隔震支座的選擇是隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的環(huán)節(jié),選擇什么樣的隔震支座,除了隔震結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)要求以外,隔震支座本身的參數(shù)也是重要的參考指標(biāo)。對(duì)于隔震支座的形狀系數(shù),您了解有多少呢?今天就跟大家一起了解一下這個(gè)參數(shù)。
1 隔震支座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的隔震支座全稱是疊層橡膠隔震支座,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1所示。通過(guò)名字和圖1可見(jiàn),隔震支座的截面是通過(guò)不同材料疊合而成的,通常就是一層鋼板一層橡膠疊合而成的復(fù)合材料。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)造成隔震支座力學(xué)特性上即可擁有橡膠大變形的特性,又可擁有鋼板承載力高的特性,是一種各向異性的結(jié)構(gòu)。
圖1 隔震支座內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖2 隔震支座截面幾何圖
由此而形成的隔震支座的參數(shù),大家也都非常熟悉了:軸向拉壓異性,剪切向二折線或Wen模型的雙向非線性模型。對(duì)于這些參數(shù),我們已經(jīng)在《隔震支座的這些力學(xué)特性您都掌握了嗎?》一文中進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。除此之外,隔震支座的形狀系數(shù)您一定也或多或少了解過(guò)。形狀系數(shù)的大小對(duì)隔震支座的影響怎么樣呢?
2 第一形狀系數(shù)
由于隔震支座是多層鋼板和多層橡膠片疊合而成,因此,單層的力學(xué)特性會(huì)影響整體的力學(xué)特性。第一形狀系數(shù)是控制每層橡膠的厚度的形狀系數(shù),為1層橡膠的約束面積與自由表面積之比。
其中:D為隔震支座的有效直徑;d為隔震支座的中孔直徑;tr為單層橡膠的厚度。
由圖3可見(jiàn),S1越大,相對(duì)直徑橡膠片的厚度就越薄,橡膠片的自由表面就越小,受到鋼板約束的橡膠
片占比就多。因此,隔震支座在受壓時(shí),橡膠中心部分為3軸受壓狀態(tài)的占比更多,橡膠片的彈性模量比橡膠本身的彈性模型大的多。所以,S1越大,隔震支座的受壓承載力越大,豎向剛度也就越大,可以保證隔震支座豎向承載力的穩(wěn)定性。
圖3 單層橡膠和鋼板疊合受壓
3 第二形狀系數(shù)
隔震結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)隔震層在地震作用下的大變形來(lái)延長(zhǎng)隔震結(jié)構(gòu)的周期,從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的,這就要求隔震支座在較大的水平變形和豎向壓力下保持本身的穩(wěn)定性而不發(fā)生壓屈的情況。第二形狀系數(shù)是控制橡膠支座穩(wěn)定性的形狀系數(shù),為多層橡膠直徑與橡膠各層總厚度之比。
其中:m為橡膠片層數(shù)。
由圖4可見(jiàn),S2越大,相對(duì)直徑多層橡膠越扁平,隔震支座越矮粗,彎曲變形占總變形的比例就越小,隔震支座越不容易壓屈;S2越小,隔震支座越細(xì)高,水平變形較大時(shí)穩(wěn)定性變差。同時(shí),多層橡膠受水平力時(shí),中間鋼板不能約束剪切變形,隔震支座的剪切變形為橡膠的剪切變形。因此,S2越大,隔震支座的水平剛度就越大,太大的水平剛度會(huì)限制隔震支座的水平變形能力,從而影響隔震層的變形。因此,S2的數(shù)值也不能太大。
圖4 隔震支座剪切變形
4 相關(guān)規(guī)范
在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)12.2.3條的條文說(shuō)明中,給出第一形狀系數(shù)和第二形狀系數(shù)的取值范圍,這一范圍被寫在《建筑隔震橡膠支座》(JG/T 118-2018)5.2條關(guān)于形狀系數(shù)的取值中。對(duì)于第二形狀系數(shù)對(duì)隔震支座軸向壓應(yīng)力限值的影響,在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)12.2.3條第3款中和《隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見(jiàn)稿)4.6.3條第3款中,均有體現(xiàn),“抗規(guī)”原文摘錄如下:
一道應(yīng)用題
根據(jù)上面對(duì)隔震支座的形狀系數(shù)的規(guī)定,請(qǐng)推算出有效直徑為1m的隔震支座的高度大概在什么范圍?解:根據(jù)第二形狀系數(shù)S2≥5和公式(2)可知:
根據(jù)“抗規(guī)”12.2.3條條文解釋,一般中間鋼板厚度是橡膠厚度的一半,因此
考慮到隔震支座在疊層板的上下還有較厚的法蘭板,因此,一般有效直徑為1m的隔震支座,高度在300mm以上。