关于弹性复位抗拔隔震支座抗拔刚度影响因素的有限元仿真研究

引言

在建筑结构抗震方面，弹性复位抗拔隔震支座靠着独特性能成为保障建筑结构于地震等极端工况下稳定的关键部件，其中，抗拔刚度就是一项重要性能指标，这和隔震层承受上拔力时的工作状态、结构整体安全直接相关。不过以前传统研究大多关注支座水平隔震性能，对抗拔刚度量化分析存在很多不足，从实验方法看，由于弹性复位抗拔隔震支座性能受多种因素耦合影响，实验时很难全面模拟各种复杂工况，不能完全覆盖多参数耦合下支座性能变化，实验结果具有局限性，而理论模型现有的对支座在复杂受力状态下非线性行为描述不够精确，无法准确反映实际工况中抗拔刚度变化规律，在工程设计上，缺乏普适性设计指南，设计人员进行抗拔隔震支座设计时难以科学合理确定相关参数，导致支座性能不能充分发挥。为解决这些问题，本研究用有限元仿真技术构建精细三维模型，系统揭示抗拔刚度主导影响因素和作用机理，为弹性复位抗拔隔震支座性能优化提供科学依据并完善设计理论，从而让建筑结构在地震等灾害里更安全。

1. 有限元模型建立与验证

1.1 模型参数与材料结构

以直径 600mm 的叠层橡胶支座为原型，本研究用 ABAQUS 有限元软件构建了包含橡胶层、钢板层与约束部件的三维实体模型（图1），构建模型时各部分材料的参数设置和本构关系定义都做得很详细。

橡胶材料用 Mooney-Rivlin 超弹性模型来模拟其在大变形下的力学行为，该模型能较好描述。要拿到准确的模型参数，需拿橡胶材料做单轴拉伸试验来测试，数据拟合后参数 C10 是 0.52MPa、C01 是 0.13MPa，这两个参数反映橡胶材料弹性特性且对模型准确性很关键[1]。

弹塑性模型被用于钢板材料，其弹性模量被设定成 206GPa、屈服强度为 235MPa，这一设定与常见钢板材料的力学性能相符且能逼真模拟钢板受力时的弹性变形和塑性屈服行为。

在模型设计中，将橡胶和钢板间的接触关系定义成“Tie”约束，这种约束假定橡胶与钢板在接触界面处完全粘结、无相对滑移，既简化了模型，又贴合实际工程里橡胶与钢板紧密结合的状况，端部钢板被设成刚体以模拟其在实际结构里相对刚性的特性，从而减少模型计算量、提升计算效率[2]。

1.2 模型验证

为确保有限元模型建立的准确性，将仿真结果跟文献里支座竖向刚度试验数据作对比，表 1 展示了对比结果，竖向刚度上仿真值是 2850kN/mm，试验值 2780kN/mm，误差在 2.5% 以内，并且水平等效刚度方面仿真值1.68kN/mm，试验值 1.62kN/mm，误差 3.7% ，由于误差都比较低，这说明建立的有限元模型能较准确模拟叠层橡胶支座力学性能，后续抗拔刚度影响因素分析能用[3]。

2. 抗拔刚度影响因素分析

2.1 材料参数影响

2.1.1 橡胶硬度

研究橡胶硬度对抗拔刚度影响时，钢板厚度不变，橡胶邵氏硬度在 40A～70A 范围改变，有限元仿真结果显示，橡胶硬度从 40A 渐增至 60A 时，抗拔刚度显著提升，提升幅度达 42% ，橡胶硬度增加，其弹性模量增大，承受上拔力时抵抗变形能力更强，抗拔刚度得以提高 [4]。但硬度超 60A 后，抗拔刚度增速明显变缓，这意味着橡胶硬度对抗拔刚度影响有最优区间，超出此区间，再增加橡胶硬度提升抗拔刚度效果不再显著，且还可能导致橡胶韧性降低，支座受力时破坏风险增加。

2.1.2 钢板厚度

分析钢板厚度对抗拔刚度的影响时，将钢板厚度从 2 毫米逐步加到 5 毫米，抗拔刚度随钢板厚度增加呈线性增长 [5]。由于叠层橡胶支座里钢板是重要组成部分且承受上拔力时会增强支座整体刚度，钢板厚度增加时其抗弯和抗拉能力变强能更好约束橡胶层变形从而使支座抗拔刚度提高，不过要注意钢板厚度超 4 毫米后屈曲风险明显增大。因此实际工程应用时要通过局部加强设计如增设加劲肋之类的措施来平衡钢板厚度增加带来的刚度提升和稳定性问题，保证支座在各种工况下安全可靠运行。

