铅芯橡胶支座[2]分析

铅芯橡胶支座00:25:4800:25:48铅芯橡胶支座的发展历史、发展现状铅芯橡胶支座的工作原理和装置铅芯橡胶支座的设计方法及流程铅芯橡胶支座的未来发展趋势总结概况一、发展历史和现状00:25:481.1铅芯橡胶支座（LRB）介绍：铅芯橡胶支座(LRB)是新西兰学者在1975年发展的,它是由普通叠层橡胶支座在其中间竖直地灌入适当直径的的铅芯形成(图1),利用铅芯在地震动过程中弹塑性性能来达到耗散地震能量的效果。由于铅的屈服应力较低(约7MPa),并在塑性变形条件下具有较好的疲劳特性,被认为是一种较好的阻尼器。铅芯必须紧固在孔中,并稍微挤进橡胶层中,因此,铅芯的体积往往比中心孔的体积要大些,使铅芯能牢固地压入孔中,当橡胶支座发生水平变形时,整个铅芯由于被钢板约束而强迫发生剪切变形。铅芯橡胶支座具有较好的滞回特性,其初始剪切刚度可以达到普通叠层橡胶支座刚度的10倍以上,而屈服后刚度接近与普通叠层橡胶支座刚度。由于LRB构造比较简单,能够提供较大阻尼,可以单独作为桥梁减隔震支座使用,在新西兰、美国和日本被广泛用于桥梁和建筑物的减、隔震。00:25:48国内外将减震、隔震支座应用于结构震动控制的经验表明,合理选择减震、隔震支座动力特性参数是减小结构地震响应的关键所在,要达到最优的减震目的并为延性抗震设计提供指导,需要对支座动力特性地震响应的影响特点与规律进行深入的研究。近十年来,有关LRB的研究蓬勃开展,方兴未艾。这里就LRB的若干方向的近期研究状况作些总结和评述：1.2铅芯橡胶支座（LRB）发展现状：1.2.1LRB的非线性地震反应分析和非线性动力学性态FerraioliM等研究了高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座隔震结构的弹塑性地震反应,考虑支座的滞回特性和上部结构的弹塑性,然后把材料非线性因素当作等效线性化系统的虚拟力,用复模态分解和迭代方法计算模态反应。朱东升等对一座采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条具有相同反应谱、且时域内强度包线形状相似的应对地震动的全过程十分敏感;LRB是一种有效的隔震装置;LRB的初始屈服力对隔震效果影响较大。一、发展历史和现状00:25:48王丽、阎贵平等对LRB隔震桥梁的减震效果进行了研究,分别采用非线性水平和转动弹簧单元来模拟减隔震支座和桥墩延性铰的非线性性能,首次把支座和桥梁结构纳入一个系统中,并考虑其相互影响和相互作用。利用大型通用结构分析软件(ANSYS),对采用铅芯橡胶支座(LRB)隔震的桥梁输入了多条实际地震波进行时程分析,系统地讨论了隔震桥梁的减震性能,得出在设计减隔震桥梁时,应考虑将非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置上,避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服。1.2.2LRB的简化分析方法从隔震结构的的设计来看,建立满足工程设计精度要求的实用简化分析方法是很有意义的。TsaiHC等研究了铅芯橡胶支座非线性隔震结构的基于反应谱的地震反应分析,他们首先建立实际模型和等效线性单自由体模型,由震动台试验输入大量地震记录,比较两个模型的最大位移和加速度反应,从而识别出等效结构的等效刚度、等效阻尼比,同时得到了等效刚度与最大位移的关系。Hwang等对LRB隔震桥梁的等效线性化设计方法及隔震桥梁的等效阻尼比进行了研究,指出现行等效刚度和等效阻尼比计算方法中存在的问题,建议了新的计算公式。一、发展历史和现状00:25:48吴兵、庄军生等系统研究了铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数与其几何结构及外加动力荷载特性的关系。研究结果表明:铅芯橡胶支座等效线性分析模型参数(水平耗能、等效刚度及等效阻尼比)主要由其本身的几何构造及组成材料决定,且在往复加、卸载循环中具有较好的稳定性。一、发展历史和现状00:25:481.2.3LRB的土-结构相互作用隔震结构一般都建在硬土场地,研究者通常将隔震结构的地基视为无限刚度,但研究隔震结构的土-结构相互作用(soil-structureinteraction,SSI)仍然是有意的。