天然橡胶材料压剪试验分析

黄山，戴纳新，付聪，郑国堔

（1 南华大学 土木工程学院，湖南衡阳 421001；
2 南华大学长三角（诸暨）研究院，浙江绍兴 311800；
3 福建江夏学院工程学院，福建福州 350108）

2011 年东日本大地震发生后，日本隔震协会(JSSI)发现有15%的隔震建筑的隔震支座发生了一定程度的损坏，有5 栋建筑的铅芯橡胶隔震支座甚至出现了裂缝[1]。部分隔震层甚至还出现了伸缩接头破坏及阻尼装置的损坏(包含疲劳裂缝)问题[2]。因此，有必要对隔震支座的极限性能展开研究。

天然橡胶隔震支座是当前应用最为广泛的支座类型之一。其所需材料主要为钢材及橡胶，橡胶更是隔震支座的主要组成材料，因此对橡胶材料力学性能进行研究具有重要的现实意义。在隔震支座中，天然橡胶的主要受力形式是压剪，对隔震支座的压剪试验已有充分的研究[3-5]，但是对橡胶材料的力学试验研究主要集中于单轴拉伸试验、平面拉伸试验、等双轴拉伸试验及简单剪切试验[6]，竖向压应力与水平向剪应力同时作用的研究还较少。因此本文基于天然橡胶的简单剪切试验，设计了一种天然橡胶的压剪试样，依靠高强螺栓的预拉力为天然橡胶提供压应力，万能试验机提供剪切力，符合天然橡胶隔震支座中橡胶层的边界条件及受力情况，有助于研究隔震支座中橡胶层的力学性能，为隔震支座的研究提供参考。

1.1 试样制作

选择由云南震安减震科技股份有限公司提供的三块简单剪切试样进行压剪试验，橡胶材料硬度为42HA，钢板与橡胶板硫化在一起，形成对称双夹层结构。

在简单剪切试验试样的基础上，外部用两块钢板包围，再用高强螺栓固定，为橡胶板提供压应力，用万能试验机为橡胶板提供剪应力，橡胶层与钢板层连接采用与隔震支座相同的方法处理，将二者硫化到一起，可以得到近似橡胶在隔震支座中的力-位移曲线，并可进一步研究压应力对橡胶剪切模量的影响。试样如图1 所示。

图1 天然橡胶压剪试验试样尺寸及实物图

高强螺栓选用M12，8.8 级4 根，每两块橡胶板与钢板的接触面积为25×25=625mm2，目标压 应力取值7MPa、10MPa，则高强螺栓的预拉力共为8750N、12500N，平均每根高强螺栓的预拉力约为2188N、3125N，使用可显式扭矩的扭矩扳手将高强螺栓拧紧到合适值。对其进行压剪试验，得出压应力对橡胶剪切模量的影响，其中10MPa 压应力对应所需的总预拉力为12500N，每根高强螺栓的预拉力为3125N，将其换算为扭矩，根据扭矩换算公式：

式中：T 为扭矩，N·m；
k 为扭矩系数，根据机械手册取k=0.2；
d 为螺栓公称直径，m；
F 为目标预拉力，N。

根据所需7MPa 及10MPa 取扭矩值分别为5N·m 及7.5N·m。

1.2 试验方案

压剪试验与简单剪切试验所用设备相同，使用万能试验机拉伸试样，借鉴规范[7]对简单剪切试验的要求进行压剪试验，试验方案如表1 所示。

表1 橡胶压剪试验方案

扯断试验则对A1、A2、A3 三个试样进行拉伸扯断试验，加载速率为500mm/min。

压剪试验拉伸装置为电子万能试验机CMT-6503，如图2 所示，量程5kN，准确度等级1 级，采用接触式应变测量方法。试验在云南震安减震科技股份有限公司物理实验室恒温实验室进行，温度恒定在25℃。扯断试验所用实验仪器为CMT-4104，最大力为10kN，准确度等级为0.5 级，于云南震安减震科技股份有限公司力学实验室完成。

