【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析

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【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图1

【写在文前】

隔震是指通过使用某种类型的支座来保护结构免受地震破坏性影响的概念,从而实现相对地面震动减小上部结构运动,这一概念在近几个世纪的工程设计中得到广泛的应用。隔震结构的设计目的在于将基础与上部结构“隔断”,通过在基础与上部结构间设置隔震支座,利用隔震支座自身特性减小地震对上部结构的作用,并且隔震支座可有效调节结构自振周期,避开地震地面运动的主频带范围,减小共振效应,避免上部结构发生破坏。

【JY】结构概念设计之(隔震概念设计)

通常我们所提及到的隔震支座类型有:

●橡胶系支座

天然橡胶支座(LNR)、

铅芯橡胶支座(LRB)、

高阻尼橡胶支座(HDR)

● 摩擦系支座

弹性滑板支座(ESB)、

摩擦摆隔震支座(FPS)

●其他

板式支座、盆式支座和弹簧隔震支座(SI)以及其他新型支座(如气压及液压隔震支座)。

【探讨主角】

为了避免许多 想当然的“概念” ,进行了对比讨论,给工程师在工程上可自行选用。今天我们探讨的主角是 橡胶系支座  摩擦系支座  的对比。
特别注意的是, 本文探讨的两类支座均为常见且合格产品的基本单元进行探讨 ,比如:多性态变形的橡胶支座、增设抗拉式摩擦摆等均不在讨论范围。

【组成与属性对比】

1

橡胶支座

●组成: 采用夹层钢板和橡胶叠合硫化而成 ,橡胶可采用人工合成橡胶(可参合添加剂改性)、或者天然橡胶等等。根据需要在中间开孔放置金属耗能件,常见的金属为铅、锡。根据工艺不同,还可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图2
●属性: 橡胶的密度约为 1.3g/cm3~1.6g/cm3 ,撕裂应力为 20Mpa~25Mpa 。(此处应力对比的是材料第一主应力,与整体支座的压应力、拉应力不同概念)。
不同橡胶具有不同的熔点,天然生胶的熔点在130~140°C时完全软化,200°C开始分解。
(注意:对于叠合层结构的叠层橡胶支座,考虑橡胶材料的熔点意义不大,应考虑整体橡胶支座的熔程!)

【JY】橡胶支座精细化模拟与有限元分析注意要点

【JY】橡胶支座的简述和其力学性能计算

【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图3

橡胶支座

2

摩擦摆支座

●组成: 主要包括上支座板、铰接滑块、(改性) 聚四氟乙烯板 、下支座板及限位装置等(支座出厂初始状态还有锁定销)。根据支座的工艺做法有Ia型、Ib型、Ⅱ型。
因此摩擦摆、弹(刚)性滑板支座,最主要的基本构造是: 滑块(可弹性/刚性)+聚四氟乙烯板+镜面摩擦面。
●属性: 聚四氟乙烯 -(CF2CF2-)n 正常工作温度250℃,熔点327°C,沸点为400°C,比热容约为:0.96×10^3~1.05×10^3 J·kg/K,极限应力在 60Mpa~65Mpa ,改性材料会更高。超过400°C后,热裂解速度增大,且产生有毒气体。
耐腐蚀 :对大多数化学药品和溶剂表现出惰性,能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。耐候性好,有塑料中最佳的老化寿命。 高润滑 :是固体材料中摩擦系数最低者。不黏附,是固体材料中表面张力最小者,不黏附任何物质。
但是也存在一些缺陷,聚四氟乙烯的线膨胀系数达1.13×10^-5~2.16x10^-5/°C,是不锈钢的10倍以上,故与不锈钢组合使用时, 容易发生变形,开裂等问题 。聚四氟乙烯的机械性能较低、硬度较小、回弹性差,成型时,收缩率高,二次加工难度大。很多学者根据相关缺陷做了许多的材性改进。
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【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图5

摩擦摆支座

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1——上下锚固装置、

2——上座板、

3——上滑动摩擦面、

4——球冠体、

5——下滑动摩擦面、

6——下座板

 

可看出从材料上的对比,虽然橡胶支座可以改进耗能材料(比如铅改成锡等),摩擦支座可以改进镜面摩擦板面,但本质上仍然是 高分子聚合物的性能对比 (橡胶VS聚四氟乙烯)。但特别注意的是铅对环境有污染,高阻尼橡胶支座和摩擦摆支座较符合低碳环保的生活。

