高性能减震橡胶

： ． ．商 性 舱 减褒 糠 腌 。 ' 一 趑建伟译 。。。 、 、 ． ’ i 、 ． 一。 _。_ 。。。 应用叠层减震橡胶开发抗震结构的太厦如雨后睿笋． 目本在 1 9占 年建成第一幢抗{l _大厦后 在此2鸯 坶又相继建成了9栎， 预计j 9 年还舅建造8栋。类似这种抗震结构酊建筑自1988 年底不包括日本，．在世芥土还不到 0拣。如法国的·座f 1 9 年)，南亚的一座原予能发虎厂 f j z 7— 1 4年 ) 及美胃的某个州的审判厅(j 霉垂年>等等，在普及抗震结捣方 面日本是处于领先地位的 ． 一．．．．． 、 前开发抗震结构的建筑足局限于一些大的建筑公司，最近巳 打吱了挚种局面 套 。0．．毒臻蝽公司获得建造抗震建筑妁施工权。 随茸抗零 尊类． 曲李l佗 ．零赛玛凉尢犁建筑公司只是在本 赛 碜事愿《鹭辞擘 面毒傅莓謦茅绚_，_．琨已逐渐推广到公 寓，办公大楼等建筑．抗震结构建筑的迅谜普及是几次地震均结 。 誊 孽明燕擘结尊尊建冬哭 鞲 抗烨零馋 能· _f ～ 例如，邻近千哇每酉$争桥船【竹中工觞 的单1人宿命羼在清澈的 大林组 ．R和D；个观洳点聊定姐埴暴J如图· 及图’2所彝 说明了通 过减震结构传递到建筑物的能、(加速度．)可将原地震能量减少壬． 从中可以看出：抗震 梅在建氧 妁应用辈已取得 宾 效果。 在此前提下，若进一步普及抗震结构婚建筑，关键是开发抗震用盼 设备．其中雌开发减震橡胶和减震器为主． _-孽 j_ ． ．．．。 一 ：、 0 ‘’ ． ‘ ． ! 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 时间‘秒 ) 图 ．地震观=；掰结果：竹中工务所单人宿舍 (抗震建筑 ) 图2．地震观测结果：大林组B催 筑物f抗震结构 ) 和技术研究所 ‘非抗震结构 ) 2．高性能减震橡胶 减震培构基本上由二大部分组成，第一部分是弹簧支撑件，第二 二部分是缓冲器．弹簧支撑件的作用是直接支撑建筑物，当发生地 震时由于地震玻的周期性，弹簧支撑件就能将建筑物水平方向的扳 滔周期转换为垂直方向。在支撑建筑的状态下，能保证其奠 平方向 慢地逻行往复运动。该弹簧支撑件应用得最多的是橡胶与铁救幻 层体，也就是藏震叠层埠 (如圈 3所示 )。缓冲器灼作用是牛十 二 ■二 ．． 一一■ 一～一一一 维普资讯 http://www.cqvip.com 筑物在地震时使其水平变化控制在一定旬数值内，同时它的另一 个功能是尽快将地震期建筑物的摇摆度降至最小范围。这种缓冲器 惫一种利用金属 f铜作芯体或铅作芯体 )的塑性变彤的弹塑性缓冲 嚣。缓冲器的种类较多，也有剥用粘鲒体剪切阻抗 I々的粘性缓冲器， 应用阻尼孔的液压缓冲器，其次是各公司 自行开发各类缓冲器 在日本通常将减震橡胶与缓冲器组合成减震器．如大林组的R 和D中心应用J 只减震橡胶和9 根锕芯缓冲器建成妇图4(略) 所示《}々抗震建筑．其他几家建筑公司的。情况也大体如此，例如鹿岛 建设也应用减震橡胶和钢芯缓冲器、竹中工务店用的是减震橡胶和 粘性缓冲器、清水建筑采用的是减震橡胶与液雁缓冲器。然而减震 橡胶与缓冲器单独设置的话，．这样不仅增加缓冲器本体的费用，而 且还要多支出缓冲器的施工费和维修费，由此也加大了建筑成本； 再者减震橡胶和缓冲器都设置于地底层，这样导致地底层空间变小， 给施工带来不便．为此开发了一种既有缓冲效果又有减震效果的一 体型减震橡胶．其产品之一是灌铅减震橡胶，它的结构妇图 ‘略) 所示。