轮胎隔震垫力学性能试验与分析*

冯 帆

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

由于废旧叠层轮胎具有一定的隔震作用，可将其应用于建筑构建中的隔震材料，通过废旧叠层轮胎的使用，将在一定程度上降低建筑构建过程中成本的消耗，除此之外，废旧叠层轮胎还具有操作简便以及施工方便等特点，具有一定的推荐价值。然而废旧叠层轮胎在日常的储存过程中极易因荷载以温度等因素的作用下发生老化，该变化将影响隔震效果，从而造成建筑的安全性降低。因此，本文将针对废旧叠层轮胎进行充分利用，使其形成隔震垫，将其应用于建筑工程之中，并对其进行力学性能的相关研究，通过该方法，保护建筑物的同时实现了节能环保的目的，具有重要意义。

1 动力分析数值模型

1.1 STP支座动力性能

STP支座在实验过程中将上部墙体与基础之间作为本次实验的设置参数，其主要实验原料是通过将废旧汽车的轮胎切割成块后形成胎冠并进行相互折叠，具体的制作方法通过切割机将废旧的轮胎进行切割，切割过程中首先将轮胎的胎侧进行裁剪，最终保留其胎冠，并将胎冠以方形的形式进行保留，从而形成STP支座，STP支座具有一定的优势，在制作过程中成本低廉，具有一定的节能环保作用。通过以往对STP支座进行动力实验分析可知STP支座水平力双线性恢复力模型如图1所示，

图1 STP支座水平力双线性恢复力模型Fig.1 Bilinear restoring force model of horizontal force of STP bearing

从图中可以观察到STP支座的等效水平刚度为636.4kN/m，通过该数值可以计算出等效粘滞阻尼比值，该比值将由相关公式计算后得出的数据为0.169，该实验过程将选取双向低周反复加载试验作为本次试验的基础，该试验具有一定的参考价值，在以往的实验过程中，该试验获得用东洋品牌轮胎制作的STP参数，通过该参数可以得知支座的尺寸为180mm×200mm×50mm，除此之外，还将利用邓禄普品牌的轮胎进行实验，并设计制作平面尺寸为180mm×180mm的方形STP支座，可以通过该参数得知设计面压以及极限面压分别为5MPa、10MPa,其试件编号及参数如表1所示[1]。

表1 试件编号及参数Table 1 Specimen number and parameters

1.2 建筑设计中隔震结构要点

在工程制作过程中将以某村镇作为实验基地，并以3层框架结构的形式进行抗震建筑设计，将该工程的平面尺寸参数指标定义为18.2m×11.65m，总建筑面积为212.03m2,除此之外，还将对地上建筑的总高度设计为10m，每层框架的层高分别为3.4m、3.3m、3.3m,楼高设计完毕后，将针对结构梁板柱进行分析，最终将采用C30混凝土进行现浇，其内墙以及外墙均采用页岩空心砖，该建筑工程将针对场地抗震设防烈度、基本地震加速度值进行设计，其中场地抗震设防烈度为8度，而基本地震加速度值为0.2g，通过相关数据可以得知该房屋的标准层结构平面布置如图2所示。

图2 结构平面布置Fig.2 Structure layout

通过结构平面布置的设计可以针对其结构模型以及隔震支座进行相关布置，在对该建筑的非隔震以及隔震结构模型的分析实验中，将采用大型建筑有限元分析软件SAP2000进行建立，通过仿真模型的建立可以将梁柱的单元通过框架线的方式进行建立，而楼板将采用薄膜单元。除此之外，将隔震结构中的支座模拟单元通过SAP2000中的Rubber isolator单元进行模拟试验，在实验过程中，由于设计面压以及极限面压分别为5MPa、10MPa，除此之外，还应考虑支座的尺寸，通过相关公式计算后最终将支座的尺寸拟定为380mm×380mm×50mm，将所得数据信息输入至Rubber isolator单元进行分析。通过该设计分析，最终该建筑工程试验将选取16组隔震支座进行设计，除此之外，还将针对每根梁柱增设隔震层。

