低温下隔震橡胶支座的力学性能变化及对隔震结构地震响应的影响

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隔震结构因其在地震中的可靠表现,现已发展成一种成熟的减震防灾手段,采用橡胶隔震支座的隔震体系得到了广泛的应用。随着隔震技术的大力推广,橡胶支座隔震体系的应用环境越来越复杂,不同应用环境气温的变化对隔震装置力学性能及隔震结构地震响应的影响逐渐成为了一个不可回避的问题。然而目前我国在进行隔震结构设计时,对于不同温度环境下橡胶隔震支座的力学性能参数一般使用的是固值,橡胶隔震支座和隔震结构对温度的适应性并未反映在隔震设计规范中,使得设计结果的合理性无法确定。再加上橡胶隔震支座温度相关性试验中规定的最低温度仅达到-20℃,但我国北方冬天气温寒冷,黑龙江北部地区1月均温在-28℃,显然给定的最低试验温度不适合这些寒冷地区进行支座的温度相关性试验。为了进一步研究低温环境下支座力学性能的变化及对隔震结构动力特性的影响,为高寒高烈度地区的隔震设计提供有益参考,本文开展如下研究工作:(1)在-40℃、-30℃、-20℃、-10℃和23℃下对天然橡胶隔震支座和铅芯橡胶隔震支座进行了竖向压缩试验和水平剪切试验,系统的探究了低温变化对支座力学性能的影响及其力学性能参数的变化规律。试验表明:竖向压缩试验时,两种支座的竖向压缩刚度均随着温度的降低逐渐增加;水平剪切试验时,天然橡胶隔震支座的水平等效刚度随着温度的降低近似呈指数函数增加,其等效阻尼比随着温度的降低基本保持不变。铅芯橡胶隔震支座的等效阻尼比、屈服后刚度、屈服剪力和等效水平刚度均随着温度的降低非线性增长。随着温度的降低两种支座的滞回曲线形状逐渐饱满,面积逐渐增大,且有上翘的趋势。最后根据试验结果拟合出支座力学参数(竖向刚度、水平等效刚度和屈服后刚度)随温度变化的函数。(2)对试验所用支座的硫化橡胶进行了相同低温下的剪切性能试验,试验表明:橡胶的剪切模量随着温度的降低而增大。然后再结合钢材和铅芯在低温下性能变化的相关研究,探讨了低温条件下支座的主要组成材料力学性能变化引起隔震支座力学参数改变的原因。(3)为了研究因低温导致橡胶隔震支座力学性能改变进而引起隔震结构动力特性发生变化的规律,建立基础隔震结构的分析模型,通过各低温下隔震支座拟静力试验所得试验结果,按温度划分成5种工况进行时程分析。系统的探究了隔震结构减震系数、设防地震和罕遇地震下支座的滞回曲线、罕遇地震下隔震结构各支座最大位移和结构层间最大位移角在各低温下的变化规律。分析结果表明:基础隔震结构的减震系数随着温度的降低而逐渐增大,当温度低于-10℃之后,结构将不能够达到降1度的隔震目标;罕遇地震时隔震结构各支座的最大位移随着温度的降低而减小,隔震结构的最大层间位移角随着温度的降低而增大,但整体上结构的最大层间位移角均在规范允许范围之内。
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