黃山，戴納新，付聰，鄭國堔

（1 南華大學 土木工程學院，湖南衡陽 421001；2 南華大學長三角（諸暨）研究院，浙江紹興 311800；3 福建江夏學院工程學院，福建福州 350108）

0 引言

2011 年東日本大地震發(fā)生后，日本隔震協(xié)會(JSSI)發(fā)現有15%的隔震建筑的隔震支座發(fā)生了一定程度的損壞，有5 棟建筑的鉛芯橡膠隔震支座甚至出現了裂縫[1]。部分隔震層甚至還出現了伸縮接頭破壞及阻尼裝置的損壞(包含疲勞裂縫)問題[2]。因此，有必要對隔震支座的極限性能展開研究。

天然橡膠隔震支座是當前應用最為廣泛的支座類型之一。其所需材料主要為鋼材及橡膠，橡膠更是隔震支座的主要組成材料，因此對橡膠材料力學性能進行研究具有重要的現實意義。在隔震支座中，天然橡膠的主要受力形式是壓剪，對隔震支座的壓剪試驗已有充分的研究[3-5]，但是對橡膠材料的力學試驗研究主要集中于單軸拉伸試驗、平面拉伸試驗、等雙軸拉伸試驗及簡單剪切試驗[6]，豎向壓應力與水平向剪應力同時作用的研究還較少。因此本文基于天然橡膠的簡單剪切試驗，設計了一種天然橡膠的壓剪試樣，依靠高強螺栓的預拉力為天然橡膠提供壓應力，萬能試驗機提供剪切力，符合天然橡膠隔震支座中橡膠層的邊界條件及受力情況，有助于研究隔震支座中橡膠層的力學性能，為隔震支座的研究提供參考。

1 試樣的制作與試驗設計

1.1 試樣制作

選擇由云南震安減震科技股份有限公司提供的三塊簡單剪切試樣進行壓剪試驗，橡膠材料硬度為42HA，鋼板與橡膠板硫化在一起，形成對稱雙夾層結構。

在簡單剪切試驗試樣的基礎上，外部用兩塊鋼板包圍，再用高強螺栓固定，為橡膠板提供壓應力，用萬能試驗機為橡膠板提供剪應力，橡膠層與鋼板層連接采用與隔震支座相同的方法處理，將二者硫化到一起，可以得到近似橡膠在隔震支座中的力-位移曲線，并可進一步研究壓應力對橡膠剪切模量的影響。試樣如圖1 所示。

圖1 天然橡膠壓剪試驗試樣尺寸及實物圖

高強螺栓選用M12，8.8 級4 根，每兩塊橡膠板與鋼板的接觸面積為25×25=625mm2，目標壓 應力取值7MPa、10MPa，則高強螺栓的預拉力共為8750N、12500N，平均每根高強螺栓的預拉力約為2188N、3125N，使用可顯式扭矩的扭矩扳手將高強螺栓擰緊到合適值。對其進行壓剪試驗，得出壓應力對橡膠剪切模量的影響，其中10MPa 壓應力對應所需的總預拉力為12500N，每根高強螺栓的預拉力為3125N，將其換算為扭矩，根據扭矩換算公式：

式中：T 為扭矩，N·m；k 為扭矩系數，根據機械手冊取k=0.2；d 為螺栓公稱直徑，m；F 為目標預拉力，N。

根據所需7MPa 及10MPa 取扭矩值分別為5N·m 及7.5N·m。

1.2 試驗方案

壓剪試驗與簡單剪切試驗所用設備相同，使用萬能試驗機拉伸試樣，借鑒規(guī)范[7]對簡單剪切試驗的要求進行壓剪試驗，試驗方案如表1 所示。

表1 橡膠壓剪試驗方案

扯斷試驗則對A1、A2、A3 三個試樣進行拉伸扯斷試驗，加載速率為500mm/min。

壓剪試驗拉伸裝置為電子萬能試驗機CMT-6503，如圖2 所示，量程5kN，準確度等級1 級，采用接觸式應變測量方法。試驗在云南震安減震科技股份有限公司物理實驗室恒溫實驗室進行，溫度恒定在25℃。扯斷試驗所用實驗儀器為CMT-4104，最大力為10kN，準確度等級為0.5 級，于云南震安減震科技股份有限公司力學實驗室完成。

