叠层橡胶隔震支座的研制.pdf
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制品叠层橡胶隔震支座的研制收稿日期:
2000-04-05王东平张燕屈成军(西北橡胶塑料研究设计院陕西咸阳712023)摘要叠层橡胶隔震支座是新型建筑隔震元件。
研究了该支座的胶料配合、硫化工艺、结构设计及安装方法等。
通过国家权威试验室测定,其胶料性能及产品力学性能均满足设计要求。
关键词叠层橡胶支座隔震叠层橡胶隔震支座是一种新型、有效的建筑隔震元件,它从传统的“抗”震转变为“隔”震,本身就是现代建筑史的一次革命。
其特点是一方面具有一定的竖向刚度,能长期承受建筑物的自重;另一方面依赖橡胶的阻尼特性,在地震时能产生较大变形。
当突发性强震发生时,结构隔震体系进入消能状态,阻尼加大,延长建筑物的水平自振周期,从而有效地把地震活动隔开,使高层建筑的地震加速度反应明显降低。
1实验111原材料天然橡胶(NR),马来西亚1#烟片胶;橡胶助剂为常用市售国产材料;铅棒,纯度99199%,西安腾达五金厂;钢板(A3钢),市售工业产品。
112测试
(1)胶料性能测试依照国家有关标准进行。
(2)产品力学性能测试采用液压伺服系统及计算机数据采集与分析系统进行。
(3)产品力学性能主要参数计算式:
第1形状系数S1S1=D-DL4tr(1-1)其中:
D支座有效直径,mm;DL铅芯直径,mm;tr单层橡胶层厚度,mm。
第2条形状系数S2S2=Dntr(1-2)其中:
n橡胶层数竖向刚度kVkV=D4EcbS2(1-3)其中:
Ecb=EcEbEc+EbEc=3G(1+2S21)G标准剪切模量,MPa;Ec压缩弹性模量,MPa;Eb体积约束弹性模量,2100MPa1。
水平刚度khkh=D4GS2(1-4)等效阻尼比=Wc2khD2x(1-5)其中:
Wc支座压剪滞回曲线包络的面积,mm2;Dx支座上下板水平相对位移,mm。
2产品及性能211叠层橡胶隔震支座胶料的研制橡胶在隔震支座中的作用是吸收震源发出的振动能量,特别是阻止振动产生的共振效应所导致的同步振动。
其工作特点是:
(1)长期受到垂直负荷作用;
(2)要有良好的弹性恢复性能;(3)不直接接受阳光照射,环境温度-40+40;(4)长期受大气环境作用。
根据以上特点,要求橡胶材料具有强度高,伸长522000年王东平等叠层橡胶隔震支座的研制率大,弹性好,易粘着、蠕变小等特点。
经试验,确定的配方及物理机械性能如表1及表2所示。
表1叠层橡胶隔震支座胶料配方材料用量/质量份NR100ZnO/SA5/1防老剂3炭黑30促进剂211增塑剂4S015合计14516表2硫化胶物理机械性能项目实测国内企标日本指标邵尔A型硬度/度55505405-605拉伸强度/MPa25171317扯断伸长率/%556425500撕裂强度/(kN/m)48(直角)剥离强度/(kN/m)7167冲击弹性/%48压缩永久变形(7024h30%)/%233580168h热老化硬度变化/度+2-5+1010048h-5+10扯断伸长率变化率/%-81515拉伸强度变化率/%-81520510-740100h30%臭氧老化无龟裂无龟裂无龟裂硫化条件15015min从表2可以看出,硫化胶具有优异的耐热空气老化性能及良好的综合性能。
212硫化工艺研究叠层橡胶隔震支座属于钢板、橡胶复合而成的厚制品(如图1),因此它的硫化工艺在整个研制中显得尤为重要。
若工艺选择不当,就会造成制品硫化程度不均,橡胶层厚度不均匀等,从而造成支座失稳。
21211胶料的抗硫化返原性能众所周知,天然胶一般都存在硫化返原情况,这对叠层橡胶隔震支座这样的复合型厚制品来说极为不利。
因为该产品一般规格较大,层数多,结构复杂,需长时间硫化,出现硫化返原必然导致产品质量下降。
经反复调试配方,研制的胶料在硫变仪上分别进行了140和150下经3h的试验,其硫化曲线如图2。
图1叠层橡胶隔震支座剖面图图2胶料在140、150下的硫化曲线从图2可以看出,胶料在140、150经3h长时间测试,没有出现硫化返原现象。
压制的产品解剖后对各层橡胶片进行硬度测试,结果如表3。
证明了整个硫化过程胶料的内外各层的硬度基本上保持稳定。
表3支座在140硫化215h后各层硬度(邵尔A)内中外第1层485050484848505052第8层525250525252525250第12层485248485250524850第10层504848505050505052第17层484848485052525052注:
测试支座规格为400型,选取具有代表性的5层,并取每层从中孔到外圆分内、中、外3个点进行测量。
21212硫化工艺性能依照产品结构,硫化模具设计为“三开模半封闭立式”结构。
钢板经喷砂处理后涂胶粘剂再与橡胶62特种橡胶制品第21卷第3期贴合,组装入模一次成型。
