尚守平，蘇　俊,崔向龍

(湖南大學 土木工程學院 湖南 長沙　410082)

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三維復合隔震墩試驗研究*1

尚守平?，蘇俊,崔向龍

(湖南大學 土木工程學院 湖南 長沙410082)

針對國內(nèi)現(xiàn)有隔震裝置在豎向隔震的空白，以基礎隔震原理為依據(jù)，在鋼筋瀝青復合隔震層的基礎上，提出并開發(fā)了一種新型三維隔震裝置——三維復合隔震墩，在減輕水平地震的同時也能有效地進行豎向隔震，并介紹了其構成及工作原理．用剛體質(zhì)量塊作為上部結(jié)構，對三維復合隔震墩進行振動臺模擬試驗.結(jié)果表明，該三維復合隔震裝置豎向及水平向隔震效果均顯著，還具有造價低廉、構造簡單等特點，十分適用于我國村鎮(zhèn)地區(qū).

豎向隔震；三維復合隔震墩；振動臺試驗；隔震效果

隨著建筑結(jié)構的不斷發(fā)展，基礎隔震已經(jīng)完成了從理論再到實踐的過程，取得了巨大的進步．在人們的觀念中水平地震作用占據(jù)了主導地位，在以往的地震研究中，大部分結(jié)構只考慮了水平地震作用，認為豎向地震作用在大部分情況下可不予考慮.然而，地震運動實際上是三維的，不僅具有水平向的運動而且還具有豎向的運動．隨著地震領域研究中測震技術的深入發(fā)展，在近年來的一些強烈地震中，也獲得了很多關于豎向地震的記錄，如1999年臺灣Chi-Chi地震和2008年汶川地震，這些數(shù)據(jù)都顯示了豎向地震的影響很大，不容忽視[1].由地震反應譜曲線可知，由于結(jié)構豎向剛度較大，結(jié)構豎向周期較小，因此地震影響系數(shù)都較大[2-4].因此，研究開發(fā)具有抵御豎向地震和水平地震的低成本三維隔震技術具有迫切的現(xiàn)實意義.

本文針對豎向地震不容忽略的情況提出了一種三向隔震裝置——三維復合隔震墩，它以鋼筋瀝青復合隔震層[5-7]為基礎，在考慮豎向隔震的同時兼顧水平隔震.為了更好地了解三維復合隔震墩的性能，在理論研究基礎上，進行了振動臺試驗，以檢驗其實際隔震效果.

1　三維復合隔震墩構造

三維復合隔震墩由4個方面組成，分別為上墩塊、下墩塊、隔震單元以及瀝青油膏.三維復合隔震墩設置在上部結(jié)構與基礎之間作為隔震層，依據(jù)工程具體情況確定三維復合隔震墩的數(shù)量.隔震單元由一定數(shù)量的彈簧與鋼筋籠組成，彈簧通過鋼筋籠錨固在上墩塊與下墩塊上，依據(jù)三維隔震體系豎向振動的振幅來確定上墩塊底面和下墩塊兩側(cè)的護板頂面的間隙，同時護板的總承載力不應小于隔震單元中所能承受承載力的2倍，以確保其可作為隔震層的第二道防線.瀝青油膏作為防銹與阻尼材料，可在上下墩塊之間進行填充，可以保護隔震單元中鋼筋與彈簧不銹蝕，提高耐久性的同時也作為阻尼材料，消耗一定的地震能量，為滿足上述要求`瀝青油膏需要具備冬天不結(jié)硬、夏天不流淌的特性[8].三維復合隔震墩構造如圖1所示.

圖1　三維復合隔震墩示意圖Fig.1　Sketch of three-dimensional composite isolation pier

三維復合隔震墩中隔震單元是隔震體系中最為關鍵的部分，在隔震單元中，彈簧既作為水平隔震構件，又作為豎向隔震構件，通過調(diào)整彈簧的數(shù)量，直徑和圈數(shù)等來確定適宜的水平剛度和豎向剛度，使彈簧在水平向及豎向都具有較小的剛度，這樣隔震層在整個隔震體系中剛度較小，從而延長了結(jié)構的自振周期，使地震時位移集中在隔震層，從而達到減弱和隔離地震的作用.

