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对碳纤维和聚酰胺纤维的地震隔离器的机械特性与动态特性的研究

Ali Bakhshi 土木工程系，谢里夫科技大学，德黑兰，伊朗

Mohammad Hosein Jafari 土木工程系，谢里夫科技大学，德黑兰，伊朗

Vahid Valadoust Tabrizi砂眼聚合物公司，德黑兰，伊朗

摘要

地震隔振器是用来降低地震的能量和力量的。传统的钢筋弹性隔振器质量高，主要是由于使用了多个钢垫板。相反的，传统刚性隔振器的阻尼比相对比较低。因此，本研究利用一种全新的钢垫板，它由碳和聚酰胺纤维组成。这份研究试图获得传统刚性隔振器，碳纤维和聚酰胺纤维增强橡胶隔振器的机械特性与动态特性。在这项工作中，一些试件是在最初设计与制造的。后来，压缩循环剪切试验在他们身上进行。在剪切试验中，由于实验机的局限性，持续的垂直载荷并没有能够被应用。所有三大类隔振器都是圆柱形的，具有相同的直径和高度。刚的，碳纤维的和聚酰胺纤维增强弹性隔振器分别拥有16，23和23个强化层。为了减少制造误差对试样动态特性和力学性能的影响，每种隔振器类型被制造出6个样品，一共18个样品。相关实验的结果显示，柔性钢筋的使用，导致碳纤维和聚酰胺纤维增强橡胶隔振器的阻尼分别增加了20%到30%。此外，与聚酰胺纤维相比，碳纤维的设计提供了更加合理的性能。

关键词 地震隔振器 碳纤维和聚酰胺纤维 动态特性和力学性能

1 引言

为了赋予建筑以优异的抗震性能，层间位移和地面加速度应尽量减少，这导致了非结构件和敏感的内部设备损坏的减少。为了减少层间位移，加固建筑的刚度很有必要。然而，这导致了高层加速度。为了解决这个问题，更多的柔性系统应该被建成。另一方面，这也导致了大量的层间位移。需要采取一种用来降低层间位移和地面加速度的实用技术用来基础减震。这种隔振系统提供了必要的弹性并且减弱了建筑或上层建筑由于地面运动水平分量引起的震波。当前的地震隔振器包括了钢制的多层弹性体和滑动轴承。结合弹性体和滑动轴承的系统也被提出并实施。如今，大多数被使用的系统是巨大，沉重，昂贵的。隔振器的重量主要是由于钢板。隔振器的成本主要取决于在准备钢板时消耗的劳动力和硫化工艺。凯莉[ 7 ]认为，这种隔振器的重量和成本可以通过消除钢板加固，代之以灵活的增强材料如纤维的方法来减少。他做了一个实验，研究了芳纶纤维增强圆柱轴承。这些测试的结果表明，纤维增强可以提供可接受的垂直刚度。此外，在与钢筋相比，柔性加固的应用对轴承的抗剪刚度影响最小。因此，碳纤维增强轴的抗剪强度是钢筋轴承刚度的 80–85 % ；此外，它导致了2倍的阻尼。所以，隔振器的等效粘滞阻尼比在100%时（对于钢骨隔振器具有相同的橡胶化合物）剪切应变从8%增大到15%。Ashkzari et al. [1]测试了由编织碳纤维增强的多层弹性地震隔振器的标本，以及类似大小和形状的增强钢板的试样，进行双水平竖向荷载压缩试验来确定有效的垂直刚度和压缩模量（67和137千牛）。此外，为了确定有效的水平刚度，剪切模量和阻尼，在恒定的垂直载荷和不同的剪切应变振幅进行了剪切试验。压缩试验结果表明，对于不同的纤维层数碳纤维增强橡胶隔振器的有效垂直刚度，可以低于、等于或大于钢筋弹性隔振器。所以，拥有15和46的纤维层的CFREIs的有效竖向刚度分别比SREI的有效竖向刚度少20%和多16%。此外，剪切试验的结果表明，所有的碳纤维增强橡胶隔振器的剪切模量的值几乎等于给定的剪应变振幅和恒定的垂直载荷和剪切载荷的频率。此外，有效剪切模量的碳纤维增强橡胶隔振器约是钢筋隔振试样的90%。值得注意的是，对于给定的剪切应变振幅和恒定的垂直载荷和频率的剪切载荷，所有的碳纤维增强隔振器试样的等效粘性阻尼比几乎等于钢增强隔振器的试样。

