徐丹 李玉榮 黃小霞

摘要：通過(guò)介紹隔震技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，分析了隔震機(jī)理與隔震體系的基本特性。針對(duì)我國(guó)廣大村鎮(zhèn)地區(qū)抗震設(shè)防事業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，提出將砂-橡膠粒隔震墊層作為一種隔震材料用于基礎(chǔ)隔震中去。以砂-橡膠粒隔震墊層作為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究砂-橡膠粒隔震墊層的減震效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隔震墊層加速度折減系數(shù)在0.212～0.592，位移放大系數(shù)穩(wěn)定在1.01～1.39；砂-橡膠粒隔震墊層改善了上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，具有明顯的隔震效果，適合在村鎮(zhèn)推廣使用。

關(guān)鍵詞：砂-橡膠粒隔震墊層；村鎮(zhèn)建筑；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU352.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2017）03-0017-06

Abstract：By reviewing the development and research of seismic isolation techniques for civil engineering structures， this paper investigates the control mechanism of the isolation and the fundamental characteristics of isolation system. In view of the development status of earthquake fortification of the buildings in villiage of our country， the sand-rubber vibration isolation cushion is proposed as a kind of seismic isolation material in base isolation in building. The damping effect of the sand-rubber vibration isolation cushion is investigated by theoretical analysis and shake table test on sand-rubber vibration isolation cushion. The test result show that the acceleration reduction factor of isolation cushion was between 0.186～0.592， and the displacement amplification factor was between 1.02～1.39； The superstructures dynamic property was improved anda good seismic reduction effect was exhibited due tosand-rubber vibration isolation cushion， which is suitable to be used in rural areas.

Key words：sand-rubber vibration isolation cushion； rural buildings； shaking table test

地震預(yù)報(bào)是一個(gè)世界性的難題，地震因其具有突發(fā)性和破壞性，人類(lèi)社會(huì)的生命財(cái)產(chǎn)安全面臨著巨大的威脅，如：1976年唐山地震、2008年汶川地震、2013年雅安地震，大多數(shù)發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，受限于經(jīng)濟(jì)因素，村鎮(zhèn)抗震設(shè)防事業(yè)發(fā)展受到制約，地震造成的破壞極其嚴(yán)重。因此，研究經(jīng)濟(jì)適用、易于施工的村鎮(zhèn)抗震減災(zāi)技術(shù)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外常采用的隔震措施可分為兩類(lèi)：橡膠墊支座隔震和滑移隔震[1]，前者一般為多層橡膠和薄鋼板相互疊合。文獻(xiàn)[2]對(duì)疊層橡膠墊性能進(jìn)行研究，指出疊層橡膠墊豎向承載力和水平剪切能力極高，并且豎向剛度遠(yuǎn)大于水平剛度，可為建筑物隔震用。文獻(xiàn)[3]指出采用鉛芯橡膠隔震支座增加了阻尼，提高了耗能能力，而且可作為限位裝置。但是，相比較其高昂的造價(jià)、復(fù)雜的制造和施工工藝，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的村鎮(zhèn)地區(qū)不太適用[4]；后者是在基礎(chǔ)或?qū)娱g等部位設(shè)置滑移摩擦元件和限位耗能元件，通過(guò)上下摩擦面的相對(duì)滑動(dòng)耗能而有效地限制地震能量向上部傳遞和向下部反饋[5]。文獻(xiàn)[6]還指出影響摩擦滑移隔震支座隔震效果的主要因素有地震波的類(lèi)型和峰值。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)砂墊層性能進(jìn)行研究，研究表明單一粒徑的砂墊層較連續(xù)粒徑砂墊層隔震效果好，粒徑越大隔震效果越好，隨著隔震墊層厚度的增加，減震率有所提高。文獻(xiàn)[9-11]對(duì)橡膠顆粒-砂混合物進(jìn)行研究，提出將橡膠顆粒-砂混合物作為隔震材料的設(shè)想。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)村鎮(zhèn)建筑隔震措施進(jìn)行了大量的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出將砂-橡膠粒隔震墊層應(yīng)用到村鎮(zhèn)建筑中，并介紹其構(gòu)造及工作原理，同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)，對(duì)其隔震效果進(jìn)行分析研究。

1理論分析

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，{x¨}為加速度向量，[C]阻尼矩陣，{x·}為速度向量，[K]為剛度矩陣，{x}為位移向量。

由于砂-橡膠粒隔震墊層阻尼系數(shù)大于基礎(chǔ)固定時(shí)底層阻尼系數(shù)，其余各樓層阻尼系數(shù)相同，說(shuō)明墊層可有效阻止地震作用向結(jié)構(gòu)上部傳遞；墊層水平剛度較低，發(fā)生地震時(shí)，結(jié)構(gòu)大部分變形發(fā)生在墊層部分，故砂-橡膠粒隔震墊層可起到有效的減震作用。

2振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證砂-橡膠粒隔震墊層的減震效果，本文進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。

2.1模型簡(jiǎn)化

村鎮(zhèn)建筑多為磚砌、框架結(jié)構(gòu)，抗彎剛度很大，地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)變形多以層間錯(cuò)動(dòng)為主，層間變形處于彈性狀態(tài)，采用集中質(zhì)量的多自由度體系模型，如圖1所示。

2.2模型制作

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以村鎮(zhèn)三層框架結(jié)構(gòu)為原型，平面尺寸6 000mm×4 500mm，層高3 000mm。為了驗(yàn)證砂-橡膠粒隔震墊層的減震效果，需制作簡(jiǎn)化模型，采用柱子為完全彈性的集中質(zhì)量多自由度體系模型，假設(shè)每層樓板剛度無(wú)限大，用5mm鋼板代替，柱子用直徑8mm鋼筋代替。模型參數(shù)如下：模型層數(shù)為3層，平面尺寸為400mm×300mm，層高200mm，模型尺寸相似比Sl為0.067。