减震橡胶的中央部分掏空，然后在挖空部分灌铅，其特性与 减震橡肫和铅芯缓冲器组成的减震器相同。 本文涉及的另一种高性 能减震橡胶兼备了弹簧效应与减震效应。这种高性能减震橡胶则不 与缓冲器组合，只靠减震橡胶本体便旺发挥良好的减震效果．美国 加利福尼亚帅的法院大楼便采用这种结构的碱震橡胶，迄今日本尚 未采用远类减震橡胶件 [参见图 (略 0 然而，就建筑物而言．该建筑物到屁需要抗震的程度如阿，则 取坟于 殳计 f礼 各设计单位均收集了许多数据，如果等效粘哇襄 霹数 于e。王5 c以后详述 )，那么减震橡胶的性能要采圣寸‘ 一苛 刻， 就是讲搋胶本身就必须具备高性能减震功能；其次 须考璧 维普资讯 http://www.cqvip.com 弹簧的支撑力．弹簧常数 (刖性 )与温度的相关性及振动次数的相 关性均不易过大，材料的蠕变性必须，J、_一般讲：材料均是高滞变 性，低溢相关性初低蠕变性，但减震橡胶件用的材料与传统的材料 不同．需要使上述这些性能共有一体是开发新型减震橡胶件的关键 所在，与此同时，减震橡胶件经久耐用亦是理所当然的。 开发上述高性能减羼橡胶必须解决几个技术问．这次桥石公 司研制的高性耗减震橡胶j B l『 R p J便是向这些课题挑战的 产品，本文介绍的高性能减震橡胶就是指M R B—H D． 3．高性能抗震橡胶的弹簧特性与衰减特性 高性能减震橡胶的结构如图 所示 一 一 法兰 yg,j 橡胶复盖层 高性能衰减橡胺 铁板 图 ．高性能减震橡胶 为确保减震橡胶的使用寿命 (6 0年 )，在减震橡胶表面再复贴一 层城 下面介绍了高性能减震橡胶昀弹簧特性和衰减特性的计算方法。 当城震橡胶承受一定铅负荷自 状舔下，按给定的振幅 (D． Hz的 sl n玻 )使其在水平方向上进行6次动杰变形 (髓7)．其后稍稍 增走振幅再继续进行同样的变形试强 加大振幅然后按图g所示的 顺序进行振幅涧定 (—个循环 )接着从低损幅。到高摄幅反复作 2个 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 循环测定，便可得出图9所示的：等价剪切刚性 IKH)和成衰减性 能指标的等价粘性衰减常数 I h c g，．它们分别可用 K =F．／Ax， h。g 专 ’二AABC 2个公式来表示．其中有关高衰减减震橡胶所 测得的结果如下所进 。 ／ 变形量的相关性 图J D分绍 的是以衰减能力小的橡胶为例，测得以天然橡 胶为原材料的减震橡胶的滞后曲纨 该滞后曲线的膨胀非常，J、-为 heg==D-D2 另一方面钢芯体的滞后曲线图如图J J所示．图J2 介绍的是灌铅_体型减震橡胶的滞后曲线情况．从这些曲线特性看， 它们都具有很大的衰减能力．同时在交位小的领域内具有良好的剐 性，由此认为在地震震级较小时减震橡胶较难发挥其效果。目前各 制造厂商都在开发自己的独特产品，弹塑性缓冲器的性能如图J J 和J 2所示．它们的滞后曲线基本上呈菱型．与加负荷时相比较． 在降低受负荷妁情况下刚性确实变得较大。由此樵论在高频率振动 领域内能产生共振现氤 图J 3，J 分别介绍美国加剁福尼亚大 学对灌铅减震橡胶缓冲件进行实际测试的结果．他们的具体做法是 先将—体型减震橡胶件垫在组装在加振器上的钢结构件底部的基础 上 {由钢筋水泥混凝土预制块作重量调节 )，然后用地震波 f E1 ce11tro波 )测定加振时钢结构件的响应加速度，图J 3(a，表示 振动试验台， (b J，f c)表示各种铜结构体在一楼及五楼时加速度 的时闻变化，具体数据均由G单位表示 同时图J fa)，(b，，(0) 分别介绍图j 3所受各加速度振动次数特性。