金屬橡膠材料隔震器性能研究

金屬橡膠材料隔震器性能研究

新型金屬橡膠材料隔震器的研發(fā)實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中有許多類型的災(zāi)難，其中強(qiáng)震和颶風(fēng)災(zāi)害的影響最大。其中，地震災(zāi)害的發(fā)生具有隨機(jī)性、突發(fā)性和不確定性的特點(diǎn)。因此，強(qiáng)烈的地震破壞尤其嚴(yán)重。在各種被動(dòng)減隔震控制方法中,基礎(chǔ)隔震技術(shù)是當(dāng)前減隔震研究與工程應(yīng)用的主流技術(shù)之一。當(dāng)前基礎(chǔ)隔震技術(shù)中,主要采用的隔震方式為(有鉛芯)疊層橡膠隔震技術(shù)和摩擦滑移隔震技術(shù)。疊層橡膠支座在長(zhǎng)期工作期間,存在著橡膠老化、徐變和疲勞破壞等耐久性能問題。純摩擦滑移支座滑移位移較大不易控制,且不能自動(dòng)復(fù)位,一般需要與其他恢復(fù)力裝置配合使用,這使得隔震層的構(gòu)造形式與施工變得復(fù)雜。金屬橡膠材料是一種功能結(jié)構(gòu)材料,是一種新型低密度多孔阻尼材料,具有疏松的內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),類似于天然橡膠的大分子結(jié)構(gòu),因具有橡膠的類似彈性而得名。目前金屬橡膠材料在航空、航天、軍事裝備、機(jī)械工程等許多隔振領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,但在建筑領(lǐng)域尤其是建筑隔震設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用還不多。金屬橡膠材料隔震器則是采用金屬橡膠材料替代傳統(tǒng)橡膠而設(shè)計(jì)的隔震器,是一種新型材料隔震裝置。由于金屬橡膠材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能,將使這種新型隔震器可以彌補(bǔ)上述兩種主要建筑隔震方式的不足。本文通過對(duì)金屬橡膠材料摩擦減震力學(xué)性能的研究分析,在滿足隔震裝置功能要求下,自行研制一種新型金屬橡膠隔震器,它采用有金屬絲纏繞綁扎成形的金屬桿為元件,設(shè)計(jì)制作了疊層組合形式的隔震器,并對(duì)其進(jìn)行豎向承載力性能實(shí)驗(yàn)以及水平隔震性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自行設(shè)計(jì)的金屬橡膠材料隔震器具有良好的承載力效果和隔震作用。1隔震裝置的設(shè)計(jì)金屬橡膠材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能,在宏觀上具有類似橡膠的大分子結(jié)構(gòu)和彈性,微觀上金屬橡膠依靠其內(nèi)部金屬絲間相互的干摩擦作用,可以耗散振動(dòng)能量,達(dá)到減振隔振目的。它具有耐高低溫、抗腐蝕、不易老化且強(qiáng)度高的特點(diǎn),是傳統(tǒng)橡膠的最佳替代品,并且在航空航天、機(jī)械工程等許多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,但在建筑領(lǐng)域中尤其是建筑隔震設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用還不多。目前在建筑隔震裝置中,疊層橡膠在承受長(zhǎng)期豎向荷載的同時(shí),將受到日常振動(dòng)、氣溫變化引起的熱脹冷縮以及空氣、水等帶來的物理化學(xué)作用。并且在置于建筑物基礎(chǔ)的情況下,隨著環(huán)境氣溫的變化,溫度經(jīng)常處于-20℃~40℃甚至更高的循環(huán)溫度的作用。因此在實(shí)際工程中,當(dāng)前使用的隔震支座將存在著隔震橡膠材料氧化、耐火耐熱、化學(xué)變化、疲勞變形等諸多方面的耐久性使用問題。金屬橡膠是全金屬制品,具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性能,可解決疊層橡膠隔震支座使用中的耐久性問題。由于金屬橡膠材料的減振隔震主要為其結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部相互纏繞的金屬絲之間的相互內(nèi)摩擦作用,將使得采用金屬橡膠材料的隔震裝置在大多數(shù)程度下均可以消耗地震能量,可起到各種微震、中震情況下以及大震情況下的耗能作用。此種材料的摩擦系數(shù)均勻性可以較好地控制在成形體內(nèi),通過適當(dāng)設(shè)計(jì)可以同時(shí)具有普通橡膠隔震支座和摩擦滑移隔震元件的優(yōu)點(diǎn),起到混合隔震支座的效果。