鄭森，陳淺然，劉華恩，李亞東

（廣州大學土木工程學院廣州510006）

0 引言

據(jù)“中國地震災害信息系統(tǒng)”調(diào)查，地震發(fā)生時，受災嚴重區(qū)主要是農(nóng)村偏遠地區(qū)。農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展相對落后，在房屋建設時多未參照規(guī)范，對結構抗震考慮較少，因而進一步研究經(jīng)濟有效的隔震方法很有必要。砂與橡膠粒按一定比例混合的材料（橡膠砂），是一種新型且經(jīng)濟的隔震材料。其取材方便、施工簡單，且具有動剪切模量低、阻尼比大等特性［1，2］。目前，國內(nèi)外不少學者均開展了關于應用橡膠砂隔震技術的研究。Tsang 等人［3，4］對橡膠砂置換層進行數(shù)值模擬，得出橡膠砂對水平和豎向地震作用均有較好的隔震效果。歲小溪［5］利用振動臺試驗研究了橡膠顆粒含量和墊層厚度等，對橡膠砂墊層的隔震效果的影響，得出橡膠顆粒體積配合比應控制在35%左右。劉方成等人［6，7］提出改進的橡膠砂墊層：土工格室加筋與土工袋加筋橡膠砂墊層，并借助振動臺試驗研究了墊層厚度、有無加筋及鋪設方式等對墊層隔震效果的影響。黃小霞［8］利用橡膠砂隔震振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)砂和橡膠粒在1～1.5的粒徑比內(nèi)隔震效果較好。

本文以橡膠顆粒體積含量為30%的橡膠砂隔震墊層為研究對象，設計并制作了1∶10縮尺比例的框架模型，開展了自由場和橡膠砂隔震振動臺試驗。通過對比分析地基土與結構的加速度反應和結構沉降，對橡膠砂墊層的隔震效果進行了探討。

1 試驗裝置

1.1 層狀剪切箱

本試驗在廣州大學工程抗震研究中心的MTS振動臺上進行。臺面尺寸為3 000 mm×3 000 mm，最大負荷25 t，最大水平和豎向加速度分別為1g、2g。在土-結構作用振動臺試驗中，選擇邊界模擬效果良好的模型箱至關重要。本試驗采用層狀剪切箱，如圖1a所示。模型箱尺寸為1 505 mm×2 000 mm（高度×內(nèi)徑），底板尺寸為3 000 mm×3 000 mm×30 mm。模型箱由12層環(huán)形鋼框架堆疊形成，相鄰框架通過螺桿連接，相鄰框架接觸面焊接具圓形凹槽的鋼墊板，內(nèi)置滾珠實現(xiàn)框架間的水平運動。借助ABAQUS 對剪切箱進行振型分析，如圖1b所示。采用殼單元S4R、線性梁單元B31和三維實體單元C3D8R 分別模擬鋼框架、螺桿和底板。框架與螺桿、最底層框架與底板均采用綁定連接，相鄰框架間為面面接觸。提取模型前10階頻率，得到剪切箱的基頻X、Y向分別為3.87 Hz、3.79 Hz。

1.2 試驗材料

試驗中橡膠砂墊層由砂和橡膠顆?；旌隙桑渲猩盀閺V州河砂，橡膠顆粒為廢棄輪胎經(jīng)機械破碎得到。2種材料的級配曲線如圖2所示，物理參數(shù)如表1所示。本試驗將橡膠砂按體積進行配比，其中橡膠顆粒含量為30%。在自由場振動臺試驗中，將純砂逐層倒入壓實，使其達到一致的密實度。在橡膠砂隔震振動臺試驗中，將土體與上部結構接觸處的地基（尺寸為800 mm×800 mm×200 mm），置換為橡膠砂混合物，并振密壓實。