而且软土地区也可能需要建造一些隔震结构,比如隔震桥梁,这需要与新型隔震装置的开发和先进技术的应用相结合来解决。刘云贺、赵晓娟等探讨了地震作用下桩基础刚度对采用铅芯橡胶支座(LRB)桥梁的减震效果的影响,提出以墩底弹簧约束模型模拟群桩基础的方法,建立了考虑地基刚度影响的桥梁非线性动力分析模型。算例的非线性时程分析结果表明:结构中如采用刚性基础假设,即忽略土-结构相互作用,对普通橡胶支座(RB)和铅芯橡胶支座(LRB)都会使设计结果偏于安全,尤其对LRB而言富裕度较大。1.2.4LRB的实验试验研究在隔震技术发展中的重要性是不言而喻的,多年来研究者在隔震结构、隔震装置的试验、开发应用方面作出了重要的贡献。刘文光、杨巧荣等对建筑用铅芯橡胶隔震支座温度性能进行了研究,在试验结果的基础上,提出了支座屈服后刚度及屈服载荷的温度修正方程。一、发展历史和现状00:25:481.2.5工程实例下图分别是世界上第一栋采用铅芯橡胶支座隔震的建筑(TheWilliamClaytonBuilding,NewZealand)和世界上使用铅芯橡胶支座中基底面积最大的建筑(日本)。一、发展历史和现状00:25:48二、工作原理和装置介绍2.2铅芯橡胶支座的工作原理铅芯叠层橡胶隔震支座由钢板与橡胶分层叠合,经高温硫化粘结而成,并通过上下联结板与结构相连,装置正中央为铅芯,其剖面图如图由上连接板上封板、铅芯、多层橡胶、加劲钢板、保护层橡胶、下封板和下连接板组成。多层橡胶、加劲钢板构成多层橡胶支座承担建筑物重量和水平位移的功能，铅芯在多层橡胶支座剪切变形时，靠塑性变形吸收能量，地震后，铅芯又通过动态恢复与再结晶过程，以及橡胶的剪切拉力的作用，建筑物自动恢复原位。2.1构造00:25:48对应不同铅芯的要求，隔震橡胶支座可以有不同的叠层结构、制造工艺和配方设计，以满足所需要的垂直钢度、侧向变形、阻尼、耐久性、抗倾覆等性能要求。支座中的铅芯具有较低的屈服点和较高的塑性变形能力,可使支座的的阻尼比达到20%一30%,同时又具有增加支座的初始刚度,控制风反应和抵抗微地震的作用。铅芯在单独使用时不容易吸收能量,但铅的性能较为稳定,可以在常温下结晶,利用叠层橡胶对铅芯的约束,在反复变形时可以发挥其稳定的耗能作用。铅芯橡胶支座具有隔震和阻尼两种特性,因此可以单独使用,而无需另设阻尼器,使得隔震系统变得比较简单,可以节省空间,并利于施工。另外,通过控制支座铅芯的直径,可以调整支座的耗能能力。二、工作原理和装置介绍00:25:48工程案例上海赛车场在目前多层隔震体系中,铅芯叠层橡胶支座应用广泛,在日本2000年全年度审查的隔震结构中,部分或全部采用铅芯橡胶隔震支座的隔震结构数量占总数的50%以上,我国占到90%以上。日本横滨路标塔大厦二、工作原理和装置介绍00:25:482.3铅芯橡胶支座的工作性能叠层铅芯橡胶隔震支座的工作性能主要包括以下几个方面:压缩性能。即在竖向荷载作用下,支座的纵向收缩和横向扩张性能。叠层铅芯橡支座中的钢板与橡胶垫的弹性模量和横向变形系数有较大差异,但钢板会对橡胶片的横向变形产生约束,使橡胶片内部处于三向受压状态。因此,叠层铅芯橡胶胶支座的竖向承载力比橡胶本身大得多,几乎与同样截面大小的钢筋混凝土柱子相当。受拉性能。橡胶材料的拉应力在10一20kN/cm2以内时,基本表现为弹性。在弹性范围内,橡胶材料的受拉刚度只有受压刚度的1/10左右。另有实验表明,叠层铅芯橡胶隔震支座经过较大的受拉变形后再压缩时,其受压刚度降低为初期刚度的1/2左右。因此,在实际工程中不宜采用叠层橡胶隔震支座的受拉性能。二、工作原理和装置介绍00:25:48耐火性实验研究表明,在一般的火灾下,叠层橡胶隔震支座仍有一定的承载力,不会使结构立即倒塌,因为支座外部约有10一20mm左右的橡胶覆盖,燃烧时形成的碳化层具有较好得热阻性能,能够阻止支座进一步燃烧。虽然支座有一定的耐火性,但是还是应该在支座外部做好防火构造。耐久性。叠层橡胶隔震支座在工作期间,由于橡胶老化、徐变等都有可能对叠层橡胶支座的力学性能产生不同程度的影响。周福霖等人的实验研究表明:经过60年后,叠层橡胶支座水平刚度增加10%一20%左右,水平极限变形降低10%左右。因此在设计中考虑支座老化而引起的隔震层水平刚度的增加,可基本消除支座老化对隔震结构减震效果的影响。