Moon等人[9]设计，制造和测试了碳纤维增强多层弹性隔振器，以及用钢板加固的类似试样。他们进一步研究了不同种类的纤维，如玻璃，尼龙，聚酯纤维的性能。测试的结果表明，有效的碳纤维增强橡胶隔离器竖向刚度和等效粘滞阻尼比分别为钢增强弹性隔振器的3倍和2.5倍。而且，碳纤维增强橡胶隔离器的水平刚度的约是钢增强弹性隔振器的94%。

Kang等人[6]，对碳纤维增强弹性隔振器进行了有和没有一个孔和引线插头的压缩和循环剪切试验。这些测试做出来是为了评估孔和铅塞对隔振器动、力学特性的影响。试验结果表明，在纤维增强橡胶隔振器的孔和引线插头对有效刚度和有效阻尼的影响可以忽略不计。

Toopchi等人[12]进行了一个关于方形碳纤维增强弹性隔振轴承的实验性的和分析性的研究。轴承在他们的研究中认为没有端板和因此不粘到测试平台。他们进行了压缩试验和正弦循环剪切试验，在不同的剪切应变振幅和恒定的垂直载荷，以评估轴承。剪切载荷平行于侧面的轴承，并且沿对角线。据观察，碳纤维增强橡胶隔振器提供足够的竖向刚度的垂直压力设计压力。此外，在剪切应变为75%以上，对非线性软化行为进行了观察，因此，这些轴承表现出一种翻转式的变形，这导致在他们的接触面上的轴承的无界边界条件。这导致了水平刚度的减少，甚至负值的出现。他们进一步研究了竖向荷载对水平刚度和阻尼的影响。结果表明，双重增加的垂直载荷的水平刚度的影响可以忽略不计，但导致阻尼明显增加。此外，为了评价侧向位移速率对剪切性能的影响，对轴承进行了一组在不同频率范围从0.16到0.66赫兹的相同的位移振幅正弦循环测试。从测试结果中，该速率的变化的有效水平刚度的影响可以忽略不计，并且在0.48赫兹以上的频率中有一个轴承的阻尼比的影响可以忽略不计。

在另一项研究中，Moon等人设计，制造，测试了几个碳纤维条式隔离器样品。在这项研究中，隔离器没有端板并且未与试验机结合。他们受到了压缩和剪切试验。做剪切试验来获得垂直压力的各种值和在0，90和45方向上相对于带的纵向方向。我们观测到轴承产生了足够的垂直振动频率，这对任何隔离应用程序都是足够的。此外，加载0磁滞回线趋于僵化，而载荷沿90时软化行为往往会发生。在45加载生产既不加固也不软化，中间值介于0和90。

Khanlari等人.[8]对纤维增强复合材料弹性隔振器（frnei）的性能和自由进行了研究。结果表明纤维增强复合材料弹性隔振器的取得了更高的竖向刚度和竖向横向刚度比与自由相比，即分别为53.86%和20.71%以上。在这项研究中，钢，碳纤维和聚酰胺纤维增强橡胶隔振器（pfrei）标本被设计和制作。为了获得这些试样的动态和机械性能，压缩和循环剪切试验进行了使用合理的标准测试。最后，这些性能被进行了比较和讨论。

2 对隔振器试样的描述

在这项研究中，钢，碳纤维，和聚酰胺纤维增强的弹性隔振器被设计与制造出来。试样为圆柱形，直径和高度相同。钢，碳纤维，和聚酰胺纤维增强的弹性隔振器样品分别有16，23，和23加强层。此外，为了减少制造误差对试样的动态和机械特性的影响，每个隔离类型制造6个样品的，即，共18个样本。所有三种类型的隔离器试样拥有钢制的顶和和底盘。其中，形成4个螺纹口连接试验机的样品。采用碳纤维由于其高弹性模量（235GPa），并且聚酰胺纤维的应用是由于其低价格以及与橡胶粘结力强（聚酰胺纤维的弹性模量是5.7 GPa）。隔振器试样的性质被展示在表1，碳纤维增强弹性隔振器试样被展示在图1中。对于已知的圆形的弹性体层的厚度与直径D和TR，形状因子可以计算为：