當裝有三維復合隔震墩的隔震建筑處于多遇地震狀態(tài)時，上部建筑在3個方向上作彈性往復運動，隔震單元處于彈性狀態(tài)，同時由于隔震墩的減震作用，上部結(jié)構的運動加速度大大減小，基本不會受到地震破壞，而隔震墩也在震后復位，達到“中震不壞”的設防要求.而在遭遇罕遇地震時，隔震墩中彈簧在三向振動中受力會超過屈服強度，出現(xiàn)塑性變形，當塑性變形到一定程度時，隔震單元失去承載能力，在設計隔震單元時，確保隔震彈簧不會斷裂，只在罕遇地震下達到屈服，不再承重，這時上部結(jié)構會落在隔震墩下墩塊的護板上，護板強度經(jīng)過驗算，由護板承受上部荷載，保持一定的減小加速度的作用，防止上部結(jié)構倒塌，達到“大震不倒”的目的.

2　隔震單元減震設計

2.1彈簧豎向剛度

彈簧豎向剛度kv作為彈簧的主要參數(shù)之一，由式(1)求得：

(1)

式中：G為切變模量;d為彈簧絲徑;C為彈簧旋繞比;n為彈簧有效圈數(shù).

因此隔震層內(nèi)N根彈簧的豎向剛度為Kv：

(2)

2.2彈簧水平剛度

由于彈簧水平剛度的計算一直沒有一個精確的定論，參考文獻[9-10]，則單根彈簧水平剛度kh為：

(3)

(4)

(5)

H=H0-λ-d.

(6)

式中:P為彈簧所承受的上部荷載;B為彈簧等效彎曲剛度;S為彈簧等效剪切剛度;E為彈性模量;G為剪切模量;D為彈簧中徑;H0為彈簧有效高度;H為彈簧計算高度;λ為彈簧壓縮量;d為彈簧絲徑.

因此隔震層內(nèi)N根彈簧的水平剛度為Kh：

Kh=Nkh.

(7)

2.3減震設計

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》求出三維復合隔震墩豎向自振周期和水平自振周期：

(8)

(9)

式中:GGEk為上部結(jié)構重力荷載代表值.

得到自振周期后，通過反應譜得到加速度影響系數(shù)α1v與α1h，由于在對地震力的計算中采取等效重力荷載與加速度影響系數(shù)的乘積形式，為了更加方便直觀地體現(xiàn)隔震體系的隔震效果，本文定義了三維復合隔震墩中的水平減震系數(shù)βh和豎向減震系數(shù)βv:

(10)

(11)

由于農(nóng)村民居多為砌體結(jié)構，剛度較大，周期較短，因此α2h取水平加速度影響系數(shù)的最大值，α2v取豎向加速度影響系數(shù)的最大值.

3　三維復合隔震墩振動臺試驗設計

3.1試驗模型制作

本試驗采用的三維復合隔震墩是根據(jù)上部質(zhì)量采用2t重力塊的振動臺試驗進行設計的.通過地震作用以及上部結(jié)構承受的重力荷載來確定彈簧的受力情況，以此確定彈簧的數(shù)量、外徑、圈數(shù)等參數(shù).下墩塊兩側(cè)護板的總承載力不應小于兩倍的上部重力荷載，確保在彈簧失效以后，上部結(jié)構落在護板上，避免倒塌發(fā)生.

在試驗中設計隔震墩高為400mm，采用C30混凝土，鋼筋籠為HRB400鋼筋，直徑為8mm，設計每個隔震墩包含3個隔震單元，彈簧中徑為40mm，彈簧絲徑為8mm，高度為280mm，其中上下兩端各有60mm埋入墩塊內(nèi)，具體尺寸見圖2，由于考慮到本試驗時間不長，不考慮三維復合隔震墩中的防水防銹要求，因此在本次試驗中未填充瀝青油膏，三維復合隔震墩實物如圖3所示.

圖2　三維復合隔震墩尺寸圖(mm)Fig.2　Size of three-dimensionalcomposite isolation pier(mm)

圖3　三維復合隔震墩實物圖Fig.3　Real object

3.2試驗設備及測點布置

試驗在湖南大學工程結(jié)構綜合防護實驗室中進行，振動臺采用某機械廠制作的ZP1.2×1.4振動臺，臺面尺寸為1.2m×1.4m,最大負載為3t，可輸出三向正弦波，頻率可在5～20Hz之間調(diào)節(jié)(通過水平振動臺測試，這種彈簧隔震墩消減地震作用效果極好；故在有限條件下用三維輸出正弦波的振動臺來考察彈簧隔震墩的豎向隔震效果也是具有參考價值的)，通過臺面螺栓孔與三維復合隔震墩相連接，由于農(nóng)村房屋多為砌體結(jié)構，剛度較大，因此用2t重的鋼筋混凝土試塊代表上部結(jié)構進行試驗.由于需要測量振動臺輸入加速度與上部結(jié)構輸出加速度，因此試驗采用中國工程力學研究所開發(fā)的拾振器(941B型)，測點布置如圖4所示，測點1,2,3及4,5,6分別表示測量豎向、水平X方向和水平Y(jié)方向的加速度.

