张广泰^1,2, 吴锐^1,2, 李雪藩^1,2, 阿迪力·赛买提¹
1. 新疆大学 建筑工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047;
2. 新疆建筑结构与抗震重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830047
收稿日期：2020-11-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51968070),新疆维吾尔自治区教育厅自然科学重点项目(XJEDU2020I005)。
作者简介：张广泰(1963-)，男，新疆乌鲁木齐人，新疆大学教授，博士生导师。

摘要：为研究建筑结构设计基准期(50年)内叠层轮胎隔震垫(scrap tire rubber pads，STRP)竖向力学性能的时变规律，对61组7层STRP支座施加5 MPa竖向荷载并分别进行老化31，62，93，124和154 h的荷载耦合老化试验及普通老化试验.结合荷载耦合老化后轮胎的微观扫描电镜分析(SEM)及STRP的竖向力学性能试验，研究STRP在不同老化时间下的破坏特性、竖向承载力衰减，以及竖向刚度和竖向变形性能的退化规律.研究表明：在荷载耦合老化作用下STRP表面随老化时间的增加，裂缝扩展且局部轮胎内部炭黑外移析出，STRP竖向刚度逐渐增大，竖向变形性能变差，但极限承载力无明显改变.
关键词：隔震叠层废轮胎橡胶垫老化-荷载耦合力学性能时变规律
Time-Varying Mechanical Properties of Laminated Scrap Tire Rubber Pads Subjected to Aging and Loading
ZHANG Guang-tai^1,2, WU Rui^1,2, LI Xue-fan^1,2, SAIMAITI Adili¹
1. College of Civil Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China;
2. Key Laboratory of Building Structure and Earthquake Resistance, Urumqi 830047, China
Corresponding author: ZHANG Guang-tai, E-mail: zgtlxh@126.com.

