積層橡膠的基本特性與設計製造

面壓時，應確保安定變形能力能夠順利發揮，因而設計時需限制最大面壓。最 大面壓與各個積層橡膠的水平變形能力有相當大的關連，並沒有一定的標準。

一般而言，最大壓面大致可考慮為σ_cr 2左右。文獻[4]提到相關試驗結果及其 理論解；以鋼板露出型積層橡膠與中間鋼板埋入型積層橡膠比較之下，中間鋼 板埋入型積層橡膠之水平剛性與面壓的相依性較大，在使用前須作充分檢討。

隨著隔震建築有愈來愈高的情形，積層橡膠則愈來愈有機會受到拉力的作 用。近年來，積層橡膠抗拉力特性的實驗研究亦增加了很多，積層橡膠的抗拉 力特性也愈來愈清楚與準確。圖2.3.2.1所示為積層橡膠受到拉力作用下，其拉 力荷重與拉力變形關係之例。在試驗中，試驗體為天然橡膠系列之積層橡膠，

其直徑500mm、橡膠總厚度 97.5mm。試驗中，先施加 200mm 的剪力變形後，

再以變位控制得到拉力變形。最大拉力變形量約與橡膠的總厚度一致（即拉力 應變為100%）。在圖2.3.2.1中可發現，積層橡膠的拉力特性為雙線性型的遲滯 圈特性，其拉力初期剛性為壓縮剛性的1/10∼1/15，2 次剛性則為初期剛性的 1/10，降伏應力（與一般的降伏現象有些不同，在此以降伏這個字眼來代表其 行為現象）為橡膠材料剪力模數的2∼3 倍左右。相較於壓縮特性，積層橡膠 的拉力特性非常軟弱。但拉力應變達100%之變形作用以後，其壓縮特性及壓 縮剪力特性所造成的變化非常小，亦即拉力作用之大變形對於積層橡膠的影響 並不顯著。實際設計允許積層橡膠承受若干程度的拉力變形（例如10%以下）。

但橡膠這一類的製品，剪力變形變大時，拉力變形能力可能會急速地降低，所 以容許拉力應變標準值之設定應更加審慎注意。當積層橡膠受到拉力變形後，

壓縮剛性及水平剪力剛性並未受到顯著影響，其原因目前並沒有明確的答案，

可為未來研究的課題之一。

當積層橡膠發生剪力變形時，其承受荷重之機制可以由單純的有效支持部 分來考慮（積層橡膠上下面之重疊部分），若壓縮荷重除以有效支持部分之面 積A_e所得之應力到達挫屈應力強度時，此時積層橡膠的變形狀態即為積層橡膠 的安定極限變形。有效支持面積A_e為水平變形量δ ，若其水平變形量δ 為積層 橡膠直徑的0.6 倍左右，且誤差量控制在 2%以下，其有效面積關係式可依

(

)

A_e= 1−1.2δ 求得。根據上述假設，可求得水平變形量與面圧的関係如圖 2.3.2.2點線所示。在圖2.3.2.2中可發現，隨著面壓愈來愈大，安定極限變形量 會直線下降。實際上，除了有效支持部分的支撐效果外，應還有如材料應變硬 化等的支撐能力，所以積層橡膠的安定極限變形能力應會在圖中的點線以上，

其中差異需視積層橡膠的形狀及軸力的大小而決定，故可求得，安定極限變形

δcr的下限値。

圖2.3.2.3所示為天然橡膠系列積層橡膠之壓縮剪力破壞試驗。橡膠厚度分

別為7mm (S₁=18)與 3.75mm(S₁=33)二類，其直徑均為 500mm，S₂=5。兩試驗 體的橡膠材料為同一種類，剪力彈性模數G為0.45N/mm²。在S₁=33 的試驗體 中，剪應變到達250%左右時，面壓並無顯著影響，幾乎獲得同樣的水平剛性。

其中，剪應變為積層橡膠的水平變形量除以橡膠總厚度之值。

另外，在S₁=18 的試驗體中，面壓到達 30N/mm²時，其水平剛性就會顯著 降低（如果面壓再增加時，連初期剛性也會降低，最後其剛性會得到負的斜率。

此時，積層橡膠已喪失其復原力了，已挫屈）但任何一種試驗之剪應變到達 300%以上時就會產生硬化現象，剪應變到達 400%左右就會發生破壞。從(2) 式中可以推估其挫屈應力，當S₁=18 (ζ =0.95)時，挫屈應力為 38.5N/mm²、當

S1=33(ζ =0.9)時，挫屈應力為 66.8N/mm²。圖2.3.2.2中顯示本試驗結果之破壞 斷裂的位置，在挫屈應力強度的0.5 倍以上之面壓作用下，應該具有直径 75%

以上的變形能力。2 次形狀係數S₂為5 的積層橡膠，其建議的破壞斷裂變位遠 大於安定極限變形量。

積層橡膠的變形能力與形狀、物性、軸力之間有相互關係，設計時，需適 當設形狀及橡膠物性所對應之水平變形量與軸力。隔震器的設計與採用，必要 時得對實際的製品作各種試驗，以其試驗結果來掌握隔震器的特性及品質。還 有，根據告示2010 號中的規定、廠商必須對其積層橡膠製品的極限面壓與剪 應變的關係進行相關的規定與說明。設計者則必須判斷這些極限性能的關係式 與說明是否是廠商由實驗的資料中整理得到的，設計者在充分瞭解這些積層橡 膠的性能特性後才可決定設計範圍及設計標準。

