Page 313 - 《振动工程学报》2026年第5期

第 5 期 何文福，等：橡胶支座剪拉变形竖向拉伸力学性能试验及参数 GA-BP 预测研究 1517

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刚度和屈服应力有减小的趋势。闫维明等 采用 Koh- 层数为 16，钢板厚度为 1 mm。支座构造尺寸如图 1(a)
Kelly 双弹簧模型，推导了橡胶支座拉伸刚度理论计算 所示，支座其他参数如表 1 所示。支座采用的橡胶
公式，通过有限元模拟及支座拉伸试验验证，该公式可 剪切模量为 0.55 MPa，体积模量为 2100 MPa。
较好地分析橡胶支座在小剪切变形下拉伸刚度的变
螺栓 10 连接钢板
[7]
化。薛彦涛等 对直径 500 和 1000 mm 的橡胶支座进
行了定剪切变形下竖向单调拉伸和循环拉伸试验，两
橡胶层
者骨架曲线基本吻合，并采用双线性模型确定拉伸刚
钢板层 75.8
度和屈服应力，与试验曲线吻合较好。
隔震橡胶支座的受拉分析常采用弹性分析方 封板
100
法，但剪切变形下拉伸刚度和屈服应力的取值至关
(a) 支座构造尺寸(单位：mm)
重要，严重影响隔震建筑倾覆验算的准确性。URYU (a) Dimensions of bearing structure（Unit：mm）
等 [8] 考虑橡胶拉伸体积模量的影响，假设竖向拉伸
刚度与竖向压缩刚度类似，给出了隔震橡胶支座拉
伸刚度计算公式。党育等 [9] 提出的剪切变形下橡胶
支座的竖向拉伸刚度计算公式可准确预测罕遇地震
下高层隔震结构的安全性，但该公式基于小变形假
设，当剪切变形较大时，具有一定误差。由于隔震橡
胶支座的竖向拉伸刚度往往由多种因素确定，运用
传统拟合方法公式复杂且拟合效果不佳。
神经网络方法具有高容错性、自组织和自学习 (b) 拉伸试验机
功能，且训练好的神经网络还可以对学习样本之外 (b) Machine of tensile testing
的输入样本进行预测 [10] 。已有学者将神经网络应用 图 1 支座构造尺寸及试验装置
于工程抗震领域。刘鸣 [11] 考虑了多参数对位移延性 Fig. 1 Dimensions of bearing structure and test device

系 数 的 影 响 并 建 立 反 向 传 播 算 法（ back propagation
表 1 试验试件规格
algorithm，BP）神经网络预测模型，结果表明，该模型
Tab. 1 Specification of test specimens
相较于传统曲线拟合方法具有更高的准确性。陈凌
试验体规格 RB-1 RB-2
阳等 [12] 利用大量有限元模型建立了橡胶隔震支座竖
直径/mm 100 100
向压缩刚度的 BP 神经网络预测模型，并对该模型的 剪切模量/MPa 0.55 0.55
预测效果进行评估，结果表明，BP 神经网络预测模 橡胶层厚度/mm 1.3 1.3
型能更好地解决多变量线性耦合问题。 橡胶层数 16 16
综上所述，尽管学者对橡胶支座的拉伸力学性 钢板厚度/mm 1 1
能开展研究，但都集中于纯拉状态下的力学性能分 第一形状系数S1 19.23 19.23
析，在实际地震作用下高层或大高宽比隔震结构会 第二形状系数S2 4.81 4.81

进入剪拉状态，因此有必要对支座的剪拉力学性能
进行研究。本文对直径 100 mm 的叠层橡胶支座进 1.2 试验加载装置及方案
行了单向拉伸试验并建立 ABAQUS 支座精细化模
竖向拉伸试验采用 100 kN 数控试验拉力机完
型，利用已验证的有限元模型进行多工况分析，研究
成，如图 1(b) 所示。下加载板下方设置了位移传感
剪切应变对支座拉伸刚度及屈服应力的影响。基于
器，用于测量支座竖向变形，拉伸力则由上加载板上
大量的有限元模型和试验数据构建样本数据集，建
方力传感器测得。拉伸力学性能试验方案是在水平
立叠层橡胶支座在剪切变形下的竖向拉伸刚度及屈
位移为 0 的工况下，由位移控制试验过程，竖向拉伸
服应力的遗传算法优化反向传播（genetic algorithm-
应变从 0% 增大到 100%，往复循环 2 次。
back propagation，GA-BP）神经网络预测模型。

1.3 试验结果分析
1 橡 胶 支 座 竖 向 拉 伸 试 验
试验得到 RB-1 和 RB-2 在拉伸应变下的竖向拉

伸滞回曲线，如图 2(a)、(b) 所示。由试验曲线可知，
1.1 试验体
试件的屈服荷载大约为 5 kN，即屈服应力 (σ vty ) 为 0.8
本文设计了直径为 100 mm 的天然橡胶支座，中 MPa， RB-1 和 RB-2 屈 服 前 刚 度 分 别 为 10.12 和 9.23
孔直径设置为 10 mm，橡胶层厚度为 1.3 mm，橡胶层 kN/mm， 屈 服 后 刚 度 分 别 为 0.56 和 0.62 kN/mm。 相