图2 压剪试验图

2.1 压剪试验

天然橡胶的压剪试验如图2 所示，不同速度下的试验结果如图3—图5 所示。

图3 A1、A2、A3剪应变100%不同速度下滞回曲线

图4 A1、A2、A3剪应变200%不同速度下滞回曲线

图5 A1、A2、A3剪应变300%不同速度下滞回曲线

通过试验结果可以发现，拉伸速度对橡胶板滞回曲线影响不大，但过高的速度会产生一定惯性，使得拉伸位移超过目标值，如图6—图8 所示。

图6 50mm/min下剪应变100%滞回曲线

图7 50mm/min下剪应变200%滞回曲线

图8 50mm/min下剪应变300%滞回曲线

对比无压应力作用、纯剪切的试验可以发现，施加正向压应力后，随着压应力的增加，橡胶板的“滞回环”逐渐增大，橡胶板的耗能能力增强。同时，橡胶板的最大剪力值也不断增大，且随着剪应变的增加，压应力对橡胶板的影响逐渐减小。在无压应力作用下，剪应变为300%以下时，橡胶板基本表现为弹性，与之对应的有压力作用下的橡胶板则表现出非线性，且随着剪应变的增大，非线性也逐渐增强。由上图可以发现，拉伸方向的剪力最值大于压缩方向的剪力最值，这是由于压缩方向随着位移的不断增加，逐渐出现失稳现象，使橡胶的受力无法达到最大值。

由于加载速率与橡胶的剪切模量相关性较低，对各速度产生的剪切模量取平均值，则橡胶的剪切模量如图9 所示。随着正向压应力的增加，橡胶板的剪切模量逐渐增加；
随着剪应变的增加，剪切模量逐渐降低。正向压应力可以使橡胶板由于泊松效应产生横向变形，进而产生额外摩擦力，使单位位移的所需剪力增大；
剪应变的不断增加可以使橡胶板出现软化效应，使橡胶板变软导致单位位移所需剪力减小。

图9 不同扭矩下橡胶试样的剪切模量

2.2 扯断试验

由图10 可知，试样A1 的极限剪力为4473N，极限变形为76.8mm，对应的剪应变为768%；
试样A2 的极限剪力为6202N，极限变形为71.5mm，对应的剪应变为715%；
试样A3 的极限剪力为7269N，极限变形为65.1mm，对应的剪应变为651%。试样A1—A3 正向压应力逐渐增大，随着正向压应力的增加，橡胶板的极限抗剪强度得到提高，但极限变形能力下降。在对橡胶板施加压应力时，橡胶板便发生一定程度的竖向变形，由于橡胶几乎为不可压缩材料，则在水平向，橡胶也产生部分变形，消耗了部分变形能力；
橡胶的横向变形也会使其与钢板层产生一定接触，在竖向压力的作用下产生一定大小的摩擦力，导致达到极限抗剪强度时的剪力增大。

图10 扯断试验结果

试验后的断面图如图11 所示。由图可知，橡胶层的断裂发生在接近钢板层的位置，在一侧橡胶发生撕裂破坏后，由于受力情况变为仅对一侧橡胶板受力，则该侧的橡胶板与钢板层硫化处破坏，橡胶层与钢板层彻底分离。四个试样的扯断破坏均为橡胶板的撕裂导致。

图11 试样扯断断面图

本文通过对天然橡胶进行压剪试验及压剪扯断试验，对天然橡胶进行了力学性能研究，得到以下结论：

（1）随着压应力的增加，橡胶板的“滞回圈”逐渐增大，橡胶板的耗能能力增强，最大剪力值也不断增大，剪切模量逐渐增加。随着剪应变的增加，剪切模量逐渐降低，压应力对橡胶板的影响逐渐减小；

（2）在无压应力作用下，剪应变为300%以下时，橡胶板基本表现为线性，与之对应的有压力作用下的橡胶板则表现出非线性，且随着剪应变的增大，非线性也逐渐增强；

（3）随着正向压应力的增加，橡胶板的极限抗剪强度得到提高，但极限变形能力下降。橡胶层的断裂发生在接近钢板层的位置。