2.2 几何构造影响

2.2.1 支座形状系数

在抗拔刚度的影响因素中，第一形状系数（S1= 直径 / 橡胶层总厚度）有着决定性的作用，改变第一形状系数，让它从 15 增加到 25，仿真结果表明，随 了 67%，这是形状系数的改变直接影响橡胶层受力状态和变形模式， 1 增大时， 橡胶层厚 承受上拔力时变形更均匀，材料力学性能发挥得更有效，抗拔刚度就显著提高了， 但是 S1 支座水 平刚度过大，支座水平隔震性能被削弱，建筑结构在地震作用下通过隔震层水 变形耗散能量 设计时得兼顾抗拔刚度和隔震性能，合理确定支座形状系数。

2.2.2 橡胶层厚度

抗拔刚度和支座耗能能力受橡胶层厚度变化的影响各有不同，仿真结果显示橡胶层厚度增加时抗拔刚度会降低，这是厚度增加承受上拔力时变形量增大、抵抗变形能力相对变弱抗拔刚度就下降了，不过橡胶层厚度增加能提升支座耗能能力，在地震等动力荷载作用时能更好吸收和耗散能量保护建筑结构主体，具体来说橡胶层厚度每增加 10% ，抗拔刚度大概下降 12% ，实际工程设计得根据具体工程需求权衡抗拔刚度和耗能能力的关系来合理选择橡胶层厚度。

2.3 加载条件影响

2.3.1 竖向荷载

研究抗拔刚度受竖向荷载影响时，竖向荷载由 5MPa 逐步增加到 15MPa，图 4 为仿真结果且竖向荷载增加时抗拔刚度呈非线性增长趋势。

橡胶材料的硬化效应是主要原因，竖向荷载增大时，橡胶材料内部分子链渐渐被拉伸，其弹性模量变大，抗拔刚度得以提高，不过，竖向荷载超 12MPa 后，刚度增长就变缓了，竖向荷载过高时，橡胶材料快到极限承载能力了，再增加荷载，提升抗拔刚度的效果就不明显，还可能让材料受损，支座使用寿命和结构安全性都会受影响，工程应用中，需避免支座长期处于15MPa 的高压状态，要让支座在合理荷载范围工作[6]。

2.3.2 剪切变形

支座被施加 200% 剪切变形后，仿真结果表明抗拔刚度下降 18%（图 7），主要是大剪切变形时支座有效承载面积变小且橡胶层间摩擦损耗增大 效承载面积变小使支座抵抗上拔力的能力降低 [7]。而橡胶层间摩擦损耗消耗部分能量使抗拔刚度进一步下降， 震等复杂工况下支座可能受竖向荷载和剪切变形，设计时得充分考虑剪切变形对抗拔刚度的影响并采取措施保证支座复杂受力时的性能。

2.4 环境因素影响

2.4.1 温度效应

橡胶材料的力学性能受温度变化影 震支座的抗拔刚度也会受其影响，温度从-20℃升至 60℃时仿真，橡胶模量下降， 下橡胶材料逐渐变硬变脆、弹性模量增大、韧性降低且容易开裂破坏，高温环 弹性模量减小、抗拔刚度下降，寒冷地区建筑结构设计要用耐低温橡胶材料并设置温度补偿装置以保证支座不同温度环境下抗拔性能可靠[8]。

2.4.2 加载速率

动态加载条件下（频率 1Hz～5Hz ），根据仿真结果，随着加载频率升高抗拔刚度随之增大，高频加载时橡胶材料内部分子链没有足够时间充分调整，弹性模量更高抗拔刚度增大，不过高频加载也许会让材料疲劳从而使支座使用寿命缩短。实际工程应用时要依据工程具体需求和支座工作环境对加载频段加以限制，防止过高加载速率致使材料过早疲劳破坏。

3. 多参数耦合分析

为了更全面考量对抗拔刚度的各影响因素，运用正交试验设计建立抗拔刚度和关键参数的响应面模型。

K=0.85H^1.2T^0.9S1^1.5e^-0.03θ

式中：橡胶硬度用 H 表示，钢板厚度用 T 表示，第一形状系数是 S1，温度为 θ，该模型综合考虑了材料参数（橡胶硬度、钢板厚度）、几何构造参数（第一形状系数）、环境因素（温度）对钢拔刚度的影响，通过把模型预测值和大量有限元仿真结果对比分析，发现二者吻合度达 92% ，这表明该模型能比较准确地预测弹性复位杭拔隔震支座在多参数耦合作用下的杭拔刚度，给实际工程设计快速评估支座杭拔性能提供了有效工具。

