1、第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220011国家自然科学基金项目(51908024),北京建筑大学建大英才项目(JDYC20200310)。第一作者:第一作者:吴宜峰,博士,副教授,主要从事结构减隔震与振动控制研究,Email:wuyifeng 。尼龙织物增强橡胶支座力学性能试验研究吴宜峰1,2,3,徐宇伯1,司明非1,李爱群1,2,3,4(1 北京建筑大学土木与交通工程学院,北京 100044;2 北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室,北京 100
2、044;3 北京建筑大学建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室,北京 100044;4 东南大学土木工程学院,南京 210096)摘要:为了探讨影响尼龙织物增强板式橡胶支座力学性能的主要因素,设计加工了三种橡胶总厚度相同、尼龙织物加强层层数不同的板式橡胶支座,对其进行了竖向压缩试验与水平剪切试验。试验结果表明:该类支座力学性能稳定,在 10MPa 压应力下未出现肉眼可见的损伤。各支座随设计压应力从 5MPa 增加至 10MPa,竖向压缩刚度上升近 80%,随尼龙织物加强层层数增加小幅降低;竖向等效阻尼比随设计压应力增大而减小约 17%,受尼龙织物加强层层数影响不大。5MPa 压应力作用下,
3、支座剪切滞回曲线平滑且饱满,最大剪应变达到 300%时支座工作性能仍保持良好。随着剪应变增加,支座先后出现卷曲、翻滚等变形形态,支座水平剪切刚度也因此表现出先减小后增大的趋势。因为尼龙织物受剪变形,尼龙织物层数越多支座的水平剪切刚度减小。各支座的水平等效阻尼比均在 9%13%之间,织物层数对其略有影响。关键词:尼龙织物;橡胶支座;滞回曲线;支座刚度;等效阻尼比 中图分类号:TU352.1+2 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0010-05引用本文 吴宜峰,徐宇伯,司明非,等.尼龙织物增强橡胶支座力学性能试验研究J.建筑结构,2023,53(3):10-14,20.W
4、U Yifeng,XU Yubo,SI Mingfei,et al.Experimental research on mechanical properties of nylon fabric reinforced rubber bearingsJ.Building Structure,2023,53(3):10-14,20.Experimental research on mechanical properties of nylon fabric reinforced rubber bearings WU Yifeng1,2,3,XU Yubo1,SI Mingfei1,LI Aiqun1,
5、2,3,4(1 School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2 Multi-Functional Shaking Taboratory,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;3 Beijing Key Laboratory of Functional Materials fo
6、r Building Structure and Environment Remediation,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;4 School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)Abstract:In order to explore the main factors affecting the mechanical properties of nylon fabric rei
7、nforced plate rubber bearings,three plate rubber bearings with the same total rubber thickness and different nylon fabric reinforcement layers were designed and fabricated,and the vertical compression and the compression shear test of the bearing were carried out.The test results show that the mecha
8、nical properties of this type bearings are stable,and there is no significant damage was seen under 10MPa pressure.The vertical compressive stiffness of each bearing increases by nearly 80%with the design compressive stress increasing from 5MPa to 10MPa,and decreases with the increase of the number
9、of nylon fabric reinforcement layers;The vertical equivalent damping ratio decreases about 17%with the design compressive stress increasing,and is not greatly affected by the number of nylon fabric reinforcement layers.The shear hysteresis curve of the bearing under 5MPa compressive stress is smooth
