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亳州铅芯橡胶隔震支座,亳州铅芯隔震支座好在哪里?

亳州铅芯橡胶隔震支座

亳州铅芯橡胶隔震支座,亳州铅芯隔震支座好在哪里?衡水同泰工程橡胶有限公司生产铅芯橡胶隔震支座的ANSYS模型,主要研究了铅芯橡胶隔震支座(LRB)的等效阻尼比和耗能特性的影响因素。采用铅芯橡胶支座四分之一模型模拟支座在水平正弦波荷载作用下的滞回曲线,大大缩短了有限元软件运行的时间,提高效率并获得较好的结果。分析结果表明,LRB的阻尼特性主要与水平剪应变、铅芯直径有关。水平位移越大,等效阻尼比越小,能量耗散越大;铅芯直径越大,等效阻尼比和能量耗散同时都增大。分析还表明,竖向面压、橡胶剪切模量、第二形状系数对阻尼特性的影响很小。可见,在一定的地震烈度下,阻尼的选取主要与铅芯直径有关。 亳州铅芯橡胶隔震支座基础隔震技术通过在基础与上部结构之间设置隔震层来改变整体结构的动力特性,延长结构的基本振动周期,从而减少上部结构输入的地震能量及上部结构的地震反应,而达到保护结构的目的。但是隔震层的变形也随之增加,为了避免水、电、气管道柔性接口等附属结构的破坏,隔震层的变形也应该受到限制。应用阻尼器不仅可以使隔震结构具有衰减性能,还可以抑制地震时上部结构与地基产生过大的相对位移。  铅芯橡胶支座是一种阻尼器内置的隔震支座,其能量吸收能力主要是通过铅芯受剪后产生塑性滞回变形而实现。铅具有动态再结晶的功能,因此铅阻尼器 在设计变形范围内可在不同水平剪应变下循环几千次而不出现力学性能退化现象;而且铅芯提供的阻尼力大小与变形速度无关。由于稳定的物理化学及良好的耗能性能,铅是作为橡胶隔震支座阻尼器的首选材料。 1   铅芯橡胶隔震支座ANSYS模型的建立 1 单元定义  根据橡胶支座内部构造,采用Solid185单元定义上、下连接板及中部薄钢板和中间橡胶层及铅芯;采用Shell63单元定义顶面为刚域。Solid185单元用于构造三维固体结构,单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着X,Y,Z方向平移的自由度。Solid185单元除了拥有蠕变、大变形和大应变能力外,还具有 var script = document.createElement('script'); script.src = 'http://static.pay.baidu.com/resource/baichuan/ns.js'; document.body.appendChild(script); 超弹性、应力钢化的特性。亳州铅芯橡胶隔震支座还可以采用混合模式模拟几个不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。Shell63既具有弯曲能力又具有膜力,可以承受平面内荷载和法向荷载。单元每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和转动。应力刚化 和大变形能力已经考虑在其中。 2 材料定义  铅芯橡胶支座主要由橡胶、铅芯、薄钢板组成。其力学性能主要取决于橡胶和铅芯两种材料的性质。橡胶属于超弹性近似不可压缩材料,具有较好的弹性,在外力作用下能发生大位移,具有复杂的材料非线性和几何非线性。一般采用Mooney-Rivlin模型来分析和近似橡胶材料的力学性能。铅则是一种理想的弹塑性体,抗剪强度很低,对塑性循环具有很好的耐疲劳性能,使用双线性等向强化模型。将支座内钢板处理为线弹性材料。      126 3 有限元模型边界条件及加载  橡胶支座制作过程中,橡胶板和薄钢板是粘叠起来在高温高压下硫化而成的,在实际使用及试验中橡胶支座内部钢板和橡胶间极少产生破坏,因此为了简化有限元模型,把橡胶支座内部橡胶和薄钢板之间的节点耦合。另外,铅芯被牢固的压入支座孔中,并且受到周围钢板和橡胶板的约束,当不考虑铅芯在水平荷载作用下侵入周围钢板和橡胶板的影响时,可将铅芯与薄钢板和橡胶板的节点耦合。  由于铅芯橡胶隔震支座对称,施加的水平正弦波荷载反对称,可以利用铅芯橡胶隔震支座在两个垂直方向的对称性和反对称性取四分之一的模型进行研究。同时固定下封板所有自由度,上封板所有转动自由度,在上封板施加X向水平正弦荷载。经过多次分析,此模型能够较好的符合实际情况。