2.3試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有振動(dòng)臺(tái)、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀。振動(dòng)臺(tái)是由杭州邦威儀器廠生產(chǎn)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。

2.4試驗(yàn)材料及設(shè)備安裝

根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]的研究成果，橡膠粒體積含量45%為最優(yōu)配比，試驗(yàn)采用橡膠粒體積含量為45%，厚度為60mm的砂-橡膠粒隔震墊層；用砂箱盛放砂-橡膠粒隔震墊層，為避免“模型箱效應(yīng)”，砂箱內(nèi)襯泡沫吸收側(cè)向邊界波以模擬土邊界條件，砂箱與振動(dòng)臺(tái)采用螺栓連接，使砂箱固定在振動(dòng)臺(tái)上。試驗(yàn)時(shí)，限制模型y軸方向位移。設(shè)備安裝如圖2所示。

為了測(cè)量結(jié)構(gòu)在地震作用下砂-橡膠粒隔震墊層的減震效果，試驗(yàn)時(shí)在振動(dòng)臺(tái)面布置加速度傳感器A1和位移傳感器B1，測(cè)試臺(tái)面地震輸入，結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器A2-A5和位移傳感器B2-B5，測(cè)試結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

3試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

3.1試驗(yàn)現(xiàn)象

1） 當(dāng)臺(tái)面加速度輸入在0.1g及以下時(shí)，結(jié)構(gòu)與砂-橡膠粒隔震墊層基本不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，振后可以恢復(fù)原位。

2） 當(dāng)臺(tái)面加速度輸入達(dá)到0.22g時(shí)，結(jié)構(gòu)與砂-橡膠粒隔震墊層產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)變形較大，隨著臺(tái)面加速度的增大，結(jié)構(gòu)晃動(dòng)越來(lái)越劇烈。

3.2數(shù)據(jù)分析

1） 加速度反應(yīng)分析

① 分析結(jié)構(gòu)在不同工況下，基礎(chǔ)隔震與基礎(chǔ)固定時(shí)各樓層加速度反應(yīng)，如圖4所示。

由圖4可知，在不同工況下，結(jié)構(gòu)在有基礎(chǔ)隔震時(shí)各樓層最大加速度值較基礎(chǔ)固定時(shí)都有所減小，隨著輸入地震波的不斷增大，有基礎(chǔ)隔震的一組結(jié)構(gòu)各層加速度值之差不斷減小，而基礎(chǔ)固定的一組各層加速度值波動(dòng)較大。

2） 位移分析

①振動(dòng)臺(tái)輸入不同加速度（El Centro波），對(duì)比結(jié)構(gòu)在有基礎(chǔ)隔震和基礎(chǔ)固定時(shí)各樓層位移反應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)在砂-橡膠粒隔震墊層上的動(dòng)力特性，如圖5所示。根據(jù)圖5可以得出以下結(jié)論：基礎(chǔ)固定時(shí)，結(jié)構(gòu)相當(dāng)于位移放大器，結(jié)構(gòu)各樓層位移自下而上呈倒三角形；當(dāng)采用砂-橡膠粒隔震墊層時(shí)，結(jié)構(gòu)各樓層位移不再呈倒三角，層間位移較基礎(chǔ)固定時(shí)減小。

以農(nóng)村自建房為例，其隔震設(shè)計(jì)必須確保“小震不壞”的基本原則，以“大震復(fù)位易修”的目標(biāo)設(shè)計(jì)。

砂-橡膠粒隔震墊層上、下設(shè)置圈梁或框架梁等，如圖6所示，形成平面內(nèi)剛度很大或整體性很好的傳力層和持力層，傳遞上部結(jié)構(gòu)豎向荷載和水平荷載；根據(jù)文獻(xiàn)[16]的研究成果，橡膠粒占?jí)|層體積含量45%為宜，墊層的厚度在60～120mm為宜，墊層在小震情況下具有一定的復(fù)位能力，并且具有很好的豎向承載能力；墊層水平剛度很小，能夠很好的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，變形主要發(fā)生在墊層里，在罕遇地震作用下，圈梁的上、下摩擦面通過(guò)與墊層相互滑動(dòng)，摩擦消耗地震能量。

為了施工方便，墊層頂與室外地坪位于同一高度，地震發(fā)生后，會(huì)給結(jié)構(gòu)的復(fù)位工作造成一定的困難。

5結(jié)論

1） 基礎(chǔ)隔震時(shí)，分析結(jié)構(gòu)一層加速度和位移反應(yīng)，加速度折減系數(shù)在0.212～0.592，位移放大系數(shù)穩(wěn)定在1.01～1.39之間，在不同工況下，隔震墊層都具有一定的減震效果。

2） 對(duì)比結(jié)構(gòu)各樓層在有無(wú)基礎(chǔ)隔震時(shí)加速度及位移反應(yīng)，結(jié)構(gòu)在有基礎(chǔ)隔震時(shí)，各樓層之間加速度、位移反應(yīng)、層間加速度和層間位移隨著加速度的不斷增大較基礎(chǔ)固定時(shí)明顯減小，砂-橡膠粒隔震墊層有效改善了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

3） 試驗(yàn)只驗(yàn)證砂-橡膠粒隔震墊層對(duì)水平地震作用具有良好的減震效果，對(duì)豎向地震作用未作研究。

4） 砂-橡膠粒隔震墊層取材廣泛、造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)便，具有良好的隔震效果，非常適合在我國(guó)廣大的村鎮(zhèn)地區(qū)推廣使用，具有廣闊的發(fā)展前景。

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（責(zé)任編輯：李麗，吳曉紅，編輯：丁寒）