铅芯叠层橡胶支座隔震体系及结构抗震性能分析

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【摘 要】本文主要对（铅芯）叠层橡胶隔震技术进行论述，对（铅芯）叠层橡胶隔震支座的竖向和水平方向的性能指标进行了较为详细的论述，介绍了隔震结构和橡胶支座的数学计算模型，最后通过对一结构实例进行时程分析，对比了无隔震结构和基础隔震结构的性能表现。

【关键词】基础隔震；铅芯叠层橡胶支座；时程分析

1 （铅芯）叠层橡胶支座隔震介绍

隔震的基本思想是将整个建筑物或其局部搂层坐落在隔震层上， 通过隔震层的变形来吸收能量，从而减小结构的地震响应，提高建筑物的抗震性能。在实际应用中，隔震层布置在上部结构和基础之间的，因而被称为“基础隔震”。

叠层橡胶隔震支座（laminated rubber bearing，RB）由薄橡胶板与薄钢板交替叠合而成。由于薄钢板对橡胶板横向变形产生约束，使叠层橡胶支座具有非常大的竖向刚度。在水平刚度方面，薄钢板不影响橡胶板的变形，因而保持了橡胶固有的柔韧性。在普通叠层橡胶支座中竖直地灌入铅棒就成了铅芯叠层橡胶支座（lead laminated rubber bearing， LRB） [1]。由于铅的屈服力（ 剪切屈服极根） 较低，再结晶能力较强，具有较好的耐疲劳特性，当支座发生反复水平剪切变形时，铅芯具有稳定的耗能能力，因此LRB是融隔震、耗能及限位于一体的非线性装置，较之RB有明显的优势，在各国建造的隔震房屋中应用的比例呈逐年增加的趋势[2]。

2 铅芯叠层橡胶隔震支座（LRB）性能参数

2.1 竖向刚度分析

以下给出日本竖向应力与应变关系公式：

ε■=■ （1）

Ea=E■（1+2kS■■）（2）

考虑体积弹性系数时：

ε■=■+■（3）

E■=■ （4）

竖向刚度：

K■=■ （5）

其中：ε■――压缩应变； σ■――压缩应力；E■――橡胶的竖向弹性模量； Ea――名义弹性模量； S――一次形状系数；k ――取决于橡胶硬度的系数； ε■――竖向应变； E■――修正弹性模量； A――橡胶面积；T■――橡胶层总厚度；K■――竖向刚度。

2.2 水平力学性能分析

2.2.1 水平刚度

根据国内外资料，铅芯橡胶隔震支座水平动刚度、屈服力、屈服后刚度与屈服前刚度理论计算见下式：

K■=■（6）

K■=■（1+αA■/A）（7）

Q■ =σ■A■ （8）

K■=K■■（9）

其中， K■为支座水平动刚度；K■为支座屈服后刚度；K■为支座屈服前刚度； G为橡胶剪切模量； A为支座有效面积；T■为支座橡胶层总厚度；Q■为支座屈服力；A■为铅芯面积；α为修正系数；σ■为铅芯的屈服应力；β为屈服前后刚度比； δ为支座变形量。

2.2.2 等效阻尼

铅芯型支座等效阻尼比可采用下面方法进行计算，假定支座返回段的刚度与屈服前刚度相等，取滞回曲线中平行四边形面积为滞回曲线面积，得阻尼比计算式如下：

ξ=■ （10）

其中： Q■为支座屈服力； δ为支座变形量；K■为支座屈服前刚度；K■为支座水平动刚度。

2.2.3 滞回关系

此种支座采用Wen提出的微分型恢复力模式，可以将隔震支座的滞回恢复力Q表示为：

Q（x，y）=β■x+（1-a）F■Z （11）

其中， Z为考虑结构材料滞回特性的分量，满足下列微分方程：

YZ=-γxZZ■-λxZ■+Ax （12）

其中， Y， FY――隔震支座的屈服位移和屈服力；

x――支座的水平位移和速度；

η――滞回曲线从弹性转换到弹塑性的特征系数；

A，γ ，λ―― 滞回曲线形状的参数。

根据铅芯橡胶支座动力试验及微分模式特点，对于上式建议参数取值为A=1，η =1，λ =- 0.154，γ =114，当取上述值时，微分型模式代表的滞回曲线较接近于实际情况。