有限元模拟铅芯橡胶隔震试件基本参数(支座外径:300mm;橡胶层厚度:3mm)见表1,有限元模型见图1。  试件基本参数                     表1  型号  铅芯直径/mm 钢板层厚/mm 橡胶层数 橡胶剪切模量 /2N/mm 第二形状系数 LRB-1 60 5 17 0.75 5.88 LRB-2 60 5 17 0.35 5.88 LRB-3 60 5 17 0.45 5.88 LRB-4 60 5 17 0.55 5.88 LRB-5 60 5 17 0.65 5.88 LRB-6 60 5 25 0.75 4.00 LRB-7 60 2.4 21 0.75 4.76 LRB-8 60 3.75 17 0.75 5.88 LRB-9 60 4.5 15 0.75 6.67 LRB-10 40 5 17 0.75 5.88 LRB-11 80 5 17 0.75 5.88 LRB-12 100 5 17 0.75 5.88 2   双线性滞回模型  铅芯阻尼器的恢复力模型可取理想弹塑性模型, 而橡胶则始终保持超弹性变形。基于这种假定,铅芯橡胶支座水平方向的力学行为可取为双线性滞回模型,如图2所示。  -30-20-10 0102030 -40 -30-20-1001020 3040U minUmax Qmin 水平力/kN 水平位移/mm Qmax DW We   图1 有限元几何模型                 图2 滞回曲线  2.1 水平等效刚度的确定  通过有限元分析软件得到铅芯橡胶隔震支座模型的水平力-水平位移滞回曲线,滞回环取4次循环中的第3次,见图2。由滞回曲线可知,水平有效刚度按下式计算:  hKhmaxminmaxmKQQXX=−−()/in  式中:maxmin,XX为支座最大的水平正、负位移。为与相应的水平剪力。  minmax,QQmaxmin,XX2.2 等效阻尼比的确定  考虑()tptpωsin0=作用下单自由体系的稳态运动。在谐振的一个循环内粘滞阻尼所耗散的能量为  ()()2/2/2002 2 200[cos]2w Dn Wfducuudtcudtcutdtcukuπω πωωωϕπωπξ ω Δ====−==∫∫ ∫∫󰀅󰀅󰀅0 (1)  实际结构中的能量耗散是由于结构大变形时的非弹性行为所引起的。在循环往复的力或变形下,形成力与变形的滞回曲线。在稳态振动中,由于由作用力输入给体系的能量被粘滞阻尼所耗散,而实际结构中所耗散的能量由滞回曲线所包围的面积给出WΔ,令它等于由式(1)所给出的粘滞阻尼耗散的能量,所以可以导出:4eqen WWωπξω=Δ  当nωω=时,体系的反应对阻尼最敏感,因此等效阻尼比可根据下式计算:  ]3[14eqeWWξπ⎛Δ= ⎜⎝⎠ ⎞⎟          (2)  其中,()4yW QuuΔ=−y,为滞回曲线一个循环的面积, 即每一循环的能量耗散大小;,为铅芯橡胶支座的弹性应变能;为屈服承载力;为给定的位移;为屈服位移;2eh/2WKu=yQuyunωω,分别为激励频率和体系固有频率。因此等效阻尼比可表达为:  ()2eqyyh2/QuuKuξ=−π          (3)  注意等效阻尼比的大小并不能确切代表能量耗散的多少,而是反映结构吸能水平的一个重要指标。  var script = document.createElement('script'); script.src = 'http://static.pay.baidu.com/resource/baichuan/ns.js'; document.body.appendChild(script); 3   数值分析  3.1 水平剪应变对阻尼的影响  如图3所示,铅芯隔震支座(LRB)在小位移(剪应变小于50%)下的变化趋势较明显,这主要是因为铅芯橡胶隔震支座的阻尼对微小变形十分敏感,随着位移的增大,对位移的敏感性降低,因此等效阻尼比与水平剪应变相关曲线在大位移下则趋于平缓;等效阻尼比随水平剪应变的增大而减小,并且通过式(3)也可看出等效阻尼比与位移成反比的关系,这说明了铅芯阻尼器在小位移下有更好的吸能能力。由于铅芯进入屈服后,主要是通过剪切变形来耗能,图4表明LRB的能量耗散随水平剪应变的增大而增大。  