【竖向压应力对比】

若单受压的极限破坏下, 普通橡胶支座通常极限面压在90Mpa~100Mpa ,而(通常受限于聚四氟乙烯板的极限压力性能) 摩擦摆支座通常极限面压在100Mpa~120Mpa
然而真实三向受力需要考虑 橡胶支座的压弯剪耦合,通过定剪切压缩试验表明,当水平剪切变形小100%时,橡胶隔震支座的极限压应力无明显降低。 当超过100%时,橡胶支座的极限面压会急剧下降。因此,通常橡胶支座的重力工况下的设计面压不大于支座破坏压应力的1/6,重力荷载代表值下设计面压为10~15Mpa。 而摩擦摆真实三向受力下,极限面压受水平变形较小的影 响。
因此通常设计下,同等量级的支座,摩擦系支座的设计竖向压力比橡胶系支座大。
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橡胶支座受压界限受力状态

【抗拉抗倾覆能力对比】

首先明确一点,通常的隔震建筑高宽比小于4,隔震支座在地震下很难很难受拉。抗拉装置几乎无用武之地,如果项目出现数值计算受拉超问题,需谨慎复核。毕竟受理论水平高低影响,工程师的数值分析不一定能正确的反演真实情况。

在没有任何附加抗拉装置的情况下:
普通的摩擦摆无任何抗拉抗倾覆能力,此处不讨论。
橡胶支座的 纯拉应力可达4~6Mpa,根据不同厂家具有不同的性能,且随着剪应变增大,极限拉应力减小。 限制橡胶支座极限受拉1Mpa的目的,是考虑拉剪共同耦合作用下支座的受拉极限破坏。
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300%剪应变的极限拉剪状态

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极限纯拉裂破坏

单个支座受到1Mpa时,支座受拉力有多大呢? 可见下表,1Mpa看似非常小,但是换成拉力是可以比较大的,所以不要小看这1Mpa的拉力,也需要工程师谨慎复核结构受拉超的问题。
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【水平位移对比】

在定压力下, 橡胶支座在剪应变250%以内的水平变形均可稳定呈现线性或双线性的状态。 一般在压剪试验中,剪切应变小于250%时,隔震支座的水平刚度基本平稳。随着剪切变形继续增大,剪切变形超过250%~300%之后,支座出现硬化现象,即水平刚度骤然上升,以及恢复鼓起的现象。
(特别注意,橡胶支座的S1>15时,橡胶支座的水平剪切力和竖向轴力可以几乎解耦!)
而在定压力下, 摩擦摆支座可以在限定范围内,可以有一个稳定双线性表现。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图12

橡胶支座硬化变形全过程

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橡胶支座极罕遇地震下变形全过程

【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图14

 定压力下未超过限位的摩擦摆支座变形

 

弹性滑板支座和摩擦摆支座的罕遇地震下, 设计的水平位移分别不大于其水平极限位移的0.75倍和0.85倍。常见摩擦摆产品的极限位移有200mm~900mm,也可以生产更大如1500mm以上等。
橡胶支座目前工艺能做到1500mm,大部分支座生产S2都控制为5,因此罕遇地震控制250%可换算位移为下表。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图15
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图16

位移谱分析

实际上,隔震效果在隔震周期和阻尼比确定下来后,位移随之基本可以确定了, 因此过大的位移显得毫无意义。
过小的位移需要考虑隔震屈服后周期对比非隔震结构的周期是否放大足够(建议放大2.5~4倍,否则几乎没有隔震效果!)
●PS:有人问非隔震结构周期已经很长了如4s、5s的高层结构,怎么办?!
隔震虽好,但不是万能的,这个情况建议选择其他减隔震措施更优!

【高速加载】

铅芯橡胶隔震支座在实时多次水平往复快速试验后,铅芯橡胶隔震支座竖向刚度基本一样,铅芯橡胶隔震支座实时多次往复变形对其竖向刚度基本没有影响。铅芯橡胶隔震支座在快速实时往复试验,铅芯屈服力会退化降低。但是震后, 隔震支座静置一段时间后(铅芯温度恢复到常温),其性能基本又恢复到原本的状态。
其他橡胶隔震(如:天然橡胶支座),则在往复试验中能保持稳定的力学性能状态。
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摩擦摆支座在高速往复滞回试验下,由于摩擦生热, 对于超大支座大面压下 ,聚四氟乙烯板会于镜面摩擦钢板产生大量热,而导致聚四氟乙烯板 融化 。对于改性耐高温聚四氟乙烯板、或增加散热剂可以改善这一特征。(大致通过热交换和比热容的概念进行计算:5000t竖向压力下,摩擦系数0.04,最大位移为300mm的高速移动,接触面必定超过250°C。)
并且摩擦摆支座在往复滞回试验下,会随着摩擦的进行, 聚四氟乙烯发生了严重的磨损,且磨耗后聚四氟乙烯的摩擦系数大幅增大 ,会影响了支座的耐久性。
因此根据AASHTO的规定,聚四氟乙烯必须保持50%可用厚度。当聚四氟乙烯的磨损率超过50%时,会破坏支座的支撑、隔震性能。 因此,每一次地震或振动启动,都是摩擦摆的损耗。
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【抗火耐高温能力】

