王夢(mèng)圓，鄭 威，施建波，李玉榮

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)置一道隔震層，將建筑物與基礎(chǔ)隔開，依靠隔震層的變形吸收、消耗地震波傳遞的能量，減少震動(dòng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用或延長(zhǎng)建筑物的基本周期，避免發(fā)生共振，從而達(dá)到隔震、減震的作用。文獻(xiàn)［1］研究表明:橡膠粒的存在可以有效地降低橡膠粒－砂混合物的動(dòng)剪切模量，使橡膠顆粒作為基礎(chǔ)隔震體系成為可能。文獻(xiàn)［2］中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)更進(jìn)一步證明了砂與橡膠?；旌细粽饓|層有著較好的隔震效果，由于隔震墊層將隔震結(jié)構(gòu)上、下斷開，所以容易產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)問題，而高寬比比值是研究結(jié)構(gòu)抗傾覆性能的關(guān)鍵影響因素，因此本文通過抗傾覆性振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究砂與橡膠粒隔震墊層下隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆特性。

1 基本假定

隨著隔震技術(shù)研究的深入，基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)研究范圍從低層建筑向多、高層建筑拓展。多、高層建筑采用隔震技術(shù)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆特性成為關(guān)鍵問題。高寬比比值較大且水平剛度很小的建筑隔震結(jié)構(gòu)，在地震作用下非常容易發(fā)生剪切破壞，在進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)應(yīng)按多質(zhì)點(diǎn)體系來研究，試驗(yàn)中將隔震體系上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)剪切模型結(jié)構(gòu)，為使試驗(yàn)結(jié)果更加合理，需對(duì)隔震體系上部結(jié)構(gòu)作一些基本假定:

1)模型結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心重合，忽略上部結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng);

2)模型每層樓面平面內(nèi)剛度無(wú)限大;

3)結(jié)構(gòu)的傾覆力矩大于抗傾覆力矩時(shí)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)處于傾覆狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)的傾覆力矩計(jì)算公式為

采用表征系數(shù)公式為

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩計(jì)算公式為

試驗(yàn)是以砂與橡膠?；旌细粽饓|層、純砂隔震墊層、非隔震情況作為研究對(duì)象，通過4 組高寬比比值為1.0，2.0，3.0，4.0 的框架結(jié)構(gòu)模型，以系數(shù)β=抗傾覆力矩/傾覆力矩來表征結(jié)構(gòu)的抗傾覆性，分析不同墊層類型、墊層厚度及加速度峰值條件下的高寬比變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆性的影響，探究砂與橡膠?；旌细粽饓|層下的變高寬比結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

1)振動(dòng)臺(tái)。為杭州邦威儀器廠的ES－E20 單自由度電動(dòng)伺服振動(dòng)臺(tái)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 振動(dòng)臺(tái)主要參數(shù)

試驗(yàn)中振動(dòng)臺(tái)的整體裝置設(shè)置如圖1所示。

2)加速度傳感器。選用北京波普公司的BZ1110 壓電式傳感器，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 壓電式傳感器主要參數(shù)

3)數(shù)據(jù)采集儀。選用北京波普公司的WS－5923 型綜合數(shù)據(jù)采集儀，由電荷放大器、功率放大器、控制信號(hào)源和16 路數(shù)據(jù)采集通道組成。

2.2 模型的選擇

1)試驗(yàn)用條形砂箱設(shè)計(jì)。為更真實(shí)的模擬單層、單跨建筑在地震作用下的反應(yīng)，將單支點(diǎn)簡(jiǎn)化模型改進(jìn)為多支點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，采用雙條形支座砂箱作為隔震墊層底座。

條形砂箱的設(shè)計(jì)，根據(jù)臺(tái)面尺寸以及所用材料用量的計(jì)算要求，選用2 mm 厚的鋼板軋制而成，長(zhǎng)×寬×高=700 mm ×150 mm ×200 mm。為了使砂箱很好的固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，防止其在振動(dòng)臺(tái)起振時(shí)發(fā)生滑移，通過螺母將砂箱與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面緊固的連接在一起。

2)上部結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)。試驗(yàn)采用不同高寬比比值的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，經(jīng)簡(jiǎn)化，假設(shè)結(jié)構(gòu)樓面的平面內(nèi)剛度無(wú)限大，而且質(zhì)量中心和剛度中心重合，用厚5 mm 的鋼板來代替結(jié)構(gòu)的每層樓板，節(jié)點(diǎn)處采用半剛性連接，上部結(jié)構(gòu)模型的平面尺寸為30 mm×20 mm，層高為20 mm，通過改變層數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的高寬比比值。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中所用材料:平均直徑為5 mm 的石英砂與平均直徑為3 mm 的橡膠粒。砂與橡膠粒(含量為50%)混合隔震墊層、純砂隔震墊層均采用表3中墊層厚度為6 cm、12 cm、18 cm 的試驗(yàn)方案，而非隔震的情況采用墊層厚度為0 cm，且不考慮上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接作用的試驗(yàn)方案。