圖4　拾振器測點布置圖Fig.4　Sketch of the arrangement of the transducers

3.3試驗方案

采用ZP1.2X1.4振動臺進行三向試驗，由以往經(jīng)驗可知，豎向地震的卓越頻率較小，在6.7～10Hz之間，因此試驗選取了6～9Hz的工況進行試驗.振動臺三向輸出正弦波，正弦波持續(xù)時間為30s，振動平臺在起振3～4s后正弦波輸出達到最大功率，同時加速度幅值達到最大值，此后持續(xù)等幅振動直至結(jié)束.在振動臺面上布置拾振器測量隔震輸入加速度，在剛體塊頂面上布置拾振器測量隔震輸出加速度，由加速度時程獲得加速度折減系數(shù)，振動臺試驗裝置見圖5.

以一種含半乳甘露聚糖的天然植物膠為原料，在強堿條件下，采用活性物質(zhì)對其進行醚化(見式(1)與式(2))，然后再加入一種低黏疏水性物質(zhì)，充分攪拌，使改性后的植物膠表面通過物理黏附一定量的疏水性物質(zhì)，最終得到一種黏稠狀(黏度60～90 mPa·s)的復合改性植物膠作為膠塞稠化劑。該稠化劑在常溫下的水溶性較差，分散性好，但隨著溫度的升高，水溶性急劇增大。

4　試驗結(jié)果及分析

4.1試驗結(jié)果

為了更加直觀地了解三維復合隔震墩的隔震效果，本文定義三維復合隔震墩減震系數(shù)β為：

(12)

式中:α1為臺面輸入時的最大加速度;α2為隔震后輸出的最大加速度;若加速度折減系數(shù)β越小，則表明減震效果越好.試驗選取振動頻率為8Hz，臺面輸入和隔震輸出的加速度時程曲線如圖6所示.

圖5　振動臺試驗裝置圖Fig.5　Shaking table test device

t/s(a)豎向加速度時程曲線

t/s(b)水平X方向加速度時程曲線

t/s(c)水平Y(jié)方向加速度時程曲線圖6　加速度時程曲線Fig.6　Time-histories of acceleration

4.2試驗分析

由表1可以看出，在通過三維復合隔震墩進行隔震后，豎向減震系數(shù)達到0.3左右，同時也保證了水平減震效果，減震系數(shù)保持在0.2左右，說明三維復合隔震墩具有良好的復合隔震能力，能有效地減小加速度向上部結(jié)構的傳遞，并且在振動臺振動結(jié)束后，上部結(jié)構回到初始位置附近，說明隔震墩具有良好的恢復力.

表1　加速度幅值對比Tab．1　Comparison between the peak values of acceleration

5　結(jié)　論

1)在振動平臺進行豎向振動和水平振動時，三維復合隔震墩能明顯地減弱上部結(jié)構豎向及水平向的加速度，具有良好的隔震效果；

2)三維復合隔震墩具有良好的恢復原位性能；

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Research on Three-dimensional Composite Isolation Pier

SHANG Shou-ping?，SU Jun，CUI Xiang-long

(College of Civil Engineering，Hunan Univ，Changsha, Hunan410082，China)

According to the structural properties and basic isolation theory, a new three-dimensional composite isolation pier was developed, which can effectively reduce the horizontal and vertical loads due to earthquake. This study introduced the isolation device configuration, work principle, and design theory. To evaluate the structural performance of the three-dimensional composite isolation pier, shaking table test of the rigid body mass was carried out. The test results show that the composite isolation device exhibites superb isolation performance. Furthermore, the proposed composite isolation device improved the cost-effectiveness and constructability, which can be used for the practical engineering in the Chinese rural area.

vertical isolation; three-dimensional composite isolation pier; shaking table test; isolation effect

1674-2974(2016)05-0039-05

2015-05-05

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAJ08800)；湖南省科技計劃重點項目(06SK4057)

尚守平(1953-)，男，山東黃縣人，湖南大學教授，博士生導師

?通訊聯(lián)系人，E-mail: sps@hnu.edu.cn

TU352.1；TU318

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