鄭威　徐丹　黃小霞

摘要：為了觀察不同高寬比隔震效果的變化規(guī)律，建立4組框架結(jié)構(gòu)模型，高寬比分別為1.0，2.0，3.0，4.0，分別輸入不同加速度峰值的地震波，在砂-橡膠粒隔震墊層上進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明：隨高寬比比值的增大，隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)隨之增大，隔震效果呈降低的趨勢(shì)；當(dāng)?shù)卣鸩ǖ募铀俣确逯递^小時(shí)，砂-橡膠粒墊層的耗能減震能力不夠明顯，隨著地震作用的增強(qiáng)，其隔震效果明顯改善。本次試驗(yàn)反映了高寬比因素對(duì)結(jié)構(gòu)隔震效應(yīng)的影響；同時(shí)證明了在大震激勵(lì)下，砂-橡膠粒墊層具有較好的耗能減震能力，為下一步在工程上的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu)；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；砂與橡膠粒墊層

中圖分類號(hào)：TU352文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2016）02-0040-04

Abstract：In order to observe the seismic isolation effect of the structure with different height- width ratio， 4 groups of frame structure models with height-width ratio of 1.0，2.0，3.0，4.0 were constructed for vibration table test on the sand - rubber particle isolation cushion， under different peak acceleration of earthquake wave. The results showed that with the increase of the height-width ratio， the acceleration response of the isolation structure increases， and the seismic isolation effect decrease. When seismic peak acceleration is small， the effect of energy dissipation and vibration adsorption of the sand - rubber particle cushion is not obvious， and with the increase of earthquake intensity， the seismic isolation effect is improved significantly. The tests showed that the ratio of height to width of structure affects its seismic isolation effect， and under intensive earthquake excitation the sand-rubber particle cushion has good effect of seismic energy dissipation， which provides an experimental basis for engineering application in the future.

Key words： seismic isolation structure； vibration table test； sand-rubber particle cushion

摩擦滑移隔震體系的研究始于上世紀(jì) 70年代。其工作原理是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置一個(gè)隔震層，使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)作整體的水平滑動(dòng)，通過(guò)上部結(jié)構(gòu)和隔震層之間的相對(duì)滑動(dòng)和摩擦耗能，限制了地震波能量向結(jié)構(gòu)上部傳遞，從而減小建筑物的地震反應(yīng)。

目前對(duì)于摩擦擺滑移隔震體系，研究較多的是支座的材料，幾何構(gòu)造，滑動(dòng)半徑，摩擦系數(shù)等對(duì)于結(jié)構(gòu)隔震效果的影響。文獻(xiàn)[1]對(duì)砂-橡膠?；旌衔锛羟心Ａ窟M(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻入可以有效地降低砂墊層的動(dòng)剪模量，證明砂-橡膠?；旌蠅|層具有良好的隔震效果；文獻(xiàn)[2]指出地震波的類型和峰值是影響摩擦滑移隔震支座隔震效果的重要因素；文獻(xiàn)[3]從上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造出發(fā)，討論了上部結(jié)構(gòu)周期對(duì)于隔震體系的影響；文獻(xiàn)[4]通過(guò)數(shù)值模擬，從層間位移和內(nèi)力的角度探討了不同高寬比隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。本文將在以上研究的基礎(chǔ)上，以砂-橡膠粒作為隔震墊層，從振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的角度，討論高寬比比值和地震波加速度峰值對(duì)于隔震效果的影響。

1振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及模型設(shè)計(jì)

1）試驗(yàn)材料砂為普通石英砂，粒徑為5 mm；橡膠顆粒由廢舊輪胎等橡膠原料加工生產(chǎn)，粒徑為2～4 mm。橡膠粒體積含量為 50%，砂和橡膠粒體積用量杯測(cè)量混合，攪拌均勻。

2）采用雙條形支座砂箱作為隔震墊層底座。砂箱共兩個(gè)，尺寸均為 700 mm×200 mm×200 mm，由 2 mm厚的鋼板軋制而成，為防止沙箱在振動(dòng)臺(tái)上發(fā)生相對(duì)滑移，砂箱底部預(yù)留孔徑為15 mm的螺孔，通過(guò)螺母與振動(dòng)臺(tái)連接以固定砂箱。

3）試驗(yàn)所用簡(jiǎn)化模型以農(nóng)村常見的單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)為原型。假設(shè)結(jié)構(gòu)樓面的剛度無(wú)限大，用 5 mm 的鋼板代替結(jié)構(gòu)的樓板，梁柱節(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(guò)改變層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的高寬比比值。框架底層為滑塊，底座滑塊尺寸長(zhǎng)×寬×高=20cm×10cm×0.5cm，高寬比為 4.0的模型為 4層，高寬比為 3.0的模型為 3層，以此類推。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