圖2 壓剪試驗圖

2 試驗結果與分析

2.1 壓剪試驗

天然橡膠的壓剪試驗如圖2 所示，不同速度下的試驗結果如圖3—圖5 所示。

圖3 A1、A2、A3剪應變100%不同速度下滯回曲線

圖4 A1、A2、A3剪應變200%不同速度下滯回曲線

圖5 A1、A2、A3剪應變300%不同速度下滯回曲線

通過試驗結果可以發(fā)現，拉伸速度對橡膠板滯回曲線影響不大，但過高的速度會產生一定慣性，使得拉伸位移超過目標值，如圖6—圖8 所示。

圖6 50mm/min下剪應變100%滯回曲線

圖7 50mm/min下剪應變200%滯回曲線

圖8 50mm/min下剪應變300%滯回曲線

對比無壓應力作用、純剪切的試驗可以發(fā)現，施加正向壓應力后，隨著壓應力的增加，橡膠板的“滯回環(huán)”逐漸增大，橡膠板的耗能能力增強。同時，橡膠板的最大剪力值也不斷增大，且隨著剪應變的增加，壓應力對橡膠板的影響逐漸減小。在無壓應力作用下，剪應變?yōu)?00%以下時，橡膠板基本表現為彈性，與之對應的有壓力作用下的橡膠板則表現出非線性，且隨著剪應變的增大，非線性也逐漸增強。由上圖可以發(fā)現，拉伸方向的剪力最值大于壓縮方向的剪力最值，這是由于壓縮方向隨著位移的不斷增加，逐漸出現失穩(wěn)現象，使橡膠的受力無法達到最大值。

由于加載速率與橡膠的剪切模量相關性較低，對各速度產生的剪切模量取平均值，則橡膠的剪切模量如圖9 所示。隨著正向壓應力的增加，橡膠板的剪切模量逐漸增加；隨著剪應變的增加，剪切模量逐漸降低。正向壓應力可以使橡膠板由于泊松效應產生橫向變形，進而產生額外摩擦力，使單位位移的所需剪力增大；剪應變的不斷增加可以使橡膠板出現軟化效應，使橡膠板變軟導致單位位移所需剪力減小。

圖9 不同扭矩下橡膠試樣的剪切模量

2.2 扯斷試驗

由圖10 可知，試樣A1 的極限剪力為4473N，極限變形為76.8mm，對應的剪應變?yōu)?68%；試樣A2 的極限剪力為6202N，極限變形為71.5mm，對應的剪應變?yōu)?15%；試樣A3 的極限剪力為7269N，極限變形為65.1mm，對應的剪應變?yōu)?51%。試樣A1—A3 正向壓應力逐漸增大，隨著正向壓應力的增加，橡膠板的極限抗剪強度得到提高，但極限變形能力下降。在對橡膠板施加壓應力時，橡膠板便發(fā)生一定程度的豎向變形，由于橡膠幾乎為不可壓縮材料，則在水平向，橡膠也產生部分變形，消耗了部分變形能力；橡膠的橫向變形也會使其與鋼板層產生一定接觸，在豎向壓力的作用下產生一定大小的摩擦力，導致達到極限抗剪強度時的剪力增大。

圖10 扯斷試驗結果

試驗后的斷面圖如圖11 所示。由圖可知，橡膠層的斷裂發(fā)生在接近鋼板層的位置，在一側橡膠發(fā)生撕裂破壞后，由于受力情況變?yōu)閮H對一側橡膠板受力，則該側的橡膠板與鋼板層硫化處破壞，橡膠層與鋼板層徹底分離。四個試樣的扯斷破壞均為橡膠板的撕裂導致。

圖11 試樣扯斷斷面圖

3 結論

本文通過對天然橡膠進行壓剪試驗及壓剪扯斷試驗，對天然橡膠進行了力學性能研究，得到以下結論：

（1）隨著壓應力的增加，橡膠板的“滯回圈”逐漸增大，橡膠板的耗能能力增強，最大剪力值也不斷增大，剪切模量逐漸增加。隨著剪應變的增加，剪切模量逐漸降低，壓應力對橡膠板的影響逐漸減小；

（2）在無壓應力作用下，剪應變?yōu)?00%以下時，橡膠板基本表現為線性，與之對應的有壓力作用下的橡膠板則表現出非線性，且隨著剪應變的增大，非線性也逐漸增強；

（3）隨著正向壓應力的增加，橡膠板的極限抗剪強度得到提高，但極限變形能力下降。橡膠層的斷裂發(fā)生在接近鋼板層的位置。