Abstract: To investigate the time-varying vertical mechanical properties of laminated scrap tire rubber pads (STRPs) within the design reference period of building structure (50 years), the tests of aging coupled with loading were carried out on the 61 groups of 7-layer STRP bearings that were subjected to aging for 31, 62, 93, 124, and 154 h and loading of 5 MPa, separately, and the traditional aging tests without loading were also carried out under the same conditions. And then, the results of two groups were compared. The STRP failure feature, vertical bearing capacity, and vertical stiffness/deflection in different aging time were studied through vertical mechanical experiment and scanning electron microscopic. It is concluded that, as the aging time increases, the cracks of STRP surface propagate, the carbon black particles inside the tire move toward the surface of STRP, the vertical stiffness of STRP increases but vertical deformation performance of STRP declines, while the ultimate bearing capacity of STRP changes little.
Key words: seismic isolationlaminated scrap tire rubber padaging-loading couplingmechanical propertiestime-varying regularity
我国幅员辽阔, 位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间, 受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾板块的挤压, 地震活动频繁.由于地震的不可预测性, 所造成的人员伤亡与经济财产损失十分巨大，且村镇地区受制于经济条件、建筑技术等因素, 地震受灾人数占比较高.为满足发展中国家对村镇级别隔震技术的迫切需求, Turer和?zden^[1-2]提出适用于高烈度村镇地区的废旧轮胎橡胶垫(scrap tire rubber pad, STRP)隔震技术.相对于普通的各类橡胶隔震支座, STRP支座具有材料易得、经济环保等优势.橡胶在自然条件下会逐渐失去弹性, 硬度增大, 进而影响橡胶隔震支座的力学性能及隔震性能.此外, 隔震装置应具有良好的竖向力学性能, 在建筑使用期内安全支撑上部结构自身重力及使用荷载；因此对橡胶隔震支座竖向力学性能时变规律的研究尤为重要.
Itoh和Gu等^[3-4]对不同热氧加速老化时间和不同温度条件下天然橡胶块体的老化深度进行研究, 建立了可预测天然橡胶内部老化特性的力学模型, 为隔震支座安全使用周期计算提供参考.Kamoshita等^[5]对正常使用一定时间的天然橡胶隔震支座进行竖向刚度和水平剪切试验并结合理论分析得出, 天然橡胶隔震支座使用10年和22年之后的水平和竖向刚度增长率均在12 % 左右, 支座耐久性满足规范要求.Calabrese等^[6]对不同热氧老化时间下玻璃纤维橡胶支座(FRBs)进行力学性能研究, 最终得出老化6周后, FRBs竖向刚度增长率约40 % 左右, 50 % 剪应变下水平刚度增长率约41 %.刘文光等^[7]对不同规格的多个低硬度橡胶支座进行100 ℃×185 h加速热氧老化, 研究低硬度橡胶支座在不同竖向压应力及剪切变形条件下屈服刚度、屈服荷载及水平等效刚度的变化, 最终得出低硬度橡胶支座在60年的使用周期内力学性能稳定的结论.
目前, 对适用村镇建筑的STRP支座老化的研究鲜有报道, 且现有对橡胶隔震支座力学性能时变规律的研究大多采用无竖向荷载作用的老化试验, 忽略隔震支座在使用过程中所受到的竖向荷载作用.因此, 本文以团队已有的STRP尺寸效应及耐久性研究为基础, 细化研究STRP支座在建筑设计基准期内竖向力学性能的时变规律, 对61组240 mm×180 mm×80 mm的7层叠层轮胎隔震垫分别进行31, 62, 93, 124, 154 h普通老化试验及相同条件下施加5 MPa竖向荷载的老化-荷载耦合试验.通过对STRP支座竖向刚度、竖向极限压应力及竖向变形的试验并结合理论分析, 研究STRP支座在建筑设计基准期内的支座外观变化, 以及竖向力学性能和竖向变形性能随老化时间的劣化规律.
1 试验概况为消除不同品牌、型号轮胎造成的隔震支座力学性能差异, 本研究统一选用邓禄普牌、型号为185/60R15、生产周号为2113的子午线四季轿车轮胎；胎面花纹为VE301, 花纹深度1.6 mm；轮胎帘线材料为尼龙；载重指数95.所选废旧轮胎均外观完好且磨损程度相似(差值在1 mm左右).
切除废旧轮胎中较大翘曲的胎肩、胎侧、胎口部位, 仅留胎冠部分.将制备好的单片轮胎叠层放置(见图 1), 内插钢钉以保证试件受力时整体变形(图 2), 制成7层STRP试件.试件整体尺寸为180 mm×240 mm×80 mm, 内部橡胶厚度为60 mm, 第一形状系数S₁为5.1, 第二形状系数S₂为2.6.
图 1(Fig. 1)

图 1 STRP实物图Fig.1 Actual picture of STRP

图 2(Fig. 2)

图 2 连接方式Fig.2 Connection type of STRPs

利用图 3所示模具对STRP支座进行竖向加载, 模具由上下两块钢板及四根高强螺栓组成.
图 3(Fig. 3)

图 3 加载模具示意图Fig.3 Schematic diagram of a die

用101-3A型电热恒温鼓风干燥箱进行热氧加速老化试验, 利用WAW-1000压力机进行竖向极限承载力试验、竖向刚度试验及竖向变形性能试验.
2 试验方案及量测2.1 老化-荷载耦合试验为模拟隔震垫正常使用状态, 对STRP支座进行竖向加载.未拧螺栓的情况下, 利用WAW-1000压力机以0.1 mm/min加载速率对上部钢板施加荷载, 直至竖向应力达到5 MPa；稳定荷载1 h以消除因橡胶缓慢变形造成的应力损失, 标记此时STRP支座相对螺栓高度.卸载至0 MPa, 利用螺栓施加压力使STRP支座压缩到螺栓标记高度.
老化试验参考《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》(GB/T 3512—2014)^[8]试验方法, 选取实际环境温度20 ℃, 加速老化试验温度100 ℃.
式中：E为活化能, 橡胶材料E为90.4 kJ/mol；R为气体常数, 8.314 J/(mol · K)；t₂₀为常温20 ℃下的老化时间(d)；T₂₀为20 ℃对应的绝对温度；t₁₀₀为100 ℃下的老化时间(d)；T₁₀₀为100 ℃对应的绝对温度.STRP支座老化试验参数如表 1所示.
表 1(Table 1)