積層橡膠之耐久性及耐火性請參照文獻1。

隔震用阻尼器目前已開發許多類型，主要分成位移相依型(履歴減衰型)與 速度相依型(粘性減衰型)兩種。位移相依型阻尼器主要由鋼材或鉛等材料，利 用其塑性遲滯特性的阻尼器參考或以摩擦的方式來吸收能量的摩擦型阻尼器 皆稱為位移相依型阻尼器，（照片2.3.2.1）。速度相依型阻尼器主要利用粘（彈）

性材料的粘性抵抗作用而產生阻尼效用。隔震器與阻尼器分開配置時，阻尼器 不須分擔建築物的垂直荷重。

高阻尼系列積層橡膠鉛心置入型積層橡膠或滑動支承等隔震器與阻尼器 之機能一體時，其阻尼特性可能會隨著軸力的變化而有所變動，設計時必須考 慮此一因素。地震帶入建築物之能量需全部由阻尼器吸收。而隔震層最大變形 必須控制在某一個位移量內，所以阻尼器必須有相當的阻尼能力與變形能力。

2.積層橡膠的設計考慮因素

評估，遲滯圈特性安定的剪應變範圍因橡膠種類的不同而異，通常在 200%~300%之間。

(4) 橡膠總厚度：橡膠的厚度會因製造廠商的不同與使用材料的不同而不 同，通常會在20cm 左右。假設容許變形量約 40cm，性能保證剪應變為 200%，則橡膠總厚度為 20cm。橡膠的總厚度對於橡膠支承的彈簧係數 及容許變位有相當大的影響，所以考慮形狀係數因素時，需適當的設定。

(5) 面壓：垂直荷重的支持能力，一般以單位面積的荷重(kg/cm²)表示，稱之 為面壓。早期積層橡膠支承的面壓大多使用40~50kg/cm²的範圍內，但 現在由於製作方法改良及經過實驗確認後，面壓可較大，現在長期作用 力面壓一般控制在80~150kg/cm²左右。

(6) 形狀係數：形狀係數會影響積層橡膠的水平剛性及垂直剛性，其分為 1 次形狀係數(受壓面積/單一層橡膠的自由表面積)及 2 次形狀係數(積層橡 膠直徑/橡膠總厚度)。2 次形狀係數可檢核挫屈破壞，其值越大，則積層 橡膠受彎矩變形成分越小，即越不易發生挫屈，此2 次形狀係數通常為 4~5 左右，隨著橡膠的剪力彈性率的不同而異。

天然橡膠系積層橡膠支承、鉛心橡膠支承及高減衰積層橡膠支承的設計方 法大同小異。但設計時需考慮材料的剪斷彈性率或阻尼比對剪力變形之依存 性。鉛心橡膠支承於設計時，鉛棒的面積可由設計時設定的遲滯圈特性中鉛的 降伏強度計算求得之。計算水平剛性時，須考量鉛的剛性。

3.積層橡膠的製作方法

積層橡膠係將薄橡膠片與鋼板以三明治狀地交互夾層而形成，上下端部的 連接鋼板與翼板一體成型或以鏍栓連結二種方式，積層橡膠的製作流程如（圖 2.3.2.2）所示。

橡膠與鋼板積層後，於模具中加壓加溫(加硫工程)，使橡膠的彈性性能能 夠發揮，成為一個積層橡膠單元。

積層橡膠性能是否能發揮全賴鋼板與橡膠之接著程度，所以在製造上需重 視接著工程，其為橡膠與鋼板不同材料之接合，所以藉由接著劑在加壓力、加 溫下完成。

4.積層橡膠的極限變形

使用積層橡膠的隔震結構，其極限破壞狀態與積層橡膠的變形能力有很大 關係，所以設計時需掌握積層橡膠的極限變形能力。極限變形是從遲滯圈特性 的安定性評估，安定性失去的主要因素有：

(a) 橡膠到達伸長極限狀態 (b) 發生挫屈現象

(c) 發生遲滯圈特性的硬化現象

積層橡膠的剪力變形之破壞剪應變一般可達400%以上，此時水平載重約 達垂直載重的50%以上。

需一般在設計時，會使積層橡膠在地震發生時不受到拉力的作用，故一般 不需考慮積層橡膠的拉力特性。但現在的隔震結構之使用範圍越來越廣，積層 橡膠可能發生受拉力作用的情況，所以設計時亦須考量積層橡膠受拉力的特 性。

圖2.3.2.3所示為高減衰積層橡膠的受拉方向之遲滯圈特性，以及受拉力作

用下水平方向之遲滯圈特性。軸拉力為20kg/cm²時，隨反覆荷重作用時，張力 方向的軸向變形呈現穩定的現象。當軸拉力為50kg/cm²時，隨反覆荷重作用次 數的增加，張力方向的軸向變形有劇烈增加的趨勢，為不穩定的狀態。當軸拉 力為20kg/cm²時，遲滯圈所包圍的面積會變小，即能量的吸收能力亦會變小。