4. 工程应用建议

在上述研究结果的基础上，为指导弹性复位抗拔隔震支座在实际工程中的设计和应用，提出如下具体建议：优化材料选择。优先选择硬度在 55A～65A 范围的橡胶与 3～ 4mm 厚钢板组 从力学性能看，55A ～ 65A 硬度区间的橡胶在承受上拔力时能保证较高弹性模量、提供充足抗拔刚度、维持良好韧性，不会因硬度过高出现橡胶脆化，从而降低支座在地震等动态荷载下的断裂风险； 3～ 4mm 厚钢板在增强支座整体刚度的能将钢板屈曲风险控制在较低水平。由于不同厂家生产的橡胶和钢板材料性能存在差异，在实际工程中设计人员要根据材料检测报告严格把控材料质量，某大型商业建筑隔震支座设计采用这种材料组合，经实际测试，支座抗拔性能和耐久性满足设计要求且有效降低了材料问题引发的后期维护成本。

坚持几何构造设计准则。支座的几何构造设计时要把第一形状系数 S1 控制在 20-25 范围内，该范围能让抗拔刚度和隔震性能平衡达到 个范围时橡胶层竖向和水平方向受力分布更合理，既能满足建筑结构抗拔要求，又能让 北 变形来有效耗散地震能量。某高层住宅项目，设计开始的时候没充分考虑 S1 取值， 度过大，隔震效果不好，后来把 S1 调到 20-25 范围，经过有限元模拟和实际测试，建筑在地震时响应 明显变小，结构安全性大大提高，设计时得考虑建筑使用功能和空间要求，不能让支座尺寸过多影响建筑内部布局。

寒冷地区工程应用须采用耐低温橡胶材料并设置温度补偿装置，这样能减少温度变化对支座抗拔刚度的不利影响，使支座在低温环境下正常工作，保障建筑结构安全。

荷载控制与监测方案优化。支座在使用时应避免长期处于 15MPa 的高压状态，竖向荷载过高不但难以持续提升抗拔刚度，而且会加快橡胶和钢板材料的疲劳损伤，使支座使用寿命缩短；结构荷载计算时，设计人员要充分考虑建筑实际使用情况与可能的荷载组合，合理设计结构传力路径，让支座荷载处于安全范围；重要建筑的支座可安装荷载监测装置，实时获取受力数据，若发现荷载超预警值，需及时调整，如优化建筑内部荷载分布或者加固结构。某大型体育场馆运营中，荷载监测系统发现部分支座荷载接近临界值，于是调整了场馆内设备布置和人员活动区域，有效防止了因荷载过高造成的支座损坏事故，且建立定期支座检查制度，全面检测支座外观、变形和性能，及时发现潜在问题并处理，保障建筑结构长期安全稳定。

结论：弹性复位抗拔隔震支座抗拔刚度的影响因素被本研究通过有限元仿真技术系统而深入地研究，并且成功揭示了多因素如材料参数、几何构造、加载条件以及环境因素等对抗拔刚度的耦合作用机制。基于此提出抗拔刚度预测模型，这一基于多参数耦合的模型为弹性复位抗拔隔震支座的优化设计提供了重要理论支撑和实用工具。但是，本次研究存在一定局限性，未来研究可进一步考虑材料老化、地震动多维耦合效应等因素对抗拔刚度的影响，材料老化会使橡胶和钢板等材料性能改变从而影响支座长期性能，且在地震动多维耦合效应下支座受力状态更复杂其抗拔刚度变化规律也需要深入研究，不断完善研究内容有助于提高弹性复位抗拔隔震支座设计水平和应用效果从而给建筑结构抗震安全更可靠保障。

参考文献：

[1] 刘彦伟 ， 吴涛 ， 彭涛 ， 郝玉军 ， 郭进 ， 王军文 . 抗拔型三向隔震支座恢复力模型与力学性能研究 [J]. 三峡大学学报 （ 自然科学版 ），2025，47（03）：66-73.

[2] 刘彦伟. 基于抗拔型三向减隔震支座的高墩大跨连续刚构桥减震控制[D]. 石家庄铁道大学，2024.

[3] 余近安.U 形环- 摩擦摆组合型隔震支座力学性能及其应用研究[D]. 华中科技大学，2024.

[4] 方静. 装配式混凝土剪力墙隔震支座力学性能有限元分析 [D]. 长安大学，2024.

[5] 李晓东， 翁银绩， 陈恩亮， 郭明晶. 电磁吸盘- 摩擦摆复合隔震支座理论分析与试验研究[J]. 振动工程学报 ，2024，37（07）：1250-1258.

作者简介：王晴晴，1988.07，女，汉，山东省枣庄市，讲师，硕士研究生，工程结构抗震