关于徐变的实验测试结果表明,橡胶在100年后的徐变量不到橡胶片总厚度的10%。因此,叠层钢板橡胶支座作为结构构件,其耐久性与建筑物的寿命相当二、工作原理和装置介绍00:25:482.4LRB设计行业标准（规范）2.4.1设计依据GB20688.2-2006橡胶支座第2部分：桥梁隔震橡胶支座GB/T469-2005铅锭GB/T528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定GB/T912-2008碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带GB/T1682-1994硫化橡胶低温脆性的测定单试样法GB/T3274-2007碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带GB/T3512-2001硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验GB/T6031-1998硫化橡胶或热塑性橡胶硬度的测定(10～100IRHD)GB/T7759-1996硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永久变形测定二、工作原理和装置介绍00:25:48GB/T7760-2003硫化橡胶或热塑性橡胶与硬质板材粘合强度的测定90°剥离法GB/T7762-2003硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验法CJJ77-98城市桥梁设计荷载标准CJJ166-2011城市桥梁抗震设计规范HG/T2198-2011硫化橡胶物理试验方法的一般要求JT/T722-2008公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件JT/T822-2011公路桥梁铅芯隔震橡胶支座JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范JTG/TB02-01-2008公路桥梁抗震设计细则EN1337-3:2005Structuralbearings-Part3:ElastomericbearingsEN15129:2009Anti-seismicdevices二、工作原理和装置介绍00:25:48LRB系列铅芯隔震橡胶支座按本体形状分为矩形铅芯隔震橡胶支座和圆形铅芯隔震橡胶支座。2.4.2支座分类2.4.3支座型号二、工作原理和装置介绍00:25:482.4.4支座结构铅芯支座的结构形式如下图二、工作原理和装置介绍00:25:48LRB系列铅芯隔震橡胶支座的竖向载荷传递过程是楼体→上预埋钢板→上连接钢板→上封板→橡胶、铅芯、加劲钢板叠层结构→下封板→下连接钢板→支座。LRB系列铅芯隔震橡胶支座的地震水平载荷传递过程是支座→下锚固组件→下连接钢板→剪切键、下封板→橡胶、铅芯、加劲钢板叠层结构→上封板、剪切键→上连接钢板→上预埋钢板→通过上锚固组件传递到楼体。2.4.5支座技术性能规格系列◆圆形铅芯隔震橡胶支座分为22类：d420，d470，d520，d570，d620，d670，d720，d770，d820，d870，d920，d970，d1020，d1070，d1120，d1170，d1220，d1270，d1320，d1370，d1420，d1470。◆矩形铅芯隔震橡胶支座分为25类：300×420，350×350，350×520，420×420，470×570，520×520，520×620，570×570，570×670，620×620，670×670，720×720，770×770，820×820，870×870，920×920，970×970，1020×1020，1070×1070，1120×1120，1170×1170，1220×1220，1270×1270，1320×1320，1370×1370。二、工作原理和装置介绍00:25:48剪切模量支座设计剪切模量为0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa。水平等效刚度175%剪应变