2 结构的地震响应分析

2.1 地震波的选取

通过相关规范要求可知在地震波的选取中应严格按照规范进行选取，通常状态下，应选取3条地震波，而在本次地震响应分析中将选取2条地震波进行实际强震记录，2条地震波分别是EL Centro波以及Hollister波，除此之外，还将针对人工合成加速度实时曲线进行人工波选择，该波形称之为人工波1（Rgb1），通过相关公式进行计算时可以得知3条地震波均满足相关规范条件。

2.2 地震作用下结构反应对比

通过本文的实验将针对地震作用下的结构反应进行不同种分析，分别为模态分析、设防烈度下的计算分析以及罕遇烈度下的计算分析，其中模态分析将通过对传统抗震结构以及STP隔震结构进行模态分析对比，最终得出该结构下的自振周期，非隔震和隔震下的自振周期见表2，从表2中可以看出非隔震和隔震下的自振周期处于延长状态，该状态主要取决于隔震层，因该结构中隔震层的存在，可以有效避开场地的特征周期，从而有效降低水平地震作用，间接地降低上部结构。设防烈度下的计算分析过程将在其中输入PGA200cm/s2,其中PGA指的是地震加速度峰值,在该工况下，通过相关计算可以得出非隔震和隔震结构楼层中的最大加速度数据，从该数据中可以得知非隔震结构下的加速度由上至下处于逐渐增大的过程，在顶层被放大至2.65～2.94倍，通过隔震过程后的顶层加速度值约为非隔震结构的30%，变化过程相对较小，通过隔震可以使结构处于水平运动状态，从而降低地震对人体造成的震动感，该结构将在一定程度上提高安全性能，通过STP技术将提高整体经济效益。罕遇烈度下的计算分析过程将在其中输入PGA400cm/s2,并对其进行大震下的弹塑性时程分析，通过该分析可以得知在罕遇地震作用下的隔震结构与非隔震结构层间剪力比的最大值为0.48，该结构比值可以体现该建筑工况的减震效果具有一定的安全性，除此之外，将对隔震支座间的最大水平位移以及最大面压进行验算，通过验算可知隔震支座间的最大水平位移以及最大面压将超过极限值，由于超出限度范围不大，将通过改变支座尺寸的方式满足罕遇地震相关性能的要求[2]。

表2 非隔震和隔震下的自振周期Table 2 Natural vibration period under non-isolation and isolation

3 轮胎隔震垫竖向力学性能及老化试验

3.1 老化试验原理

本次试验将采用实际环境温度为23℃的数据进行相关实验，除此之外，还将加速老化的实验温度设置为100℃，并通过STP热空气加速老化实验的理论数据，将本次实验的计算公式定义为：

式（1）中：t代表老化的时间；T代表老化的绝对温度；E代表活化能；R代表气体常数。

3.2 竖向力学性能实验

本文将针对STP支座进行轴压实验以及极限轴压承载力实验，通过两项试验对轮胎的隔震垫进行竖向力学性能研究，在实验初始前针对实验装置的选择将采用5000kN轴压试验机，该试验机具有一定的优势，可将竖向力设置为5000kN，在5000kN的力的作用下进行实验可将轮胎的性能最大限度的发挥。在实验过程中将实验的加载速率设置为0.1kN/s，实验结束时间将以实验样品完全被破坏的时间为准，通过该试验可将实验样品在竖向面压为 时的竖向刚度按照公式（2）进行计算。

式（2）中：P1=(1-30%)P0;P2=(1+30%)P0;Y1所 代表的含义为竖向面压为P1时的位置移动；Y2代表的含义是竖向面压为P2时的位移。得到在不同竖向面压下STP支座竖向刚度如图3所示。

图3 在不同竖向面压下STP支座竖向刚度Fig.3 Vertical stiffness of STP support under different vertical surfaces

