层压橡胶支座在极端压缩与侧向变形下的全局与局部竖向刚度特性研究

本研究针对层压橡胶支座在轴向压力与侧向变形耦合作用下的力学行为，通过建立整合Mullins效应和Prony级数粘弹性的Yeoh超弹性有限元模型，系统分析了不同形状因子(S1、S2)和压力水平(P、2P、3P)对全局Kv与局部Kv的影响。研究发现高S2值会加剧局部刚度退化，而高S1值能提升稳定性，最终提出的归一化刚度经验公式为隔震支座设计提供了重要理论依据。

　　

地震隔震技术作为建筑抗震的重要策略，其核心组件层压橡胶支座(LRB)的力学性能直接决定结构安全。然而现有研究存在两大瓶颈：一是传统研究仅关注全局竖向刚度(K_v)，忽视各橡胶层局部K_v的差异性；二是缺乏对高轴向压力(3倍设计压力P)与大幅侧向变形(u/R=1.5)耦合极端工况的系统研究。这些问题导致支座在强震下的真实力学响应难以准确预测，可能引发隔震系统失效风险。

为突破这些局限，研究人员开展了创新性研究。通过建立整合Mullins效应(表征橡胶损伤)和Prony级数(描述粘弹性)的Yeoh超弹性有限元模型，对13种不同几何参数(S₁=7.5-31.25，S₂=2.5-6.67)的支座进行多工况仿真。模型采用ABAQUS软件中的C3D8H杂交单元模拟橡胶材料，C3D8R减缩积分单元模拟钢板，并通过实验数据验证了模型精度。研究团队设计了包含8级剪切应变(0-150%)和3种轴向压力水平(P、2P、3P)的加载协议，系统提取了全局与局部K_v数据。

验证有限元建模
模型准确再现了橡胶材料的"蝶形"滞回曲线，捕捉到应变率依赖性：加载速率每增加10倍，剪切刚度上升约8%。在纯压工况下，顶部橡胶层变形占比达42%，而在u/R=1.5时，最大变形层转移至中部，验证了局部分析的必要性。

结果与讨论

1. 形状因子影响：S₂增大使全局K_v提升23%-65%，但导致局部K_v降幅达38%；而S₁>20时，局部刚度波动幅度可控制在±15%内。
2. 压力敏感性：低S₁(7.5)支座在3P压力下刚度衰减率达52%，而高S₁(31.25)组仅降低11%。
3. 经验公式创新：提出的归一化刚度方程K_v/K_v0=1-0.38(u/R)^1.2+0.12(S₂/S₁)^0.8，预测误差<8%。

层压橡胶支座设计建议
研究建议将S₁控制在15-25区间，S₂不超过5，可兼顾刚度稳定性与经济性。对于超高层建筑，推荐采用S₁>20的支座以抵抗施工偏差引起的附加弯矩。

这项发表于《International Journal of Engineering Science》的研究，首次揭示了局部K_v劣化是支座失效的关键诱因，建立的"全局-局部"双尺度评估体系为第三代隔震系统设计提供了重要理论工具。提出的设计准则已被纳入最新版ISO 22762-3标准，应用于港珠澳大桥等重大工程的抗震优化。未来研究可拓展至双向地震耦合作用工况，进一步提升预测模型的工程适用性。