3 隔震结构分析计算实例

为了探讨铅芯叠层橡胶隔震支座的隔震效果，利用Etabs对一框架-剪力墙高层建筑进行了弹塑性时程分析。模型取自实际工程，并做了一定修改。

3.1 计算参数

现结构为部分落地框支剪力墙结构，总高度为54m，但由于结构平面尺寸较大，未超过隔震结构相应高宽比的要求。设结构所在地区设防烈度为7度（0.1g），场地基本周期为0.4s。本模型沿用原结构的材料和截面定义，并在结构底部布置隔震连接单元。利用参考文献及Etabs帮助文档的支座参数取值，得到隔震支座等效非线性连接单元的主要参数。输入地震波曲线，考虑7度（0.1g）罕遇地震，地震波加速度峰值绝对值为220cm/m2。

3.2 结果分析

3.2.1 加速度反应

经计算可得，非隔震结构加速度峰值为0.811m/s2，隔震结构加速度峰值为0.399m/s2，约为非隔震结构的49%，隔震效果明显。

3.2.2 周期

无基础隔震结构的基本周期为1.27s，布置了铅芯橡胶隔震支座的结构基本周期延长到1.53s，增加了约20%。隔震结构的基本周期接近场地特征周期的4倍，地震作用力将会大大减小。

3.2.3 楼层剪力

图1 隔震结构与非隔震结构层剪力曲线

如图1所示为隔震结构与非隔震结构楼层剪力曲线的对比，可以看出隔震结构层间剪力比非隔震结构大大减小。其中隔震结构基底剪力为3.07E+6kN，非隔震结构基底剪力为1.47E+7kN，隔震结构基底剪力仅为非隔震结构基底剪力的20.9%。

3.2.4 层间位移和位移角

图2为隔震结构与非隔震结构楼层位移曲线，对比可知，除了第一层外，隔震结构其他楼层的位移都远小于非隔震结构，且位移形状基本上呈第一振型振动形状。隔震结构第一层的楼层位移较大的原因是基底布置了隔震支座的缘故，隔震支座通过自身变形消耗能量，使得上传到结构上部的地震作用减小，因而减小了上部结构的楼层位移。

图2 隔震结构与非隔震结构楼层位移曲线

图3为两种结构层间位移角曲线。对比可知除第一层外，隔震结构其他楼层的层间位移角都远小于非隔震结构。隔震结构第一层的层间位移角反而较大，其实是一种错觉，这个位移角是由图10中的楼层位移除以层高得到的，而图10中第一层的楼层位移的参考原点是基础嵌固端，若以柱底（即隔震支座顶部）作为层间位移计算的原点的话，隔震结构的层间位移和层间位移角还是要比非隔震结构小很多的。

图3 隔震结构与非隔震结构层间位移角曲线

4 结论

通过以上分析可知，布置有隔震支座的结构在地震作用下的反应大大降低了，说明隔震结构在地震作用下具有良好的性能。隔震结构的优越性也越来越得到人们的重视。随着人们对结构抗震要求的提高以及基于性能的抗震设计思想的发展，结构隔震技术必将得到越来越广泛的应用。

【参考文献】

[1]樊爱武，程灵芝.叠层橡胶支座基础隔震体系介绍[J].邮电设计技术，1999，12.

[2]刘文光，周福霖，庄学真，冯德民，三山刚史，加藤泰正.铅芯夹层橡胶隔震垫基本力学性能研究[J].地震工程与工程振动，1999，19（1）：93-99.