从昏j 3可以看出： 通过本减震结构件它的最大加速度从振动试验台的D．86G 开始可 逐步械少至相 当于 J楼D．28暇 5楼舸 38q 圈j 说明了不带 振动机的前提下J楼和6楼的扳动舶当士，约为7 旺2， 这种现象 维普资讯 http://www.cqvip.com 妇前所述是由于消除负荷时该减震结构件具有耪好 剐性由此产生 共振现象，所以在设计减震结构时必须考虑该减震器的共振因巍 其次有关高性能减凄橡胶的磁带曲线情况分别由图j 6及因 J 来 _ 表示． - f 高性能减震橡胶的特点如图j ， j 所示，它的磁滞后曲线 像一片完整的树叶，它与弹塑性缓冲器不同，在承受负荷和排1；套负 荷时的刚性变化差异甚 ．电赢臻连接环形的顶端，呈线状刚性。 对高性能城震橡胶而言：第二周期的刚悭低于第一周期，整个环形 带有目形倾 钒 图J 介绍水平方向的剪切剐性和剪切变形 诗性 能减震橡胶是一种典型的力学非线形性材料，在变形小的范围内随 着变形的减少其刚性急剧增加，但是一旦变形超过 0％，上述现 ’ 象就变得缓慢了；若变形超过j 0 D％或3 D D％左右，此时材料 失去刚性 圈 (8)介绍高性能减震橡胶只在一个方向变形时的s 一 s曲线，从此曲线可以看出：剪切变形若超过 ％，那么其 刚性会再次增大，剪切变形达蓟 6 D％时里破坏状 ‰ 图j (b) {略 )介绍的是高性能减震橡胶破坏时的照片 I略 )，从中可看出 法兰周围胶牯剂破损的状况 ． ，完全是橡胶破损。图j 9介绍的是单 向等价粘性衰减常数(h eg)变形的相关-瞰 随着变形的增大hog值 呈下摔趋势，作为设计值所定的容许剪切变形值在2 D D为时l e g 值将超过皿 拍 ， 特别是当变形低于j 0 D％时heg值接近0．嚣 以上这些结果表明高性能减震橡胶 (班R B—H D)在减震结构方 面已完全具备必要的披震能力．目j口同时还介绍了加利福尼亚州 审判厅建l筑所用离性能减震橡胶的h es值，它与M R B—H D相比 其 heg值大约为专。 ～ 3 疗 维普资讯 http://www.cqvip.com 0 铅柱负荷相关性 一 般讲减震橡胶的永平方向刚性指的是与铅桂负荷在承受一定 铅负荷状态下的相互关系，永平方向产生的变形刚性是随着铅负荷 的增加而下降；此现象正如图2 0所示，叠层橡胶在剪切变形导致 嵌入的金属铁板变形，部分铁板弯曲．此时一旦向铅桂垂直方向加 力的话就会发生剪切方向的分力，这种更容易引起剪切变形，也就 是讲呈剪切刚性下降现氚 高性能减震橡胶也同样存在上述现象， 也就是讲随着铅柱垂直负荷的增加，永平方向的刚性有所减弱，详 见图2 J．另一方面，随着铅柱垂直负荷的增加h e磁 出现若干增 大的倾向，详见图2 2．这些典型的例子从图2 2中可看出高性能 厚形叠层减震橡胶的滞后曲线与铅柱垂直负荷的相关性．随着铅柱 垂直负荷的增加j莓}后曲线的形状发生变化，与此同时h eg值迅速增 大，图2 3证实了此现融 反复变形的相关性 如前所述，高性能减霹橡胶的第一周期与第二周期的刚性存在 较大的差异(见圆j 、j d)，然而如图2 所示，在一定变量 的范围内便其反复变形，达 3次后它的刚性几乎无差异仍然保持一 定的值；另一方面经反复变形后等效粘性衰减常数h eg值仍无变亿， 这一点 已在图2 6得到了证实． 高性能减震檬胶经过反复变形后，找震橡胶的内部及外部表面 对室温而言其温度到底上升几度请参见图2 d． 