表 1 STRP老化试验内容Table 1 Aging experiment content of STRP 试件编号 试验时间/h 自然条件 试件个数 STP-10-0 31 20 ℃×10 a 6 STP-10-5 6 STP-20-0 62 20 ℃×20 a 6 STP-20-5 6 STP-30-0 93 20 ℃×30 a 6 STP-30-5 6 STP-40-0 124 20 ℃×40 a 6 STP-40-5 6 STP-50-0 154 20 ℃×50 a 6 STP-50-5 7 注：编号形式STRP-X-Y, 其中X表示试件正常使用年限, Y表示施加的压应力，MPa.

表 1 STRP老化试验内容 Table 1 Aging experiment content of STRP

2.2 竖向极限承载力试验方案参考文献[9]中对竖向极限压应力试验的规定, 利用试验室现有WAW-1000压力机对STRP支座进行缓慢加载；以荷载-位移曲线出现下降作为STRP支座破坏标志, 并以此时应力值作为STRP支座竖向极限应力值.
2.3 竖向刚度及变形性能试验方案文献[9]竖向刚度试验方案2, 取与轴压应力(1±30 %)σ_d相应的竖向荷载对STRP支座进行3次循环加载；文献[9]中竖向变形性能试验规定：取与轴压应力(1±30 %)σ_d相应的竖向荷载, 5次循环加载.因此为减小试验量, 将竖向刚度试验与竖向变形性能试验简化为一组试验, 进行5次循环加载试验.图 4为循环加载示意图, 其中设计压力值P₀=216 kN, P₁=0.7P₀=151.2 kN，P₂=1.3P₀=280.8 kN.
图 4(Fig. 4)

图 4 加载制度Fig.4 Loading scheme

2.4 测点布置试验过程中位移计架设于试件四角处, 如图 5所示.取四角处位移计读数平均值作为竖向位移值.
图 5(Fig. 5)

图 5 位移计架设示意图Fig.5 Diagram of setting up the displacement meter

3 试验现象及分析3.1 热氧加速老化试验观察热氧老化后各STRP支座外观, 均符合老化试件目视无龟裂规定^[9].以STRP-50-5试件为例研究热氧侵蚀及荷载对STRP支座外观的影响(如图 6所示)：轮胎在荷载压力作用下本身具有翘曲趋势, 再加上老化产生的高温对橡胶的软化作用, 导致轮胎变形翘曲, 同时也会引起支座表面的颜色变化.
图 6(Fig. 6)

图 6 STRP-50-5老化前后对比Fig.6 Comparison of STRP-50-5 before and after aging (a)—老化前；(b)—老化后.

利用SEM扫描电镜研究STRP-50-5热氧老化前后轮胎表面微观变化.由图 7可知, 未老化STRP支座表面存在轮胎使用过程中因高温、高压导致的微小裂缝, 且轮胎表面分布有较多炭黑颗粒(白色部分).老化后的STRP支座较未老化支座裂缝宽度及长度均有所增大, 且老化后支座表面凹凸不平、炭黑颗粒消失.由于高温作用, 轮胎表面炭黑颗粒热解析出, 支座外观颜色由黑色转变为天然橡胶的灰白色.
图 7(Fig. 7)

图 7 橡胶微观图Fig.7 Microscopic view of the rubber (a)—未经高温侵蚀；(b)—100 ℃侵蚀154 h.

3.2 竖向极限压应力试验热氧老化后STRP支座静置24 h, 保证支座内外温度一致后方可进行竖向力学性能试验.不同耦合荷载及热氧老化时间条件下STRP支座竖向极限压应力试验现象基本一致, 因此以STRP-50-5试件为例展示试验现象及荷载-位移曲线图.由图 8可见, 未加载时STRP支座的轮胎较为平整且外观完好；而加载后STRP支座有较大竖向压缩, 支座边缘鼓胀明显, 四周出现翘曲, 拆解STRP支座后发现, 内部轮胎表面出现明显裂纹, 轮胎边缘处钢丝网与橡胶发生分离并伴随有橡胶颗粒脱落.
图 8(Fig. 8)

图 8 加载前后STRP状态Fig.8 States of the STRP before and after loading (a)—加载前；(b)—加载后.