10、 and plump,and the bearing remains well when the maximum shear strain reaches 300%.With the increase of shear strain,the bearing appeared successively deformed forms such as curling and tumbling,the horizontal shear stiffness of the bearing also showed a trend of first decreasing and then increasing
11、.Because the nylon fabric is deformed by shear,the horizontal shear stiffness of the bearings decreases with the increase of nylon fabric layers.The horizontal equivalent damping ratio varies in the range between 9%13%,and the number of fabric layers affects slightly.Keywords:nylon fabric;rubber bea
12、ring;hysteresis curve;bearing stiffness;equivalent damping ratio 第 53 卷 第 3 期吴宜峰,等.尼龙织物增强橡胶支座力学性能试验研究0引言 我国位于环太平洋地震带与地中海-喜马拉雅地震带之间,自 20 世纪以来,共发生 6 级以上地震近 800 次1,造成了大量人员伤亡与财产损失。震后调查表明,震灾严重区域不少分布于村镇地区。村镇建筑通常不是由专业人员设计,部分房屋抗震构造设施缺失或不全,一旦发生强震,容易出现较大结构损伤甚至破坏。因此,提高村镇建筑的抗震性能具有很强的工程意义与社会价值。目前,叠层钢板橡胶支座由于其出色的抗
13、震性能及成熟的制造工艺,在多高层隔震建筑中应用广泛,但是这类支座工艺复杂、造价昂贵,较难推广应用于村镇建筑中。所以,有必要提出一种成本低、性能满足低矮村镇建筑需求的替代隔震支座。对此,Kelly2提出改变支座加强层材料以降低成本与重量,如采用纤维增强材料代替钢板,并对之进行了理论推导与试验研究。Moon 等3对比了以碳纤维、玻璃纤维、尼龙纤维为加强层的不同种支座的力学性能。Toopchi-Nezhad 等4-5、Al-Anany 等6比较了不同锚固形式的纤维增强橡胶支座的力学性能,发现随着剪应变的增加,无锚固支座会先后出现侧面卷曲以及侧面与加载设备顶底板完全接触并受力的现象,与之相随的是支座切
14、线刚度先减小后增大。Ashkezari 等7研究了加强层层数对支座的影响,认为碳纤维增强橡胶支座可替代叠层钢板橡胶支座用于建筑隔震。Hedayati Dezfuli 等8-9研究了橡胶层厚度及剪切模量对支座的影响。Thuyet 等10通过有限元软件对比了应用纤维增强橡胶支座结构与未隔震结构的地震响应,发现该支座具有稳定的减震耗能能力,隔震效率显著提升。谭平等11-12将工程塑料板作为支座的加强层,该支座具有优越的极限剪切性能。Wu 等13提出可采用输送带作为加强层,支座竖向刚度较叠层钢板橡胶支座小,但具有较强的耗能能力,极限剪切变形超过 200%。已有研究多采用碳纤维等弹性模量与极限强度大的纤
15、维材料替代钢板,但由于低矮村镇建筑对支座的性能要求较多高层建筑更低,采用更为低廉的尼龙织物不失为一种可选方案。本文探讨不同的尼龙织物层数对支座力学性能的影响规律,为此设计制作了三块尼龙织物增强橡胶支座,基于试验分析了支座的力学参数,所得结果可为此类支座在村镇建筑上的推广应用提供参考。1尼龙织物增强橡胶支座1.1 支座样品 由于尼龙材料弹性好、强度较高、成本低,本研究采用尼龙纤维代替叠层钢板,设计加工了三种橡胶总厚度相同、尼龙织物层数不同的板式橡胶支座(图 1)。支座直径均为 250mm,侧面橡胶保护层厚度为 2.5mm,详细尺寸参数见表 1。图 1 支座实物图表 1 支座尺寸参数支座编号支座直
16、径d0/mm支座高度H/mm橡胶层数ne橡胶单层厚度te/mm橡胶总厚度tr/mm尼龙织物层数nf1#25053241.536232#25049182.036173#25044123.036111.2 材料力学性能试验 为了获知橡胶的力学性能以及添加尼龙织物的影响,使用电子拉力试验机对橡胶(A1、A5、A7)及添加 1 层尼龙织物层的橡胶材料(C1、C2、C3)进行单轴拉伸试验,试件尺寸根据硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定(GB/T 5282009)14确定。最终所有试件均断裂破坏(图 2),试件的单轴拉伸力-位移曲线如图 3 所示。表 2 为试件单轴拉伸试验参数,由表 2 可知,橡胶材料自身的拉断伸长率均大于 400%,添加了尼龙织物后试样的最大拉力与初始拉伸模量大幅增加,但尼龙织物的拉断伸长率远小于橡胶,尼龙拉断后试样仍有一定的抗拉能力。图 2 试件断裂破坏图图 3 试件单轴拉伸力-位移曲线11建 筑 结 构2023 年表 2 试件单轴拉伸试验参数试样编号 试件尺寸/mm 最大拉力/N 拉断伸长率/%破坏模式A1205.031.95142.15442.27橡胶断裂A52