当然温度上升多少 取决于变形量及振动次数，假如我们设减震极胶在地震时承受j 0 — 2 0次的最大变形，那么随着温度的上升我们不必担心减震橡胶 在性能方酉会产生变化。 一 3 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 振动次数的相关性 圈2 和目2 8分别 g高性能减震橡胶的性能与振动次数的 若系。正如图2 、2 8 示随着振动次数6j增加其 性也逋之而 提高，但它与漏度之间的莱系影fll昱l甚微，故不必考虑温度与振动次 数的关系，与此同时，振动次散与’1 eg值之问几乎也没有直接的关 ● ， 系。 一 ． 温庹幻相关性 碱震橡胶的主要性能之·就是刚性及减震性能皇温度之问的依 存性越小越好，田为减震橡臆的使用温度范围很广，而这些特性的 变化又直接主宰减震橡胶的形状设计。图2 9介绍高性船减震橡胶 的川性与温度变化的关系．这些数据均将各温度时豹刚性 (E(T) 以3 0℃时的』缸=j性 [曰(30℃l】作标准值计算出隶的．、假如减震橡胶 的使用温度为 r～3 0 ～ 口℃ ， 那么高性能减震檬胶与以标 准天然橡胶为原料而制的减震橡胶 (低迟滞性 }相比几乎无差异。 ． ． ． ● ’， ： 4．高性能减震橡胶的蠕变特性 断 因减震橡胶长期支撵琏孳l物 所以署枣其压缔蠕变性不易过大。 减震橡胶的压缩濡变一般讲须注意建筑物的下沉．特别是不均等匈 下沉 与地基下沉妁情况相比减震椽膝的压缩蠕变量小于地基下沉 量．但这里有个重要的园京即便以百舞·比的形式表示压缩变形， 也 不能忽视减震橡胶内部产生很大的局部变形(拉伸变形 》这一点。 从初期沉降量(￡o) ．及此后随时问增长而增加幻沉降量《△E= 蠕变 》的和申便能求出减震橡腌在承受负荷时崛沉降量 (￡)．叠层 橡胶的压缩蠕变特性。它一旦眦蠕变量和时同时教来表示的话便成 特异的曲线形状( 初期呈起优不大S ：曲线， 腧一段对间后就成直线 ． ～ 3 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 状 }．因此，就施从直线的外推法来推断减震橡胶的长期蠕变量． 图3 0介绍了高性能减魔橡胶与标准型天然减震橡胶作比较后的蠕 变曲线，从图申可看出在初始阶段内商性能减震橡胶的蠕变量比标 准型天然减震橡胶大，坦一旦进入正常的直线范围高性能减震橡胶 的蠕变梯度比标准型减震橡胶的小。 0年后两者的蠕变量几乎无 差异。图3 J所示的是在图3 0的基础上施加蠕变 {AE)和 值后 全沉降量 f￡I的时间变化情 从图3 0和图3工可看出两者沉降 量相同．由此得出高性能减震橡胶不仅有 良好的高衰减性能，而且 也与标准型天然橡胶减震器一样具有低的蠕交性能． ． 高性能减震橡胶的微小变形特性 如j／节所述高性能减震橡腔是典型的力学非线性材料，特别 在小变形范围内这种现象尤为明显。在此我们将高性能减震橡胶处 于非常小的交形‘剪切变形D-J^一J o 96)条件_下观察其行为，图 3 2．图3 3分别 卜绍剪切变形在 D-J一一工 D％，j—J 0 96时高 性能减震橡胶的滞后曲线。从本质上讲两图的结果与图J ，j 相同．图3 3 介绍商性能减震橡胶在这些交形范围内莫刚性 和等效粘性衰减常数与剪切变形之间的曲线情况 随着变形的减小 其刚性反而增大，当剪切变形约在J％时它的刚性为最大，此时的 刚性约为J o o％变形时刚性的4倍。 另一方面剪切变形仅达几个百分比时．那么la eg值则大于Q．15， 即使变形为 J 5i；而11eg值仍能保持 J2。