2.4 試驗(yàn)加載方式

考慮單向水平地震作用，且加速度方向垂直于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)邊及條形支座，檢驗(yàn)在垂直波下，滑移隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。

試驗(yàn)采用EI－Centro 波，通過濾波軟件濾波后的地震波的最大加速度為220 cm/s2，時(shí)間間隔為0.02 s，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為20 s，積分后最大位移滿足振動(dòng)臺(tái)最大位移的要求(50 mm)，為研究不同加速度峰值條件下的結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能，采用加速度峰值為30 cm/s2、100 cm/s2、220 cm/s2。地震波的波形如圖2所示。

表3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 抗傾覆性能分析

將采集的每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，提取最大加速度值作為研究對(duì)象。通過得出的加速度值計(jì)算各個(gè)模型的傾覆力矩、抗傾覆力矩和表征系數(shù)，對(duì)比不同影響因素下變高寬比結(jié)構(gòu)的抗傾覆性，從而證明高寬比限值的重要性，為下一步研究復(fù)合隔震墊層隔震結(jié)構(gòu)的高寬比限值提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3.1 墊層厚度因素的影響

選用峰值加速度為220 cm/s2工況下的不同墊層厚度的結(jié)構(gòu)抗傾覆性進(jìn)行分析(見圖3)。當(dāng)取隔震墊層厚度為6 cm 時(shí)，同高寬比比值隔震結(jié)構(gòu)的表征系數(shù)較小，說明其抗傾覆性較小，隨著隔震墊層厚度增加至18 cm，同高寬比比值隔震結(jié)構(gòu)的表征系數(shù)增大，說明其抗傾覆性相對(duì)提高。隨著高寬比比值的增大，隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性明顯降低，而且墊層厚度對(duì)抗傾覆性的影響相對(duì)減小。隨著墊層厚度的增加，隔震結(jié)構(gòu)在砂與橡膠?；旌细粽饓|層下整體的抗傾覆性均比純砂墊層下的提高很多。因此墊層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能是有益的，但并不是厚度越大抗傾覆性越好，最優(yōu)厚度有待進(jìn)一步研究。

3.2 墊層類型因素的影響

選擇墊層厚度為12 cm，三種墊層工況下的各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，比較不同加速度峰值下的不同隔震墊層的表征系數(shù)(見圖4)。當(dāng)隔震結(jié)構(gòu)在高寬比比值較小時(shí)，表征系數(shù)較大，即表示結(jié)構(gòu)的抗傾覆性強(qiáng)，隨著比值的增加，結(jié)構(gòu)的抗傾覆性呈下降趨勢(shì)。隔震結(jié)構(gòu)隨著墊層類型的不同，結(jié)構(gòu)的表征系數(shù)變化很大，說明結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能也相差很大。

從圖4 中很明顯的看出，結(jié)構(gòu)在隔震的情況下的表征系數(shù)要比非隔震情況下提高很多，而砂與橡膠粒混合隔震墊層情況下的比純砂隔震墊層情況略有提高，這說明結(jié)構(gòu)在隔震情況下的抗傾覆性比非隔震情況下提高很多，而橡膠粒的摻加可以有利于改善結(jié)構(gòu)的抗傾覆性。

3.3 加速度峰值因素的影響

在不同加速度峰值的條件下，選取砂與橡膠?；旌细粽饓|層的不同厚度工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加速度峰值對(duì)變高寬比隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆性表征系數(shù)如圖5所示，在某一特定的隔震墊層厚度時(shí)，在結(jié)構(gòu)同一高寬比比值的情況下，隨著加速度峰值的增加，結(jié)構(gòu)的抗傾覆表征系數(shù)呈降低的趨勢(shì)，即隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性降低。隨著墊層厚度的增加，加速度峰值的變化對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性整體的影響趨勢(shì)減小，并且隨著高寬比比值的增大，減小程度越小。

4 結(jié)論

1)隨著墊層厚度的增加，隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性有所提高，表明墊層厚度的增加對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆性是有益的，但并不是墊層厚度越厚，抗傾覆性越好，最優(yōu)厚度有待于進(jìn)一步研究。

2)橡膠顆粒具有較好的彈性性能和抗疲勞性能，與純砂墊層相比，橡膠粒的加入能夠進(jìn)一步改善砂墊層的隔震性能，使隔震墊層在地震時(shí)很快進(jìn)入工作狀態(tài)，因此，結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能在砂與橡膠粒隔震墊層下要優(yōu)于純砂隔震墊層，且非隔震情況下的抗傾覆性能最弱。

3)上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)隨加速度峰值的增大呈增大趨勢(shì)，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性具有明顯的消弱作用。

［1］尚守平，歲小溪，周志錦，等.橡膠顆粒－砂混合物剪切模量的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(2):377－381.

［2］施建波，王晴晴，王夢(mèng)圓，等.砂與橡膠粒隔震層的地震響應(yīng)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(6):90－92.

［3］李宏男，王蘇巖，賈俊輝.采用基礎(chǔ)摩擦隔震房屋高寬比限值的研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，1997，17(3):73－76.

［4］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011－2010 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.