图 9为STRP-50-5竖向极限压应力试验荷载-位移曲线.由图可见, 加载初期曲线斜率较小；随着竖向压力的增大, 曲线斜率逐渐增加并稳定为线性变化；继续加载，荷载-位移曲线出现多次抖动, 且在抖动发生后, 曲线斜率有所下降.
图 9(Fig. 9)

图 9 竖向荷载-位移曲线Fig.9 Vertical load-displacement curve

轮胎由天然橡胶(或合成橡胶)、帘子布、钢丝网、炭黑等材料制成.橡胶为超弹性体, 体积不可压缩, 因此在橡胶受到竖向荷载时, 橡胶会向附近两侧挤压.轮胎内部钢丝网与帘布层对橡胶的黏滞作用较强^[10], 阻止其向两侧挤压(见图 10)；当竖向应力达到一定值时, 帘布层率先屈服断裂, 此时轮胎内部应力重分布, 荷载-位移曲线出现抖动.继续增大竖向荷载, 支座内部钢丝逐渐断裂, 曲线抖动频繁, 此时钢丝进入塑性变形状态, 曲线斜率降低.当荷载达到极限荷载后, 应力下降, 试件破坏失效.
图 10(Fig. 10)

图 10 单片STRP受力示意图Fig.10 Force diagram on single layer of STRP

表 2为不同老化时间及荷载条件下STRP支座竖向极限压应力值.相对于未老化试件, 当普通老化试件(STRP-X-0)的老化时间为31, 62, 93, 124, 154 h时STRP支座极限压应力值变化率分别为-1.81 %, -3.01 %, 3.01 %, -4.22 % 和1.81 %.荷载耦合老化试件(STRP-X-5)较未老化试件竖向极限压应力值变化率分别为0.60 %, 0, 6.02 %, 0, 4.22 %.这是由于在极限承载力试验中, 轮胎内部钢丝网断裂最终导致STRP支座破坏失效.热氧老化对钢丝网强度影响较小, 因此热氧老化154 h内, STRP支座极限压应力值较为稳定.
表 2(Table 2)

表 2 STRP竖向极限压应力Table 2 Maximal compressive stress of STRP ? MPa 试件 31 h 62 h 93 h 124 h 154 h STP-X-0 16.3 16.1 17.1 15.9 16.9 STP-X-5 16.7 16.6 15.6 16.6 17.3 未老化试件 16.6

表 2 STRP竖向极限压应力 Table 2 Maximal compressive stress of STRP ?

3.3 竖向刚度试验参考文献[9]中的第二种试验方法计算STRP竖向刚度：

(3)

式中：K_v为试件的竖向刚度；Y₁, Y₂为第三次循环加载时的最大和最小位移；P₁, P₂为竖向压缩试验中第三次循环加载时竖向力的最大和最小值.
图 11反映了不同荷载及热氧老化时间耦合作用下STRP支座竖向刚度随老化时间的变化规律.由图可得, 荷载耦合老化作用与普通老化作用下STRP支座竖向刚度均随老化时间的增加总体呈增长趋势.其中, 老化31, 62, 93, 124, 154 h时普通老化STRP支座竖向刚度较未老化试件分别增加-5.72 %, 17.45 %, 52.09 %, 74.31 %, 122.17 %；荷载耦合老化作用下STRP支座较未老化试件则分别增加58.99 %, 73.8 %, 91.01 %，121.78 %, 146.77 %.这是由于在橡胶老化过程中, 分子链的断裂与交联反应同时发生, 老化初期交联反应占主导地位, 总交联密度升高, 硬度增大, 回弹率下降, STRP支座刚度提高^[11].
图 11(Fig. 11)