这点是与低变形范围内 只有弹性没有衰减效果的弹塑性缓冲器的最大差异所在。但是变形 一 旦低于J％，那么高性能减耀橡胶的n eg值也相对下降 由于高性能减震橡胶在小变形范围内具备特有功能，故它是保 护建筑 i不曼翟台风等影响的理想减震器。尽管风力比地震的威力 一 3 维普资讯 http://www.cqvip.com 小，但由于标准型减震橡胶支撑的建筑物受风的影响而摇摆，使人 处于晕船状态 然而高性能减震橡胶具有变形小 刚性大的峙点； ·。 所以它的衰减性能特别好．能抗风而不需要制滑器 。 另一方面．在微小变形时减震橡胶并不具备眈有城壤功能又能 ． 一 防止徽振动，就这一点对高性能减震橡胶出现了2种不同的看法。 一 种是大林组螗：包括3t 5H2和 3HZ在内的J HZ程度以 ⋯ 上的振动范围内．通过实验得出减篇效果令人满意，实验妁振动源 ． 为卡车振动，具体请看因3￡j． 礴 ! Hz地铁建筑物伶对象，根 据计算结果同样获得良静船碱篷故果 具体看图暑 ． 但是据鹿岛 。 建设的计算表踞：几乎没有戡震效果，翼体青图3≈：为此 鹿岛 建设和桥石公司共同研究丁标--怔,e-披震橡胶和商衰减减篷橡胶复合型 ． 的减震橡胶，具体结构如图 所示。复合减震橡胶在微小变形对 能显示低补强天然橡胶曲特0： 但随着变形妁增加僚垦乖出面惶能 减震橡胶的特性。也就是说鼠实验角度来讲：当高涎能减矮橡胶 。 干微小变开；时其 陛增大是 胡显曲 具体可参见冈 b a，10 ’。 。 _0 。 无论怎么说 高性能减琏橡胶到底能显示何释程度的防轻微舞 动的效果，这个问题还有侍 今后断评论。 。 。 商性能减震橡胶抗拙震的效果 ， 6，／ 抗大地震的教果 模拟 ) ．．． 如前所述。由于高性能减震橡胶其等效粘性衰碱常敛在 J疗以 § 上，所以很容易判断它具有良好的抗大地震的效果。 惑建设的研 究者{『j对应用高性能减震橡胶幻抗震建筑物输入如表J所示的套种 地震波，并取得一系列数据 但应指出他们用的等效粘性衰减常故 ⋯ 是D．J2，图 J、4 2分别表示由加速度产生的波谱及变位产生 的波谶 图 J所示的最大加速度实质上只是表工所示最大加速度 、 ，． 0 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 的 J／么 其次，建筑物的最大变位量大体正好在设计容许变位范围 内 (t 3 0 )图 2)． 表 J．各种地震波与它的最大加速度 地 震 菠 名 最大加速度 f go1， EL---CEI~TRO-wg ， 。再。J j 、 TAFT．露 4 9 7 ^ HACHI~OHF． 田S 3 3 0 。 1 THD~0--I 工 简S ． 3 人工地震鹱 J 3 综上所述。证实了高性能碱震橡胶在抗大地 上具有良好效果． 6．．2 抗小地震的效果 ． · 。 所有的减震器在设计上对大地震均具有良好的减麓效槊，但是， 小地震是否能发挥其作用则要依存于所使用的缓冲器。一般讲弹塑 性的缓冲器很难发挥它的械震效果 ，(前面已经说明过 )，而牯性缓 冲器与液压缓冲器就容易取得好舸减震效果；然而有关高性能减震 橡胶大林组已积累了宝贵的j弼斌数撬 大林组在清澈市 c东暴．●的实验楼是幢健用高性能减震橡胶的 建筑物，J口 年 月茨城县酉田部发生地震 (东 震度0 级 J 此时测得的结果如图 3所示．．．该图反映了当时地震时东西皮南北 方向加速度的时间变化，其结果是在_地表面及抗j睦建筑物—楼洲得 讯 从固 3可以看出，地表的最大加速度为j 暑gaL 而抗震建 筑物上的最大加速度为s～ g8 _I由此可知通过抗震结构器可使 地震能减3— 年倍左右． ■ ， 一 。 