天然橡胶支座_LNR_的等效阻尼比试验研究

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1、第41卷第5期西安建筑科技大学学报(自然科学版)Vol.41No.52009年10月J1Xi′anUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)Oct.2009天然橡胶支座(LNR)的等效阻尼比试验研究1,22222金建敏,谭平,周福霖,庄学真,沈朝勇(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.广州大学工程抗震研究中心,广东广州510405)摘要:简要论述了天然橡胶支座(LNR)的力学特性,通过不同温度、不同压应力、不同应变的相关性压剪试验研究了天然橡胶支座等效

2、阻尼比的温度、压应力、应变相关性.试验结果表明常规条件下天然橡胶支座等效阻尼比在2%～3%之间,结合日本的相关资料及设计方法,隔震设计中可不考虑天然橡胶支座的粘滞阻尼.关键词:天然橡胶支座;等效阻尼比;压应力;应变相关性;粘滞阻尼3中图分类号:TU352.1文献标识码:A文章编号:100627930(2009)0520663205.天然橡胶支座(LNR)由橡胶层和夹层钢板分层叠合经高温加压硫化粘结而成.橡胶层除天然橡胶以外,还添加有硫化剂、填充剂(补强性,非补强性)、防老化剂、软化剂等.夹层钢板与橡胶层紧密粘结,当

3、橡胶支座承受竖向荷载时,橡胶层横向变形受到夹层钢板的约束,使天然橡胶支座具有很大的竖向刚度.在橡胶支座承受水平荷载时,在同样橡胶材料及总厚度条件下,夹层钢板不影响橡胶板的剪切变形,[122]保持了橡胶固有的柔韧性,水平刚度没有改变.橡胶的剪切弹性模量为0.3～1.5MPa,目前国内隔震建筑常用的橡胶支座有G4(剪切弹性模量0.4MPa)和G6(剪切弹性模量0.6MPa)两种,其中又以G4橡胶支座应用为主.橡胶材料具有大变形(1000%)、柔软(弹性模量比其他材料低很多)、富有弹性等特点.体积弹性模量与一般的液体一样

4、,泊松比接近0.5.国内外关于天然橡胶支座等效阻尼比文献很少,在国外,文献[3]指出天然橡胶支座等效阻尼比在2%～3%之间,但没有给出具体试验情况及数据;在我国,设计者通常将天然橡胶支座等效阻尼比按剪[426]应变±50%时5%、剪应变±100%时4%考虑,大多数研究只限于铅芯橡胶支座的等效阻尼比.国内外关于天然橡胶支座等效阻尼比的各种相关性研究更少,为此,本文通过不同温度、不同压应力、不同应变的相关性压剪试验详细研究了天然橡胶支座等效阻尼比的温度、压应力、应变相关性.1天然橡胶支座的力学特性橡胶作为一种粘弹性材料

5、,天然橡胶支座在正弦波水平位移D(t)=D0sinωt输入时(相当于正弦波应变输入γ=γ0sinωt)的剪切应力可表示为22τ=G′γ0sinωt+G″γ0cosωt=G′+G″γ0sin(ωt+δ)=1+ηG′γ0sin(ωt+δ)(1)2式中:G′γ0sinωt为弹性力项;G″γ0cosωt为粘滞力项;G′为储存剪切弹性模量,量纲为N/mm;G″为损失2[7]剪切弹性模量,量纲为N/mm;η为损失系数η=tanδ=G″/G′.322复剪切模量G=G′+G″=τ0/γ0(2)FD(Dmax)As等效刚度Kh==G

6、′(3)DmaxTr式(3)中:FD(Gmax)为最大变形处的恢复力;As为橡胶的剪切面积;Tr为橡胶的厚度.ΔW等效阻尼Ceq=2(4)πωDmax3收稿日期:2008210206修改稿日期:2009208212基金项目:国家自然科学基金重点项目(90815027)作者简介:金建敏(19732),男,湖北襄樊人,博士研究生,主要从事工程抗震研究.664西安建筑科技大学学报(自然科学版)第41卷式(4)中:ΔW为一个循环的滞回曲线所消耗的能量.1ΔW等效阻尼比Heq=(5)4πW12式(5)中:W=KhDmax,即

7、滞回曲线最大变形处决定的势能.2η[8]Khη对于应变相关性为线性的材料,有Deq=、He1=.ω2以上为线性材料的基本公式,实际材料的G′、G″、η受输入应变、频率、温度、压应力的影响.受相关性影响明显的非线性材料的特性也可用上述公式表示.对于天然橡胶支座,对(1)式乘以As有D0D0FD(t)=D′Asγ0sinωt+G″Asγ0cosωt=G′Assinωt+ηG′Ascosωt=KhD(t)+CeqV(t)(6)TrTr式(6)中:V(t)=D0ωcosωt.天然橡胶的应力2应变滞回曲线如图1所示.2不同工

8、况下天然橡胶支座等效阻尼比的试验研究2.1试验工况为详细研究天然橡胶支座等效阻尼比,天然橡胶支座等效阻尼比的试验分别选取了直径为600mm,800mm,1200mm的三种直径支座,支座参数及试验工况见表1,所有压剪试验均进行4圈,试验结果以第3圈为准.图1天然橡胶支座的应力2.1.1温度相关性试验工况2应变滞回曲线等效阻尼比的温度相关性试验,选用3个直径为6