叠层橡胶隔震支座的研制
2000年 王东平等 叠层橡胶隔震支座的研制 25
制 品
叠层橡胶隔震支座的研制
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, 尼加大, 延长建筑物的水平自振周期, 地震活动隔开, 降低。
第2条形状系数S 2 S 2=
nt r
(1-2)
其中:n ———橡胶层数
k =2:=
E c +E b
2
(1-3)
E c =3G (1+2S 1)
G —标准剪切模量,MPa ;
E c —压缩弹性模量,MPa ;
E b —体积约束弹性模量,2100MPa [1]。
1 实验
111 原材料
水平刚度k h k h =G S 2
4ζ =等效阻尼比ζ
πk h D 2x 2
(1-4) (1-5)
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(A 3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
其中:W c —支座压剪滞回曲线包络的面积,
mm 2;
D x —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
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S 1 S 1=
4t r
其中:D ———支座有效直径,mm ;
D L ———铅芯直径,mm ;
t r ———单层橡胶层厚度,mm 。
橡胶在隔震支座中的作用是吸收震源发出的振
(1-1)
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。
收稿日期:2000-04-05
根据以上特点, 要求橡胶材料具有强度高, 伸长
特种橡胶制品 第21卷 第3期26
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
NR ZnO/SA
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
。
用量/质量份
1005/[**************]6
防老剂炭黑促进剂增塑剂
S
合计
图1
叠层橡胶隔震支座剖面图
表2 硫化胶物理机械性能
项 目
邵尔A 型硬度/度拉伸强度/MPa 扯断伸长率/%撕裂强度/(kN/m ) 剥离强度/(kN/m ) 冲击弹性/%
压缩永久变形(70℃×24h ×30%) /%80℃×168h 热老化硬度变化/度扯断伸长率变化率/%拉伸强度变化率/%
5×10-7×40℃×100h ×30%臭氧老化
实测
552555648(直角) 71648国内企标
50±5
日本指标
40±5-60±5
≥1713≥425
≥17≥500
≥7
2-8-8
-5～+10
100℃×48h
-5～+10
图2 胶料在140℃、150℃下的硫化曲线
±15±15无龟裂
≤15≤20无龟裂
无龟裂
硫化条件150℃×15min
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。
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
表3 支座在140℃硫化215h 后各层硬度(邵尔A )
内
第1层第8层第12层第10层第17层
4852485048
5052524848
5050484848
4852485048
中
4852525050
4852505052
5052525052
外
5052485050
5250505252
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
注:测试支座规格为Φ400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。
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
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
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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 →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
S 1越大, 则支座竖向刚度越大, 承载力越大; 第2形
状系数S 2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S 1≥15,3≤S 2≤6[1]。
21312 刚度和阻尼性能
支座水平刚度k h 和竖向刚度k V 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k h 、k V 对支座来说是非常重要的力学参数。图4为Φ400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3 产品工艺流程
213 橡胶隔震支座力学性能
21311 形状系数
(1-2) 式可以看出, 第1形状系数从(1-1) 式、
图4 支座P V -ΔV 曲线 图5 支座P H -ΔH 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
80℃热空气老化50d , 相当于20℃的环境下使用80a [3], 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
S 1S 2
Φ200
[***********][1**********]7
Φ250
[***********][1**********]7
Φ400
[***********][**************]
Φ500
[***********][**************]67
Φ600
[***********][1**********]
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
设计承载力/kN 设计水平位移/mm 最大水平位移/mm 极限水平位移/mm 竖向刚度/(kN/mm ) 水平刚度/(kN/mm ) 等效阻尼比/%
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3 结论
(1) 研制的胶料及产品经国家橡胶密封制品监
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,
1997166～115
2 唐家祥1建筑结构基础隔震1武汉:华中理工大学出版
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
社,199315～219
3 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) :41～44
Development on Layer 2and 2Layer Q u ake
Insulation Rubber Pillar
W ang Dongpi ng Zhang Y an Q u Chenj un
(Northwest Rubber &Plastic Research Design Academy Xianyang 712023)
Abstract The layer 2and 2layer quake insulation rubber pillar was a new type of construction quake component. J he material compounding 、vulcanizing technology 、structure design and installational all , physical properties of compound and products could all meet design requirement by measuring in K eyw ords lauer 2and 2layer rubber pillar quake insulation
国内消息
汽车用橡胶制品专用炭黑
用传统技术生产的炭黑不能满足不同胶料、不
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。(本刊摘编)
同类别的汽车橡胶制品的性能要求、中橡集团炭黑工业研究设计院承担了首条汽车橡胶制品专用炭黑生产线项目, 历时2年多, 完成了该项目的前期准备工作, 预计2000年将陆续生产出可与国外同类产品相媲美的QZ -1、QZ -2、QZ -3、QZ -4的4个品
(本刊摘编) 种的汽车橡胶制品的专用炭黑。
LL Y-R1140×1360×2型液压轮
新型轮胎耐久性试验机投入使用
一台由“四连机构及机械加载系统”组成的新型
轮胎耐久性试验机已在山东文登轮胎厂投入使用。设机由汕头橡塑机械研究所研制而成。由于其试验台架移动阻力极小, 使加载精度大为提高, 采用变频调整装置后, 使运转速度几乎不变、加载量误差值及大转鼓动量等3项指标值优于规定指标值, 并可用
(本刊摘编) 于载重轮胎和摩托车轮胎的试验。
胎定型硫化机
上海轮胎橡胶机械模具有限公司生产的LL Y
-R1140×1360×2型液压轮胎定型硫化机主要用于子午线轮胎硫化, 也适用于斜交胎硫化, 可采用活络模、也可用两半模。该机具有运转平稳快速、中心机构对中准确、模压均匀、温度分布均匀、能耗小、效率高、控制系统可靠、胶囊使用寿命长、更换方便、迅
(本刊摘编) 速等特点。