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柔性与刚性层合结构胶层剪切应变 的同步观测与实验研究 1.材料性质 2.工程背景 3.材料来源尺寸 4.实验过程及数据处理 层合材料的性质简介 橡胶支座是典型的柔性和刚性层合 材料，橡胶与钢板的弹性模量之比 为 1/200。在橡胶支座内部存在较 大的应变集中现象，其最大值出现 在柔性和刚性层合界面的边缘。剪 应变集中系数与宏观剪应变呈线性 关系，当宏观剪应变为 60%时，剪 应变集中系数高达 10倍。 橡胶材料具有独特的粘弹 性行为，既可以像弹簧一 样通过弹性形变吸收储存 能量，又可以通过其粘弹 性大幅度地消耗能量，这 种能力是其它材料所不具 备的。 由于泊松效应材料受压 时将产生横向膨胀变形。 板式橡胶支座内设置的 钢板约束橡胶的横向膨 胀变形，使得橡胶在受 压时横向变形减少，提 高了竖向承载能力和竖 向抗压刚度。 试样的损伤萌生于应变集中系数最 高的部位，损伤现象为脱胶、空穴， 裂纹。因此，必须严格控制橡胶与 钢板层合（粘结）质量，确保支座 内部橡胶层和 304不锈钢板 的平整 度、平行度及粘结强度，保证支座 各橡胶层的性能均匀性。 实验研究的工程背景 板式橡胶支座是重要的承力和抗 震减振装置，由多层橡胶与钢板 叠合而成。在桥梁以及其他建筑 上使用十分广泛。 tba baS )(2 b a t 形状系数 橡胶支座的劣化过程通常经历橡胶 支座承载后，表面或内部产生应力 集中 裂纹萌生 裂纹成长 保护 层贯穿 钢板外露 钢板氧化 钢 板锈蚀脱胶 支座压溃（失稳）或 钢板断裂。劣化过程是一个漫长的 过程，影响橡胶支座正常使用需要 相当长的过程。裂纹的萌生是损伤 或劣化的启始标志。但目前广泛出 现的早期劣化是极不正常的。 支座病害 (更换前 ) 材料来源及尺寸 研究用柔性和刚性层合材料直接取 自橡胶支座成品。切去橡胶保护层， 在柔性和刚性层合材料界面边缘橡 胶上绘制网格标记。 试样截面尺寸： 150mm*150mm 网格尺寸： 2mm*2mm 网格的绘制与尺寸 标 尺 绘 制 网 格 网格尺寸： mm mm 实验过程简介 为了实时观测试样在变形过程中 的位移场的变化 , 用显微摄像头 , 通过显示屏观测和监控放大的试 样表面图像 , 并记录试样在受力、 变形的过程中位移场的变化。 1钢板； 2橡胶层； 3 垫板； 4 显微摄像头； 5 图象采集器 *观测系统示意图 加 载 前 试 件 载荷为时试件图象 实验数据处理及结果 研究证明，在橡胶层与钢板连接的 边缘处存在较高的应变（应力）集 中的现象。根据实验图像经图像处 理技术分析后得到的相应剪应变分 布曲面图。 剪 应 变 分 布 曲 面 图 剪应变分布曲面图 剪应变分布曲面图 结果分析 从橡胶层的中间位置到与钢板的交 接处，剪应变（应力）逐渐增大， 开始比较平缓，基本成线形变化， 到橡胶与钢板连接面边缘处剪应变 （应力）急剧增大，局部应变集中 系数最大。 由于钢板的弹性模量是橡胶的 200 倍，所以在整体受压的情况下，橡 胶的形变量要远大于钢板，相对与 橡胶而言， 无缝钢管 钢板可视为刚 体，因此由钢板对橡胶横向变形的 约束导致橡胶层内部剪应变的增长 基本上是线形的。 在橡胶的中间层，对变形的约束主 要来自于相邻胶层对其的约束，由 于弹性模量相同，约束的传递基本 相同，橡胶与钢板黏结层附近，由 于钢板的变形几乎为零，导致橡胶 的横向变形急剧减小，相应的剪应 变急剧增大。这与我们实验分析所 得到的结果是基本吻合的。 Thank you!
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