图1碳纤维增强弹性体隔振器

表1隔振器的性能

3设计方法和制造工艺

在这项工作中，所有三种类型的隔振器试样的直径为150毫米的圆形界面，总高度为100毫米（橡胶和加固层的厚度总和）。橡胶和增强层的数量设计为水平频率为0.5HZ，垂直频率为11.5HZ，并且剪切应变设定为100%。纤维增强橡胶隔振器的设计是以UBC-97[5] 为基础并且是根据钢筋弹性隔振的现行方法的。然而，Kelly[7]提出的使用的有效参数的纤维层的灵活性也被考虑到。此外，橡胶的剪切模量的初始设计应该是0.8兆帕。为了制造碳纤维增强橡胶隔振器，最初编织碳纤维经纱和纬纱被完全浸渍需要通过两步的结合：第一步是由多异氰酸酯处理，第二步是间苯二酚甲醛胶乳（RFL）处理[ 3，4 ]。后来，碳纤维和橡胶层被切割成所需尺寸并放置在模具中。在编织碳纤维时，经纱和纬纱的方向是垂直的，因为纤维层的经纱和纬纱的方向与隔振器的相对垂直直径是0 / 90，30 / -60，60 / 30相互交替的。所制备的钢的顶部和底部的板被放置在模具中。随后，在成型过程中的层和组件收到了时长为50分钟的20MPa的压力以及155plusmn;5 C的高温。为了制造聚酰胺纤维隔离器，一个类似碳纤维增强隔振器的生产过程被应用。但是编织的聚酰胺纤维被kemozil胶粘剂完全浸渍。唯一的区别是，机织聚酰胺纤维经纱和纬纱在生产设施中用RFL浸渍。此外，在编织的聚酰胺纤维中，经纱和纬纱方向的纤维层的相对的隔离两垂直直径0 / 90和45 / -45。由于上述制造程序以及纤维和粘合剂的成本，cfreis制造成本高于SREIs 或者 PFREIs。所以，cfreis的价格分别大约是sreis的三倍和pfreis的五倍。

4 隔振器的绩效评价

为了确定的动态和机械性能的隔振器试样，进行压缩和循环剪切试验来确定有效的压缩模量，有效的剪切模量，和等效粘性阻尼比。

4.1试验机

压缩和循环剪切试验是使用单轴试验机在谢里夫科技大学土木工程系的通用实验室进行的。这台机器有2种类型的夹具：剪切夹具用于剪切试验，压缩夹具用于压缩实验。用这台机器，不可能同时使用剪切夹具和压缩夹具。在每个测试中，试样被设置为在顶部和底部之间夹紧。当底部夹具夹紧时，顶部的手柄可以在压缩试验和水平剪切试验中垂直移动。可以在受力控制或位移控制下进行试验。数据采集与控制通过计算机上的软件包进行。该试验机在图2中所示。

图2试验机

4.2压缩试验

为了确定隔震支座的竖向刚度和压缩模量，在位移控制下进行压缩试验。在这些试验中，能被利用的最大压缩应变为7%，根据AASHTO ASD [ 2 ]，钢、碳纤维、聚酰胺纤维和弹性隔振器对应最大竖向位移分别为4.76、6.63和5毫米。因此，一个无变化的压缩位移主要应用于最大垂直位移。三个周期的卸载和重装以1毫米位移幅值进行。最后，在一个无变化的方式进行卸载。用以下公式计算了隔振器的有效压缩模量：

其中千伏是垂直刚度的隔振器，TRT是橡胶总厚度AF；S是在隔离器增强层截面积。在隔振器上应用的压缩试验，如图3所示

图3 隔振器试样进行压缩试验

4.3循环剪切试验

为了确定隔振器的水平刚度，剪切模量和等效粘性阻尼，进行了位移控制下的循环剪切试验。剪切试验必须与压缩试

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