因此可以預(yù)見金屬橡膠材料必將在建筑隔震方面得到廣泛應(yīng)用,具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,隔震裝置的設(shè)計(jì)非常重要。隔震裝置的基本特性包括:豎向承載特性,即確保有足夠的豎向剛度以承載上部結(jié)構(gòu);隔震特性,即在地震作用下,隔震裝置發(fā)生水平滑動(dòng),使“剛性”抗震結(jié)構(gòu)變成“柔性”隔震結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)自振周期加大并遠(yuǎn)離地震優(yōu)越周期;彈性恢復(fù)特性,即隔震裝置具有足夠的恢復(fù)力,使隔震裝置自動(dòng)復(fù)位,在地震后結(jié)構(gòu)能自動(dòng)恢復(fù)到初始位置;阻尼耗能功能,即隔震裝置要有足夠大的阻尼系數(shù),并具有足夠大的消耗地震能量的能力。下面將介紹本文研究的金屬橡膠材料隔震器的制作。2隔震阻尼器裝置設(shè)計(jì)為了達(dá)到金屬橡膠摩擦隔震的效果,自行設(shè)計(jì)制作包含金屬橡膠材料的隔震阻尼器裝置必須有較好的摩擦耗能作用,使之能夠運(yùn)用于承受水平地震荷載的建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)中。2.1桿件組合成型本文以單根金屬絲為基本材料,對(duì)其經(jīng)過一定的纏繞、編織、加工與成型后,制作出金屬橡膠定型產(chǎn)品。由于單根桿件需要有一定的剛度,并且要能達(dá)到摩擦耗能的作用,根據(jù)這一目的,制作中采用兩根12#(直徑為2.642mm)鐵絲擰成一股作為最內(nèi)層的支撐桿,并將3根18#(直徑為1.219mm)鐵絲擰成一股,類似于鋼絞線方式,用它緊密纏繞在內(nèi)桿的表面。第2層纏繞采用排布更為雜亂的金屬球線以達(dá)到更好的摩擦效果,但此種材料剛度略顯不足,因此用量較少。第3層與第5層采用與第1層相同的材料,而第4層與第2層相同。這樣不同種材料之間相互纏繞的方式將能更好得使材料內(nèi)部產(chǎn)生摩擦。如圖1和圖2所示。上述金屬絲纏繞而成的桿件雖然已經(jīng)有一定的強(qiáng)度和承載能力,但是仍然不足以承受上部荷載,并且沒有足夠的剛度,因此需要對(duì)桿件進(jìn)行組合成型。經(jīng)過仔細(xì)思考與方案對(duì)比,發(fā)現(xiàn)立方體框架式和層疊式在理論上均能滿足實(shí)驗(yàn)裝置的物理力學(xué)性能,但是其中立方體框架式由于節(jié)點(diǎn)難于處理,在制作過程不能達(dá)到理論計(jì)算的要求,因此最終選擇層疊式組合形式。層疊式顧名思義是將纏繞好的金屬桿件分層疊合而成,利用其組合效應(yīng)發(fā)揮金屬絲的耗能作用,利用鐵芯承擔(dān)上部荷載,并且該方法比較容易保證模型的剛度,同時(shí)易于制作。2.2錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作根據(jù)上面提供的制作思路與方案,現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹隔震器制作過程,具體如下:(1)以4根桿件為一小組,分組綁定。用3根長(zhǎng)度為1m的細(xì)金屬絲纏繞成鋼絞線作為捆綁桿件的連接線,用相同方法制作若干根,然后將4根已經(jīng)繞好的桿件并排放在一個(gè)平面,用上述鋼絞線對(duì)桿件進(jìn)行捆綁,過程類似于紡織中的穿針引線,首尾相連,確認(rèn)桿件已經(jīng)捆綁好,將各組上下層疊后初步成形。然后將上述捆綁好的單層桿件組平置于水平面上,依次向上堆疊,保證中心在一條豎直線上。同時(shí)為了在豎直向能良好傳力,且剪切時(shí)不易發(fā)生錯(cuò)動(dòng),宜每層相對(duì)于上一層旋轉(zhuǎn)90°。由于抵抗層與層之間的剪切和扭轉(zhuǎn)力很大,而且需要兼顧X,Y方向的受力,綁扎時(shí)需要格外注意,為此制作過程中選擇節(jié)點(diǎn)交叉換向連接方式,即利用中部繞多層桿件組一圈,于相交處鋼絞線兩頭各繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°,如此反復(fù),盡量使鋼絞線節(jié)點(diǎn)在各面分布均勻。這樣理論上在各個(gè)方向上受力時(shí)可以相互牽制和分配使得受力均勻,這一點(diǎn)在后來的實(shí)際加載實(shí)驗(yàn)中得到了證明。(2)構(gòu)件的壓實(shí)。金屬橡膠材料阻尼特性和耗能能力有賴于金屬絲的密實(shí)程度,只有密實(shí)程度達(dá)到一定后,才能更好的利用金屬絲內(nèi)部的摩擦消耗能量。在上述構(gòu)件制作完成后,需要在壓力試驗(yàn)機(jī)上壓實(shí)成型,這樣既可提高其密實(shí)度,同時(shí)也能檢測(cè)出構(gòu)件的承壓能力,畢竟實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)隔震設(shè)備是需要承受巨大的豎向壓力的。