橡胶支座是由橡胶薄层和薄钢板交替粘连而成的。
橡胶材料在热、氧等外界因素作用下,本身结构会发生变化,其结果是以下情况的叠合:
1、分子链降解、分子量下降,使材料发粘,发软;
2、分子链产生交联,使材料变硬、变脆;
3、分子结构上产生变化,在这个过程中橡胶分子链降解、交联结构改变,橡胶老化变质。
对于橡胶支座来说,热稳定性能很重要,其耐热性取决于热和氧化两者的综合效应。总体而言受热或老化支座刚度呈现下降趋势。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图19
值得关心的是虽然橡胶的温度到了200°C时,橡胶开始降解,同时发生软化并丧失绝大多数的抗拉能力。但是 橡胶导热性很差,而叠层橡胶支座外部温度传递到内部需要一定的时间,因此采用熔程更为贴切。
因此欲使得达到内部的橡胶达到200°C,外部的温度早已极高了。
日本相关研究机构将铅芯橡胶支座放入丙烷的加热炉中由火焰使其燃烧,试验体周围的温度为 500°C至700°C,火焰暴露时间为30分钟,将实验体从加热炉中取出,燃烧完成后的十分钟内进行抗压试验。
结果可确认,在达到设计荷载20吨的10倍200吨时,仍有抗压能力,因此,火焰暴露后的铅芯橡胶支座仍有足够的支承荷载的能力。 橡胶的损伤为自外表至保护层的5mm深处,说明橡胶的外表面有热阻断的性能。
橡胶支座是具有一定的耐火性,但耐火性能较弱。在实际工程中,应尽量避免支座直接燃烧。并尽可能在支座外部采用防火措施来保护橡胶支座。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图20
对于摩擦摆支座,钢材具有较高的熔点1535℃,由于支座构造,几乎不需要考虑钢板的高温受弯问题。因此大部分认为摩擦摆的耐火性能高于橡胶支座。
但是!但是!但是!!
钢材具有非常良好的导热性!且聚四氟乙烯板的正常工作温度250℃以下,熔点327°C,沸点为400°C!在火焰燃烧下,10~15分钟内很快达到250°C, 当超过250℃时,聚四氟乙烯板失去工作强度和刚度。在高温下,支座的上下盖板就像个锅炉,煮着聚四氟乙烯板。因此摩擦摆支座在高温下,瞬间失去隔震能力,轴向受力直接退化成钢对钢承载。因此,支座功能直接失效。

综上,橡胶支座和摩擦摆支座都不具有很好的抗火耐高温性能!切记都需要防火处理!

【支座计算稳定性】

当橡胶支座S1>15,S2>5时,基本水平和竖向解耦,屈服后水平刚度在地震下基本趋于理想的稳定状态,且大量试验已经证明橡胶支座属于位移型支座,与变形速度无关。
但是橡胶支座水平刚度虽然稳定,但是决定隔震动力性能的需要包含结构质量,才可得到整体隔震结构的周期。 这点会影响到什么呢?
例如结构周期需求为4s,由于结构太轻而勉强选择LRB200达到周期需求,这一定是不满足位移要求的,该支座在罕遇地震的最大变形限制250%只有100mm,远不足性能要求。 当结构非常轻,而隔震周期又需要比较长,此时选择橡胶支座是无法满足设计要求的。应更改其他支座,例如弹簧支座、摩擦摆支座。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图21
摩擦摆支座的摆动周期(类似铅芯橡胶支座屈服后周期),虽然与质量无关,仅仅与摆动半径有关,但是 摩擦摆的摩阻力(类似铅芯橡胶支座的屈服力)和竖向轴力、变形速度相关,这就导致了摩擦摆支座是高度非线性支座,动力稳定性能比较复杂。

两类支座,实际工作下橡胶隔震支座更容易进行动力描述,而且与实际情况更容易吻合。如下分析,铅芯橡胶支座(蓝色)和摩擦摆支座(红色)进行0.6g输入,考虑竖向耦合时,铅芯橡胶支座更为稳定。