图 11 STRP竖向刚度Fig.11 Vertical stiffness of STRP

相同老化时间下, 荷载耦合老化STRP竖向刚度均高于普通老化STRP, 且随老化时间增加, 二者竖向刚度差值呈逐渐减小趋势.其中老化31, 62, 93, 124, 154h时荷载耦合老化STRP支座竖向刚度为普通老化STRP支座竖向刚度的168.66 %, 147.6 %, 125.58, 127.88 %, 111.04 %.荷载耦合老化作用下, 由于荷载的压缩作用及老化过程中橡胶的硬化及缓慢蠕动, 使得STRP支座单片厚度(t₁)及总厚度(T₁)降低, 从而导致STRP支座第一形状系数增大及第二形状系数减小.一般认为隔震垫竖向性能与第一形状系数有关, 隔震垫水平力学性能与第二形状系数与有关^[12], 因此相同老化时间下, 荷载耦合老化STRP支座竖向刚度高于普通老化STRP支座.矩形隔震支座第一形状系数公式如下：

(4)

式中：a′和b′分别为矩形板式橡胶支座加劲钢板的短边和长边尺寸, 因STRP支座为无钢板结构, 故二者分别取STRP支座短边及长边尺寸；t₁为板式支座中间层单层橡胶厚度.
3.4 STRP支座竖向变形分析参考文献[9]中橡胶支座变形性能试验方法, 其中隔震支座变形性能应满足:

(5)

式中：K_v(1, 2, 4, 5)为第1, 2, 4, 5次加载循环时竖向刚度平均值；K_v (3)为第3次加载循环时的竖向刚度.
荷载耦合老化作用下STRP变形性能试验荷载-位移曲线如图 12所示.
图 12(Fig. 12)

图 12 STRP荷载-位移曲线Fig.12 Load-displacement curves of STRP

荷载耦合老化与普通老化作用下STRP支座竖向变形性能如图 13所示.由图可得：荷载耦合老化作用下STRP支座变形性能较为稳定, 变化幅度最大值仅为8.4 % (见图中阴影区域), 小于式(5)限值；而不同老化时间下普通老化STRP支座竖向变形幅度均高于10 %.普通老化STRP支座轮胎之间存在较大空隙, 第一次加载实质为空隙消除过程, 此次加载循环竖向刚度远低于其余加载循环过程.荷载耦合老化STRP支座因荷载竖向产生压缩作用, 内部空隙大大减小, 因此其各循环过程竖向刚度值变化较小, 竖向变形性能符合规范要求.
图 13(Fig. 13)

图 13 STRP支座竖向变形性能Fig.13 Vertical displacement

3.5 STRP支座耐久性竖向刚度变化率是隔震支座耐久性分析中的一个重要指标.文献[9]中规定各建筑隔震支座竖向刚度变化率不应大于20 %.图 14反映荷载耦合老化与普通老化STRP支座竖向刚度变化率随老化时间的变化规律.由图可知, 荷载耦合老化作用与普通老化作用下STRP支座竖向刚度的变化率随老化时间的增加均呈增长趋势, 且除STRP-10-5及STRP-20-5外, 其余STRP支座竖向刚度变化率均超过20 %, 无法满足隔震支座耐久性要求.
图 14(Fig. 14)

图 14 STRP支座竖向刚度变化率Fig.14 Vertical stiffness gradient of STRP bearings

4 结论1) 荷载耦合老化154 h后, STRP支座内部轮胎表面颜色由黑色转变为灰白色, 支座高度较未老化时大大减小.SEM电镜扫描发现, 轮胎表面原有炭黑消失、裂缝宽度及长度较未老化时均有增加.
2) 加速老化154 h内, 荷载耦合老化和普通老化作用下STRP试件竖向极限压应力较为稳定；荷载耦合老化和普通老化作用下STRP支座竖向刚度均随老化时间的增加呈增加趋势, 但在相同老化时间下, 荷载耦合老化STRP支座竖向刚度高于普通老化试件.
3) 加速老化154 h时, 荷载耦合老化作用下STRP竖向刚度变化率达146.77 %, 超过20 % 的规范限值, 无法满足耐久性要求.可以通过外覆防老化涂层提高STRP支座耐久性.
4) 加速老化154 h内, 荷载耦合老化作用下STRP支座竖向变形性能较为稳定, 最大值仅为8.4 %, 符合规范要求.
本研究为叠层轮胎隔震技术在村镇建筑结构中的应用及推广提供部分理论支持.
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