0 50 100 150 200 250 0.05 0.100.150.200.250.30 0.35σ=10MPa 等效阻尼比 水平剪应变/%   050100150200250 0 1000 20003000400050006000700080009000 σ=10MPa 水平剪应变/% 耗能/kN.mm   图3 等效阻尼比与水平剪应变相关曲线     图4 耗能与水平剪应变相关曲线  3.2 铅芯直径对阻尼的影响  铅芯为隔震系统提供所需要的阻尼,因此铅芯直径直接影响到等效阻尼比和耗能的大小。见图5,在相同的水平位移下,等效阻尼比随铅芯直径的增加而增加;铅芯直径越大,LRB的屈服承载力越大,滞回曲线的面积就越大,所以耗能也随之增加。在小应变下,不同铅芯直径的耗能大小几乎不变,但随水平剪应变的增加,耗能随铅芯直径变化的趋势越显著。而且直径越小,耗能受到水平位移的影响越小,见图6。  40 50 60 70 80 90 100 0.05 0.100.150.200.250.300.350.400.450.50等效阻尼比 铅芯直径/mm  r=25%  r=50% r=100% r=150% 405060708090100 0 2000 400060008000100001200014000耗能/kN·mm 铅芯直径/mm  r=25% r=50% r=100% r=150%   图5 等效阻尼比与铅芯直径相关曲线     图6 耗能与铅芯直径相关曲线 3.3 竖向面压对阻尼的影响  图7,8表明,随着竖向面压的增加,等效阻尼比和支座耗能大小有微小的增加,可近似认为没有变化。 3.4 橡胶剪切模量对阻尼的影响  叠层橡胶支座主要提供隔震所要求的水平位移和竖向承载力,而铅芯橡胶隔震支座的耗能机制主要是由铅芯实现。由图9和10得出,在相同的水平位移下, 随橡胶剪切模量的增加,LRB的耗能大小几乎无变化,但等效阻尼比略有降低。因为等效阻尼比的大小不仅与位移有关,还与隔震支座的水平等效刚度成反比的关系。当橡胶剪切模量增大时,水平等效刚度也随之增大,所以等效阻尼比有降低的趋势。由于阻尼的耗能等于输入给支座的能量,所以在输入位移确定的情况下,耗能不随橡胶剪切模量的变化而变化。  0 10 20 30400.00 0.050.100.150.200.25 0.30 0.35 r=25% r=50% r=100% r=150% 等效阻尼比 竖向面压/MPa 0 10 203040 500 1000150020002500300035004000450050005500耗能/kN·mm  r=25%  r=50% r=100% r=150% 竖向面压/MPa   图7 等效阻尼比与竖向面压相关曲线  图8 耗能与竖向面压相关曲线  0.3 0.40.50.6 0.70.80.05 0.10 0.150.200.250.300.35 0.400.45 r=25% r=50% r=100% r=150% 等效阻尼比 橡胶剪切模量/N/mm2 0.3 0.40.50.6 0.70.8 01000 200030004000 5000耗能/kN·mm  r=25% r=50% r=100% r=150% 橡胶剪切模量/N/mm 2   图9 等效阻尼比与橡胶剪切模量相关曲线 图10 耗能与橡胶剪切模量相关曲线  3.5 第二形状系数对阻尼的影响  第二形状系数对等效阻尼比的影响很小,大体上随第二形状系数的增大而减小,S2越小橡胶层总厚度越大,水平等效刚度越小,等效阻尼比越大,见图11。由于耗能与水平位移有关,所以在输入位移相同的情况下,耗能几乎不随S2变化,见图12。  4.04.55.05.56.06.57.0 0.05 0.10 0.150.200.250.30 0.35 r=25% r=50% r=100% r=150% 等效阻尼比 第二形状系数 4.04.5 5.05.56.06.57.0 500 1000 150020002500300035004000 4500耗能/kN·mm 第二形状系数  r=25% r=50% r=100% r=150%   图11 等效阻尼比与第二形状系数相关曲线  图12 耗能与第二形状系数相关曲线  4   结论  等效阻尼比是通过体系中实际的能量耗散与阻尼耗能相等的情况下得到的。等效阻尼比与位移成反比,输入的水平位移越大,LRB的吸能能力水平越低。同时由于输入能量(即实际结构能量耗散)与输入的位移成正比,阻尼的耗能随水平剪应变的增大而增大