在力學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的非破壞性實(shí)驗(yàn)中,獲得這個(gè)構(gòu)件的基本承壓能力為1t,隔震器經(jīng)過8mm豎直方向上的變形后,構(gòu)件變形趨于穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期基本吻合。至此,自行設(shè)計(jì)的金屬橡膠隔震器制作完畢,如圖3所示。3隔震裝置的自然力隔震裝置的基本特性包括:豎向承載特性和水平恢復(fù)力特性,即隔震裝置要確保有足夠的豎向剛度以承載上部結(jié)構(gòu),也要有足夠的恢復(fù)力,使隔震裝置自動(dòng)復(fù)位。本文將針對(duì)自行設(shè)計(jì)的隔震器進(jìn)行豎向承載特性和水平恢復(fù)力特性研究。3.1試驗(yàn)結(jié)果與分析在實(shí)驗(yàn)室中,將隔震器模型置于大型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的豎向壓縮試驗(yàn)夾頭中進(jìn)行加載,接入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后進(jìn)行荷載控制,記錄相應(yīng)的位移輸出,如圖4所示,在非破壞荷載下進(jìn)行加載,得到基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)當(dāng)試驗(yàn)荷載卸載后,模型構(gòu)件能夠自行恢復(fù),表明豎向存在的一定的彈性性能。圖5為試驗(yàn)得到的隔震器荷載與位移關(guān)系曲線。由圖5可以看出,隔震器在開始加載階段,曲線上升地比較平緩,分析原因應(yīng)是由于構(gòu)件制作時(shí)存在一些間隙所致,當(dāng)施加一定荷載后構(gòu)件即被壓實(shí)。隨后曲線呈現(xiàn)為近似于直線的上升,這是由于隔震器構(gòu)件經(jīng)過一定的壓實(shí)后趨于穩(wěn)定并處于彈性階段。此階段反映出了荷載-位移關(guān)系曲線成線性變化的關(guān)系,同時(shí)也說明該隔震器模型不僅具有良好的豎向承載能力,同時(shí)也具有較好的彈性。3.2滯回特性分析在隔震器水平性能實(shí)驗(yàn)中,將壓實(shí)后的隔震器模型置于豎向壓縮試驗(yàn)儀器中,接入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行荷載控制,記錄相應(yīng)的位移輸出,在非破壞荷載下進(jìn)行加載,經(jīng)過反復(fù)加載卸載后,即可得出隔震器結(jié)構(gòu)的荷載-位移滯回曲線圖,如圖6所示。根據(jù)重復(fù)加載卸載多次的試驗(yàn)數(shù)據(jù),選出試驗(yàn)中數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定的4組數(shù)據(jù),并作出隔震器構(gòu)件水平方向上荷載-位移關(guān)系的滯回特性曲線圖。由圖6可以看出,在施加恢復(fù)力的過程中,構(gòu)件在其水平方向上的位移亦呈現(xiàn)出相應(yīng)的回復(fù)效果。此曲線線條光滑穩(wěn)定,未出現(xiàn)大的躍動(dòng),且具有明顯的非線性特征,同時(shí)滯回特性曲線較為飽滿,說明所設(shè)計(jì)的隔震器有著較好的阻尼耗能特性。隔震器剛度發(fā)生軟化并伴隨較大遲滯耗能,在地震情況下可起到較好的隔震作用。同時(shí)隔震器模型在水平方向上較好的彈性性能也能夠很好地起到隔震的效果,而這正是隔震裝置在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。4隔震性能分析本文分析了金屬橡膠材料減隔震作用的機(jī)理,并自行制作了一種金屬橡膠材料隔震器,通過在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行相關(guān)豎向承載特性和水平恢復(fù)力特性實(shí)驗(yàn),獲得隔震器恢復(fù)力與位移關(guān)系的滯后曲線,并得出以下結(jié)論:(1)自行設(shè)計(jì)的金屬橡膠原材料為金屬絲,通過彈性元件變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻尼和元件內(nèi)金屬絲接觸點(diǎn)產(chǎn)生的干摩擦可以實(shí)現(xiàn)阻尼減振隔震。(2)自行設(shè)計(jì)的金屬橡膠隔震器裝置有著良好的豎向承載性能,且工藝簡(jiǎn)單。(3)金屬橡膠隔震器具有良好的水平恢復(fù)力性能,水平向荷載-位移曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征,滯回曲線飽滿,由于金屬絲間的相對(duì)摩