一 般讲4度震级的地震其地表面的最大加速度为Jl；6 0】0 o gal之闭．而这次测得的是J，gal的小地震抗震效果确布不错． 一 4 l 维普资讯 http://www.cqvip.com 这说明了高性能减震橡胶对轻微地震同样有用武之地 。 在藩性能贼爱橡胶中∞阻．尼机理 =7=／ 理想的棣腌弹性体 众所用知，从橡胶弹性 的相度娑。当糠最分子链耒囊影昕 它的熵处予最六 (能的最小吠悫 )破杰；但蟓胺一一经拉伸共蝻靶会 变小，而拖反面增大 圈 一呈清 其 暑又 复 秉腑茁 的状蕊 为此，一旦消除外力，经化学芡 点 幻椽肢分子镑 会恢复原 的结构和状悉，此时的垃力奄形曲线审负荷存在和不存 在负荷时的曲线完全重叠，具体见图 f a)，值得注意曲是要 上述理想的橡腔弹性理论戚：主，也就是说《 、≯ 托独立运动、 各个分子键之阁互不影响 鹰擦系数为零。 。2 纯桎肢交璇 ． 橡胶的交联是分子键之问范德瓦耳斯力，氩结合运动及分子建 能运动产生相 当姆两摩豫 (高枯着 )，为此，分于链 交织 凝聚 存在大量的 交璇点，一旦内交联橡胶施加外力 则根据外力的士 廿产生分子键的滑动及凝聚 分 出现分离等现象 结果准交 ：点 少 将消除负荷时的情况与麓加负荷时的情况作一比鞍，可以发理 这样一个问题，随着准交联席的减少其应力也相应降，氐，也就是谚： 由图 描述乌．应力变形曲线所呈现的滞后曲线，由滞后曲线所包 围的能在撼嵌 变 形时产生分子举接能．它作为．热能嵩敖于外界，l政 把标班减蔗橡胶的若干滞后能作上述的视理考为好． Z? 高性能减震橡胶 橡胶内一旦添加是要擘迪充剂，加之上述橡胶分子链本身的摩 擦，以及炭黑表面的棱胶吸附、炭黑之闷的连续相及不连续相的形 成，箕外表牯性系敬骤然增加 (公 式3．)． ． t 墨 2一 维普资讯 http://www.cqvip.com n= = (J+& +J ．J鲈 ) f31 式中丁b表示不含炭黑的外表粘性系数， 表示含炭黑量的百分比， 也就是讲向上述橡胶施加负荷，那么不仅产生上述分子链的澎移， 且出现缘胶分子链从炭黑表面脱茅一再吸附以及凝聚相的破坏和 再凝聚等现象，同时产生很六的摩擦能，这种现象用应力变形曲线 来分析，邓么当橡胶消除负荷时其应力降低很大，图 4‘。J表示 滞后能的曲线。 高性能减震掾胶具有良好的衰减能力，而且蠕变及性能与温度 的依存性极小．英原因是橡胶内添加了特殊的填充剂．由橡胶和特 种填充荆配合成的混垛腋，通过内部产生的摩擦．使混炼胶的一部 分力学能转挽成热能，此现象就是高性轻减震橡胶减震机理。 结 束 语 由于高性能减震橡胶具有节约成本，施工维修保养方便，对中 小地震也有减震作用，因此，目前众多灼建筑物均采用高性能减震 橡胶来减少自然灾害的影响． 高性能减震橡胶，曲另一种使用方法就是部分蠛震系纥 它不局 限于新建筑，也可用于旧建筑物，局部减震，各层地面减震及各种 机械设备的 震等等。 对高性能减震极胶而言，今后的开发课题是研究其复杂的弹簧 特性，衰减特性与建筑物在地震时的一系列相关理论，也就是软技 术。对目前的理论进行实际研究，无论是高性能减艟橡胶还是普遭 的其他结构的减震器，当前均缺乏实际的地震，要正确地评价 其减震效果，还有待于今后用众多的现j燹I结果来证实． 译自《日本 厶协会志》J989．№ ． f参考文献略 文中的图见原文 ， 4 旦 维普资讯 http://www.cqvip.com