通过实验分析可知竖向荷载与轮胎胎冠内部橡胶横向变形为正向相关关系，竖向荷载增大的同时，轮胎胎冠内部橡胶横向变形也随之增大，除此之外，内部钢丝网在橡胶拉伸力的作用下也处于增长状态，当竖向荷载达到自身压力的极限时，STP支座将发出爆裂声，通过该现象提示工作人员支座被破坏，最终验证竖向极限压力为370kN[3]。

4 轮胎隔震垫水平性能试验

4.1 压剪实验

本文将针对压剪实验采用10000kN压剪试验机进行实验，通过10000kN压剪试验机对STP支座进行相关实验，分别是单侧压剪实验以及竖向面压相关性实验,根据表1中的编号数据，可将1#和3#支座与胎冠表面凹槽的纵向位置形成平行关系进行压剪实验，而2#和4#支座与胎冠表面凹槽的横向位置形成垂直关系进行压剪实验。该过程将在竖向压力P0=200kN的作用下进行相关实验，除此之外，还将采用位置移动控制对该装置施加水平力，卸载时间以STP支座失效时间为准，此时加载速率为0.05mm/s，最终得到的结论将通过式（3）进行计算，其数值分别为1.23、1.26、1.37、1.35 kN/mm。

式（3）中：Fmax所代表的的含义为最大水平剪切力； ∆max所代表的的含义为最大水平剪切位移。

通过该公式可将竖向压力设置为200、250、300 kN，通过3种不同作用力向STP支座施加水平作用力，直至STP支座失效后将其卸载，得出水平刚度的竖向面压相关性曲线，如图4所示。通过图4可以得出在竖向压力的作用下，STP支座的水平刚度随着竖向压力的不断变化，自身始终保持恒定状态，且剪切力基本相同[4]。

图4 水平刚度的竖向面压相关性曲线Fig.4 Vertical surface pressure correlation curve of horizontal stiffness

4.2 斜压实验

为保证实验结果的准确性，本文将针对STP支座进行斜压实验，采用5000kN轴压试验机进行实验，该试验机中最大竖向荷载为5000kN，通过5000kN轴压试验机对STP支座进行相关实验，根据表1中的编号数据，可将1#和3#支座与胎冠表面凹槽的纵向位置形成平行关系进行斜压实验，而2#和4#支座与胎冠表面凹槽的横向位置形成垂直关系进行斜压实验。该试验主要将STP支座放置于轴压机中的上、中、下三块契块间，并向其中施加竖向压力，直至STP支座剪切变形，从而造成中间契块出现位置移动，本次移动将以水平形式进行，将其形成的位置移动关系通过公式（4）、（5）进行计算，最终得到的水平刚度平均值分别是1.60、1.54、2.27、2.22 kN/mm，通过水平刚度的计算结果可知压剪实验以及斜压实验结果的不同是由于各自原理的差异性造成的，其结果一致。

上式中：P表示竖向压力，θ表示契块之间形成的坡度，∆表示中间钢板在力的作用下产生的水平位移，tr表示STP支座的总厚度，A为支座的表面积,Psimθ代表的含义为水平状态下的剪切力，∆cosθ为水平状态下的剪切位移，Psinθ/A为水平状态下的剪应力，∆/trcosθ而 为水平状态下的剪应变[5]。

5 结束语

本文主要以STP支座的参数数据作为该实验的基础，通过将STP防震技术应用于该实验中，将其分为三层框架，通过动力有限元对实验进行分析，最终得知STP隔震结构处于地震状态下时，其上部结构将以整体水平平动的方式进行移动，除此之外，STP具有一定的耗散作用，可将地震对于房屋传递的力量进行瓦解，通过该方式预防重大事故的发生从而对房屋造成损害。通过相关计算表明STP隔震技术可以通过延长该结构的自振周期，从而达到减少共振风险的目的。在未来的发展过程中，将针对STP支座的安全性能进行主要研究。