【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图22

仅考虑水平输入 

【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图23

考虑1:0.65水平和竖向耦合输入


【老化性】

摩擦摆支座几乎没有老化问题 ,仅需要考虑金属构件的防腐防锈蚀问题即可,而聚四氟乙烯板板具有非常好的耐老化性能。
【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图24
橡胶支座的老化问题是很多人比较关心的问题。先给结论: 以目前的工艺条件,无需担心隔震支座老化问题。
橡胶老化主要是长期与复杂恶劣环境以及空气的接触导致,而 橡胶支座外部会有类似混凝土保护层厚度的一层橡胶包裹,这层橡胶的作用主要是为了保护支座缓解老化。
从外部到内部的老化过程中,随着受腐蚀保护层橡胶深度越深,老化时长越长,而且支座各个性能指标都有微小的变化, 通常的趋势是老化前后刚度变化趋势相近呈递减,而其等效阻尼比、屈服力呈递增趋势。
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【 自复位能力】

讨论范围内复位能力最好的自复位产品应属于 无铅芯的天然橡胶支座,是否可以复位不是靠想象,而是其滞回性能决定! 弹性平板摩擦支座无自复位功能。

铅芯橡胶支座,最终产生的残余变形为铅芯塑性变形的屈服力和支座橡胶弹性恢复力平衡的残余变形。

摩擦摆支座,最终产生的残余变形为摩擦面产生的摩阻力和曲面上重力分量平衡的残余变形!

 因此,决定支座的极限最大残余位移的是 屈服力/摩阻力,以及 屈服后刚度(橡胶层、摩擦摆曲面),因此同参数下,理论残余变形一致。

【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图26
 因此,建议!建议!建议!!

建议通过隔震层 屈服力/摩阻力 和 屈服后刚度 进行计算极限最大残余位移,来限制隔震结构的残余位移!而不是通过1.2倍罕遇地震下最大位移对应恢复力来确定。毕竟我们并不知下一次地震来的是多大的地震。

 而实际上,在震害中很难达到极限最大残余位移,由于地震幅值变化特性,会将支座残余变形震小,通常会小于极限最大残余变形的一半。

 在Peer网上随机下载100条各式各样的地震波,进行计算分析。隔震周期为3.14s,屈重比/摩擦系数为0.04时,滞回曲线上极限最大残余位移为98mm,而实际上大部分都小于25mm。即便考虑实际情况,支座超小变形未启动的情况,那么大部分变形也未超过35mm。

 注意:本计算不考虑两类支座硬化损伤等问题,均以支座质量过检,正常工作的情况! 

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220Gal输入的情况

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 400Gal输入的情况 

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【JY】橡胶系支座/摩擦系支座全面解析的图32

610Gal输入的情况

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结论

芯橡胶支座和摩擦摆支座作为橡胶系支座和摩擦系支座的代表性支座, 各有优缺点,目前橡胶支座的试验相对比较齐全,而摩擦摆支座还有部分试验需要探索研究 。工程师可根据概念和比较在工程应用上定性选用。
竖向压力下 ,摩擦摆支座可承受比同体量的铅芯橡胶支座更大的压应力,但同时带来的问题是摩擦面的 磨损 ,以及大压力下的 散热问题
抗拉抗倾覆下 ,摩擦摆支座无任何抗拉能力,铅芯橡胶支座仅有1Mpa抗拉能力。
(PS:市面上,目前有对常规摩擦摆进行改进成抗拉型摩擦摆支座,也有橡胶支座增设抗拉装置,且不说除了数值计算的乱象,实际问题很难遇到抗拉问题。抗拉型摩擦型支座仍存在 运动流畅性问题 。)
水平位移问题 ,橡胶支座的水平大位移下会产生硬化问题。因此,在高烈度下选用LRB300或者更小支座时,需要谨慎复核。而摩擦摆支座在定压力下的限定位移内,水平滞回性能较为稳定。
抗火耐高温问题 ,橡胶和聚四氟乙烯板都是可燃有机材料,都不具有很好的抗火能力,且橡胶有较好的阻热性,可保证橡胶在0.5h燃烧下毫无性能下降。二者均需要做防火措施!
老化问题 ,摩擦摆支座无任何老化问题,橡胶支座的老化问题已通过保护层解决,基本可不考虑橡胶支座的老化问题。
(PS:橡胶的老化问题,可以参考混凝土保护层中,考虑钢筋的锈蚀问题。)
自复位问题 ,铅芯橡胶支座和摩擦摆支座的试验/理论滞回模型相近,因此都会存在残余位移。
在碳中和背景下,稳定版高阻尼橡胶支座和增强版摩擦摆支座还是值得深入研究探索的。

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