该工艺半成品厚度要求均匀,硫化时逐步打压排气,使其均匀传热、传压,以确保各橡胶层经硫化后厚度保持一致。
其工艺流程如图3所示。
圆形胶片涂胶粘剂钢板组装入模模压硫化下模中孔灌铅测试装联接件涂保护层打印生产标志成品入库图3产品工艺流程213橡胶隔震支座力学性能21311形状系数从(1-1)式、(1-2)式可以看出,第1形状系数S1越大,则支座竖向刚度越大,承载力越大;第2形状系数S2越大,则支座成扁平,稳定性越好,根据目前的研究成果和应用经验,一般S115,3S261。
21312刚度和阻尼性能支座水平刚度kh和竖向刚度kV直接影响着橡胶支座的水平变形能力和竖向承载能力,因此kh、kV对支座来说是非常重要的力学参数。
图4为400型橡胶支座的竖向荷载与变形的关系;图5为压剪试验中水平力与水平变形的关系(其包络的面积反映支座在往复剪切作用下吸收能量的能力)。
图4支座PV-V曲线图5支座PH-H曲线支座的阻尼性能也是一个很重要的力学参数,叠层橡胶隔震支座一般与阻尼器并用。
在研制中,给支座中间灌入纯度为99199%的铅芯,作为铅芯阻尼器。
它一方面可以提高支座的吸能效果,确定有适度的刚度;另一方面可以增大支座的早期刚度,对建筑物微震和风反应有利2。
表4为各种规格叠层橡胶隔震支座力学性能。
214叠层橡胶隔震支座的耐久性我国现行结构设计标准中规定工业和民用建筑物的使用年限为50a,因此要求叠层橡胶隔震支座的使用寿命超过50a。
唐家祥2等人员在实地考查和耐久性研究发现,橡胶隔震支座劣化只涉及周边部分,中央仍保持基本健全的状态,蠕变、应力松驰现象并不严重,且逐渐达到一个稳定状态。
根据阿累尼乌斯的化学反应速度与温度的关系推算,在80热空气老化50d,相当于20的环境下使用80a3,证明橡胶夹层老化不会给叠层橡胶支座的耐久性构成威胁。
表4各种规格叠层橡胶隔震支座力学性能项目单位200250400500600S1121517192012231930S23184184145135设计承载力/kN500723200031404000设计水平位移/mm42547699200最大水平位移/mm105135190248500极限水平位移/mm147189266347700竖向刚度/(kN/mm)35264414922148151390水平刚度/(kN/mm)0148015311063112810192等效阻尼比/%0116701167011670116701167722000年王东平等叠层橡胶隔震支座的研制3结论
(1)研制的胶料及产品经国家橡胶密封制品监督检验中心及华中理工大学结构试验中心测试,均满足设计要求;
(2)支座产品在省市抗震办公室的组织安排下已在咸阳试点工程上试用,得到用户肯定。
致谢本研制得到陕西省抗震抗震办公室、西安建筑科技大学、咸阳市抗震办等单位的大力协助,在此一并表示感谢。
引用文献1周福霖1工程结构减震控制1北京:
地震出版社,19971661152唐家祥1建筑结构基础隔震1武汉:
华中理工大学出版社,1993152193许斌,唐家祥1基础隔震叠层橡胶支座耐久性研究1工程抗震,1995,(4):
4144DevelopmentonLayer2and2LayerQuakeInsulationRubberPillarWangDongpingZhangYanQuChenjun(NorthwestRubber&PlasticResearchDesignAcademyXianyang712023)AbstractThelayer2and2layerquakeinsulationrubberpillarwasanewtypeofconstructionquakeinsulationcomponent.Jhematerialcompounding、vulcanizingtechnology、structuredesignandinstallationalmethodswereallresearched,andthephysicalpropertiesofcompoundandproductscouldallmeetdesignrequirementbymeasuringintheauthoritativetestoffice.Keywordslauer2and2layerrubberpillarquakeinsulation国内消息苏州将成为国内最大炭黑生产基地苏州炭黑厂生产的金鸡牌碳黑在国内享有很高声誉,但缺乏扩大再生产的资金,最近得到上海宝钢6000万元的投资,控股集团公司投入资金4000万元,联合成立了苏州宝化炭黑有限于公司,首期工程已建成年产4万吨新工艺炭黑生产线,二期工程后产量翻番,连同炭黑厂的年产1.5万吨生产装置,苏州将成为国内最大的炭黑生产基地。
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