王夢圓++鄭威++施建波++李玉榮

摘 要：為了了解砂與橡膠粒隔震墊層下隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆特性，以砂與橡膠?；旌细粽饓|層、純砂隔震墊層、非隔震三種情況作為研究對象，建立4組高寬比為1.0，2.0，3.0，4.0的框架結(jié)構(gòu)模型。通過抗傾覆性振動臺試驗，分析在不同墊層類型、墊層厚度、加速度峰值條件下的上部結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。試驗結(jié)果表明：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，非隔震情況下的抗傾覆性能最弱；當(dāng)加速度峰值加大時，結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能隨之降低。

關(guān)鍵詞：振動臺試驗；隔震墊層；抗傾覆性

中圖分類號：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1098（2015）02-0032-05

（School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：Taking sand and rubber particle hybrid isolation cushion and pure sand isolation cushion and non-isolated as the research object， 4 groups of frame structure models with length-width ratio of 1.0， 2.0， 3.0， 4.0 were established respectively. The anti-overturning performance of the superstructure under different cushion types， cushion thickness and acceleration peak was analyzed with anti - overturning shaking table test. The experimental results showed that the structural anti-overturning performance of the sand and rubber particle hybrid isolation cushion is better than that of pure sand isolation cushion， and the structural anti-overturning performance of the non-isolated cushion is the weakest. With the increase of peak value of the acceleration， anti-overturning performance of the structure decreases.

Key words：shaking table test； vibration isolation cushion layer； anti-overturn performance

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，減少震動對上部結(jié)構(gòu)的作用或延長建筑物的基本周期，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]中振動臺試驗研究數(shù)據(jù)更進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臺試驗，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，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，在進行地震反應(yīng)分析時應(yīng)按多質(zhì)點體系來研究，試驗中將隔震體系上部結(jié)構(gòu)簡化為多質(zhì)點剪切模型結(jié)構(gòu)，為使試驗結(jié)果更加合理，需對隔震體系上部結(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)剛度無限大；

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

結(jié)構(gòu)的傾覆力矩計算公式為

式中：X ··i和Xi分別為結(jié)構(gòu)第i樓層的加速度和位移； X ··g為地震加速度； hi為結(jié)構(gòu)第i樓層的高度（樓面距隔震層底部的距離）； B為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部寬度[3]。

2 振動臺試驗

試驗是以砂與橡膠?；旌细粽饓|層、純砂隔震墊層、非隔震情況作為研究對象，通過4組高寬比比值為10，20，30，40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。

21 試驗設(shè)備

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

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、控制信號源和16路數(shù)據(jù)采集通道組成。

22 模型的選擇

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

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

2） 上部結(jié)構(gòu)模型設(shè)計。試驗采用不同高寬比比值的模型結(jié)構(gòu)進行研究，經(jīng)簡化，假設(shè)結(jié)構(gòu)樓面的平面內(nèi)剛度無限大，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)來實現(xiàn)不同的高寬比比值。

23 試驗方案

試驗中所用材料：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)連接作用的試驗方案。

24 試驗加載方式

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

試驗采用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， 時間間隔為002 s，振動持續(xù)時間為20 s，積分后最大位移滿足振動臺最大位移的要求（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。

圖2 EI-Centro波的時程曲線3 抗傾覆性能分析

將采集的每組試驗數(shù)據(jù)進行過濾，提取最大加速度值作為研究對象。通過得出的加速度值計算各個模型的傾覆力矩、抗傾覆力矩和表征系數(shù)，對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驗依據(jù)。

31 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)抗傾覆性進行分析（見圖3）。當(dāng)取隔震墊層厚度為6 cm 時，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，而且墊層厚度對抗傾覆性的影響相對減小。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)厚度有待進一步研究。

圖3 不同墊層厚度的抗傾覆性32 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數(shù)據(jù)作為分析對象，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，表征系數(shù)較大，即表示結(jié)構(gòu)的抗傾覆性強，隨著比值的增加，結(jié)構(gòu)的抗傾覆性呈下降趨勢。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。

圖4 不同墊層類型的抗傾覆性

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。

33 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數(shù)據(jù)進行分析，加速度峰值對變高寬比隔震結(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，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，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隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性整體的影響趨勢減小，并且隨著高寬比比值的增大，減小程度越小。

圖5 不同加速度峰值的抗傾覆性

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一步改善砂墊層的隔震性能，使隔震墊層在地震時很快進入工作狀態(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，對隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆性具有明顯的消弱作用。

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研究[J]. 巖土力學(xué)， 2010，31（2）：377-381.

[2] 施建波，王晴晴，王夢圓，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.

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