改进型低剪切模量隔震支座力学性能试验研究

摘要

地震是一种危害极大的自然灾害，会在较短时间内释放大量能量，对人类的生命和财产安全产生极大的威胁。传统抗震手段利用构件变形和开裂吸收地震能量虽然能避免建筑物的倒塌，但是却会因为结构自身损伤产生直接或间接的经济损失。随着社会的发展，隔震设计方法逐渐表现出自身的优越性——通过隔震层的变形吸收地震能量，减小上部结构的地震响应。
　　作为隔震设计中的重要组成部分，橡胶隔震支座的力学性能会直接影响到结构最终的隔震效果。橡胶隔震支座在足够竖向承载力的保证下，水平刚度在合理范围内时，取值越小，结构自振周期越大，偏离地震动卓越周期越远，隔震效果越好。本文介绍了一种改进型低剪切模量橡胶隔震支座，其剪切模量为0.32MPa，较目前普遍使用的剪切模量0.40MPa以上的橡胶支座具有更好的隔震效果。本文以LNR400改进型支座为研究对象，采用三维有限元分析方法和试验研究方法对这种支座的力学性能做了详细分析，以下是本文主要研究工作和成果:
　　1)对隔震结构体系、橡胶隔震支座力学理论和研究现状以及橡胶本构理论和研究现状做出总结，提出一种改进型低剪切模量橡胶隔震支座，并利用相关力学理论计算分析了这种改进型支座的力学性能和优势。
　　2)建立LNR400改进型支座三维有限元模型，详细研究支座在轴向受压和压剪状态下的力学性能，包括支座的应力、变形、竖向压缩刚度和水平等效刚度等在不同工况下的变化情况。结果表明，支座在轴压作用下，会在支座边缘和中心孔洞的中间区域产生核心受压区，引起顶面竖向荷载的重分布，即中间区域竖向压力大，两边竖向压力小。支座在轴压作用下，橡胶层切向膨胀变形所受约束沿径向变化不大，而径向膨胀变形所受约束沿径向表现为中间大、两边小。在中心区域橡胶沿径向膨胀趋势更大，而在边缘区域橡胶沿切向膨胀趋势更大。支座在水平剪切作用下，核心受压区随着支座剪切变形偏移并且变窄，核心受压部分的应力急剧提高，支座局部区域出现拉应力。不同位置的钢板竖向压（拉）应力分布不同，但压应力峰值基本相等。钢板上产生的切应力基本沿表面均匀分布，小孔附近会出现应力突变。
　　3)通过试验研究LNR400改进型支座的力学性能，测试了不同压应力下的支座竖向压缩刚度和100％水平等效刚度，将试验结果与理论值比对，结果基本一致。LNR400支座竖向压缩刚度在1600 kN/mm左右，随压应力的增大而增大;水平等效刚度在0.45～0.50 kN/mm之间，随压应力的增大而减小。
　　4)对比LNR400改进型支座有限元分析结果和试验结果，两者结果基本吻合，偏差在合理范围内。支座竖向压缩和水平剪切的有限元分析结果与试验结果基本吻合，但不能描述试验的竖向荷载-位移曲线的初始阶段。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 隔震结构体系概述

1．2．1 隔震基本原理

1．2．2 隔震结构体系

1．3 橡胶隔震支座力学性能研究现状

1．3．1 天然橡胶隔震支座

1．3．2 铅芯橡胶隔震支座

1．4 橡胶材料本构模型研究现状

1．5 本文研究目的和研究内容

1．5．1 本文研究目的

1．5．2 本文研究路线

1．5．3 本文研究内容

第二章 橡胶隔震支座基本力学性能分析

2．1 橡胶隔震支座的形状系数

2．2 橡胶隔震支座竖向力学性能计算理论

2．2．1 橡胶隔震支座竖向压缩计算理论

2．2．2 橡胶隔震支座竖向拉伸计算理论

2．3 橡胶隔震支座水平剪切性能计算理论

2．4 橡胶隔震支座的界限性能

2．5 橡胶材料本构模型

2．5．1 橡胶本构模型理论

2．5．2 橡胶本构模型试验方法

2．6 本章小结

第三章 改进型低剪切模量隔震支座力学性能有限元分析

3．1 引言

3．2 改进型低剪切模量隔震支座的提出与理论分析

3．3 ABAQUS有限元模型

3．3．1 有限元软件ABAQUS简单介绍

3．3．2 几何模型的建立

3．3．3 单元类型的选取

3．3．4 材料参数的选取

3．3．5 有限元模型的网格划分

3．3．6 有限元模型约束定义、边界条件定义以及加载定义

3．4 改进型低剪切模量隔震支座竖向压缩力学性能

3．5 改进型低剪切模量隔震支座压剪力学性能

3．6 本章小结

第四章 改进型低剪切模量隔震支座竖向压缩试验研究

4．1 引言

4．2 橡胶隔震支座竖向压缩试验概述

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验加载系统

4．2．3 试验橡胶隔震支座基本参数

4．3 橡胶隔震支座竖向刚度试验研究

4．3．1 试验方法

4．3．2 试验步骤

4．3．3 试验结果与分析

4．4 支座竖向压缩刚度试验结果与有限元分析结果对比

4．5 本章小结

第五章 改进型低剪切模量隔震支座水平剪切试验研究

5．1 引言

5．2 橡胶隔震支座水平剪切试验概述

5．2．1 试验目的

5．2．2 试验加载系统

5．2．3 试验橡胶隔震支座基本参数

5．3 橡胶隔震支座100％水平剪切性能试验研究

5．3．1 试验方法

5．3．2 试验步骤

5．3．3 试验结果及分析

5．4 支座水平刚度试验结果与有限元分析结果对比

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文