRbearingsusingfractionalderivativesMaxwellmodel[J].EngineeringStructures，2002，20（9）：849～856[13]HwangJS，WuJD，PanCT，YangG.Amathematicalhystereticmodelforelastomericisolationbearings[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics，2002，31（4）：771～789[14]Dall’AstaA，RagniL.Experimentaltestsandanalyticalmodelofhighdampingrubberdissipatingdevices[J].EngineeringStructures，2006，28（13）：1874～1884[15]BhuiyanAR，OkuiY，MitamuraH，etal．Arheologymodelofhighdampingrubberbearingsforseismicanalysis:Identificationofnonlinearviscosity[J].InternationalJournalofSolidsandStructures，2009，46（7/8）：1778～1792[16]MasatoAbe，JunjiYoshida，YozoFujino.Multiaxialbehaviorsoflaminatedrubberbearingsandtheirmodeling.I:ExperimentalStudy[J].JournalofStructuralEngineering，2004，130（8）：1119～1132[17]MasatoAbe，JunjiYoshida，YozoFujino.Multiaxialbehaviorsoflaminatedrubberbearingsandtheirmodeling.II:Modeling[J].JournalofStructuralEngineering，2004，130（8）：1133～81 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个人简历、在学期间发表的学术论文和科研成果个人简历、在学期间发表的学术论文和科研成果个人简历李政，女，1990年06月出生，中共党员，河南郑州人。2008年09月～2012年06月就读于黄河科技学院，2012年07月获得工学学士学位；2012年09月～2015年06月就读于郑州大学土木工程学院，攻读防灾减灾工程及防护工程硕士学位。在学期间发表的学术论文及科研成果[1]王建强，辛伟、李政、赵卓.铅芯橡胶支座剪切性能影响因素分析[J].世界地震工程，2014,(30):77~81[2]辛伟，王海洋，李政，王建强.铅芯直径对铅芯橡胶隔震支座极限剪切性能的影响分析[J]．河南科学，2014,32(10):2044~2047[3]王建强，辛伟，李政，赵卓.极限压剪状态下铅芯橡胶支座应力分析[J].建筑科学，2015(已录用)在学期间参与的科研项目1、国家自然科学基金项目：基础隔震叠层橡胶支座多向耦合力学性能和恢复力模型研究（U1204502）；2、河南省重点科技攻关项目：叠层橡胶支座受力性能研究（102102210062）83 致谢致谢时光荏苒，岁月流逝，三年的研究生生活即将结束，回首三年的求学历程，对那些引导我、帮助我、激励我的人，我心中充满了感激。首先要感学我的导师王建强教授，在读研期间，您在学术上的严谨与认真深深影响了我，学术上为我们点拨迷津，生活上对我们关怀备至，是老师也是长辈。从论文的定题到试验方案的确定与试验的实施老师倾注了大量的心血，感谢王老师的付出和对本论文的指导和修改。感谢申旭师兄在有限元建模上对我的帮助和指导，感谢师兄王翔、陈志军和同门张振洋对我论文提出的宝贵意见。感谢同门辛伟，三年的同窗学习我们一起讨论研究，一起进步，试验过程中遇见困难一起解决。感谢师弟刘耀东、黄晓明、朱松岭和师妹董婉婉在试验过程中的帮助与支持，使试验最终顺利结束。感谢郑州机械设计院的田野设计师对试验的技术指导，感谢华北水利水电的聂旭老师和同学在试验过程中的积极配合和帮助。最后我要特别感谢我的家人，在我整个学习生涯中对我的默默付出和精神上的支持以及对我生活上无微不至的关爱。84