1） 振動(dòng)臺(tái)。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)，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。

1.3試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)試驗(yàn)墊層的厚度均為 6mm。將混合顆粒攪拌均勻，攤鋪在雙槽形鋼箱底座中[5]。

荷載工況是：正式實(shí)驗(yàn)前，先輸入正弦波將墊層振密，再將結(jié)構(gòu)置于墊層上，連接電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀。選取 El-Centro波進(jìn)行加載試驗(yàn)，分別施加加速度峰值為45 cm/s2、

100 cm/s2、220 cm/s2的三組地震波。每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間均為 20s。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)是一組不同高寬比結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，根據(jù)采集到的加速度數(shù)據(jù)波形圖，提取最大加速度值作為分析對(duì)象。由于框架結(jié)構(gòu)在地震波作用下越靠近底層，承受的地震作用越

大，所受的破壞越劇烈[6]。在 4組不同高寬比結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中，提取底層滑塊和 1層樓板的加速度值作為比較的依據(jù)。測(cè)得數(shù)據(jù)如圖 2～圖 3所示。

2.1高寬比因素的影響

由圖 2和圖3可得出，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ姆逯导铀俣纫欢〞r(shí)，隨著高寬比數(shù)值的增大，隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)隨之增大，且變化的幅度也有相應(yīng)的增大，隔震效果有所降低。特別是輸入地震波峰值加速度達(dá)到 2.2 m/s2時(shí)，相比高寬比為 1.0的結(jié)構(gòu)，高寬比為 4.0的結(jié)構(gòu)底層和1層的加速度響應(yīng)分別增大了 30.7%和 48.7%，上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨高寬比比值的變大有明顯的增大趨勢(shì)。

2.2地震波加速度峰值的影響

由圖 2和圖 3可以看出，在高寬比比值一定的情況下，隨地震波峰值加速度的增大，框架底層（滑塊），1層的加速度都有明顯的增大。相對(duì)于1層，底層加速度增大的幅度更大。

這主要是底層所受的地震荷載更為直接，破壞作用也越大。

另外，通過(guò)對(duì)不同工況下的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可反映出地震作用對(duì)于砂橡膠粒墊層耗能減震效果的影響規(guī)律。由于此時(shí)地震作用的大小不同，不能單純以上部結(jié)構(gòu)

的加速度響應(yīng)來(lái)比較墊層耗能減震的效果。可引入系數(shù)η表征墊層的減震效果。η=a0-a1a0 ×100%，其中a0為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度， a1

為結(jié)構(gòu)底層滑塊的加速度，為方便比較，在計(jì)算時(shí)均取加速度的最大值[2]，通過(guò)計(jì)算求得η值。在不同地震作用下的隔震效果如表 3所示。

3結(jié)論

1）以砂-橡膠粒作為隔震墊層時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的高寬比比值會(huì)影響結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。高寬比比值越大，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)越大，且變化的幅度也有增大的趨勢(shì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)是

不利的。因此在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要盡可能降低結(jié)構(gòu)的高寬比，也為今后推導(dǎo)隔震結(jié)構(gòu)高寬比限值提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2）在高寬比一定的情況下，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)還與地震作用的大小有關(guān)。隨著地震作用的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的加速度也會(huì)增大，相比框架 1層，底層加速度響應(yīng)明顯更大。因此在隔震結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮加強(qiáng)框架底層的圍護(hù)，在高烈度地區(qū)尤應(yīng)引起注意。

3）對(duì)于砂-橡膠粒隔震墊層，墊層的耗能減震效果與輸入地震作用的大小有關(guān)。在 45cm/s2小震作用下，墊層的減震效果不夠明顯；隨地震作用的增大，減震效果明顯改善。說(shuō)明地震

作用越大，砂-橡膠粒墊層耗能減震的能力能夠得到更大的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

[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]涂勁松，李珠，劉元珍. 摩擦擺隔震支座振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、數(shù)值仿真及應(yīng)用研究[J]. 世界地震工程，2014，02（3）：237-246.

[3]李成金，王建亮. 上部結(jié)構(gòu)周期對(duì)摩擦擺基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[J]. 河南科學(xué)，2010，08（4）：964-966.

[4]周健男. 大高寬比基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的研究[D].石家莊鐵道大學(xué)，2013.

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

[6]李翔，呂西林，李建中，等.汶川地震中廣元市底層框架結(jié)構(gòu)房屋震害調(diào)查與分析[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2008，03：34-37.

[7]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)，1997，03（2）：74-77.

（責(zé)任編輯：何學(xué)華吳曉紅）