圖1 層狀剪切箱Fig.1 Laminar Shear Container

圖2 砂和橡膠顆粒的級配曲線Fig.2 The Particle Size Distribution of Sand and Granulated Rubber

表1 試驗用砂和橡膠顆粒的物理特性Tab.1 Physical Properties of Tested Sand and Rubber Particles

1.3 上部結構

試驗以某農(nóng)村3 層框架結構為研究對象，試驗前對原型結構進行縮尺。本文將幾何相似比n、密度相似比np和剪切波速相似比ne作為基本量綱，根據(jù)相似原理［9，10］推導出其他相似條件。綜合考慮振動臺及剪切箱的規(guī)格，確定上部結構的幾何相似比n=1/10，試驗中采用與原型相同的砂，即np=1，故根據(jù)文獻［9］，得到ne=n0.5。基于上述相似比，推導出其他相似條件。利用ABAQUS 對上部結構進行設計。假設結構各層平面剛度無限大，將模型進行簡化，采用鋼板和鋼筋分別代替樓板和柱，不考慮設置梁?？刂瓶s尺模型頻率與原型農(nóng)村房屋的頻率一致，確定模型為3層，層高0.3 m，首層樓板尺寸為600 mm×500 mm×12 mm，其余層樓板尺寸為 500 mm×400 mm×6 mm，柱直徑 D=6 mm，柱長L=300 mm，上部結構如圖3 所示?？紤]到各類荷載因素，增設250 kg 配重塊，經(jīng)計算得上部結構加配重塊產(chǎn)生的基底平均壓力為10 kPa。

圖3 實驗裝置Fig.3 Test Equipment

2 試驗加載概況

2.1 試驗工況

本試驗分3個階段進行，每個階段包含5個工況，如表2所示。階段1是自由場試驗，用來研究模型箱的邊界效應，驗證其是否會對試驗產(chǎn)生干擾。階段2、階段3分別是無橡膠砂墊層和有橡膠砂墊層的模型試驗，用來研究橡膠砂墊層的隔震效果。選擇加速度分別為0.1g、0.2g和0.4g的El Centro波作為輸入波，輸入El Centro波前后，均進行白噪聲掃頻，測量模型系統(tǒng)的頻率。

表2 試驗工況Tab.2 Test Cases

2.2 傳感器布置

在振動臺試驗中采用了4381V 型傳感器記錄加速度，24M-W100 激光位移傳感器檢測結構沉降。階段2和階段3傳感器布置相同，故只給出了階段1和階段3 的布置圖（見圖4、圖5）。字母A 和D 分別代表加速度計和位移計，數(shù)字代表傳感器編號。

3 自由場試驗結果

經(jīng)白噪聲掃頻得到箱內(nèi)土體的基頻為X向8.62 Hz，Y 向為9.06 Hz。根據(jù)上文空箱的基頻得知，模型箱基頻遠低于箱內(nèi)土的基頻，其不會對箱內(nèi)土體的地震反應產(chǎn)生不良影響，模型箱的自振頻率滿足試驗要求。

圖4 自由場試驗的傳感器布置Fig.4 Instrumentation Layouts for Free-field Test

圖5 模型試驗的傳感器布置Fig.5 Instrumentation Layouts for Model Test

通過比較等高度處模型土從中心測點到箱邊界處測點的地震動特性，來評估剪切箱的邊界效應。圖6 為Y 向輸入加速度為 0.4g 的 El Centro 波時，在相同高度處距箱壁不同位置處測點的加速度時程及其反應譜，為顯示清晰，只取了5～6 s 內(nèi)的時程圖。分析發(fā)現(xiàn)，同高度處測點的加速度時程及反應譜重合得很好，只有A9 的反應譜值在低周期處略高于同高度處其余測點。已知A9 位于箱壁附近，其幅值增大可以歸因為：箱壁附近存在的土體壓實不均，和砂與箱壁接觸處產(chǎn)生的反射波干擾?？傮w來看，同高度處測點的加速度時程和反應譜重合得非常好，這說明試驗使用的模型箱能夠很好地解決平面內(nèi)的邊界效應問題，對后面的橡膠砂隔震試驗無干擾。

圖6 Y向輸入PGA為0.4g的壓縮El Centro波時測點的加速度時程及其反應譜Fig.6 Acceleration Time-history and Their Response Spectra at Observation Points under Scaled El Centro Earthquake with 0.4g of PGA in Y-direction

4 模型試驗結果

4.1 加速度時程

本文僅對輸入峰值加速度為0.2g 和0.4g 的El Centro 波工況進行分析。圖7 分別比較了2 種工況下有無RSM 墊層時的加速度時程曲線。在對比試驗的基底輸入波幅值控制一致的前提下，得到：①輸入峰值加速度為0.2g 和0.4g 時，有RSM 墊層情況下，結構底板下方的地基土測點（A4）幅值小于無RSM 墊層的情況；②輸入2 種幅值加速度工況時，有RSM 墊層的情況下，結構首層及頂層（A7和A12）的加速度幅值均小于無RSM 墊層的情況；③有RSM 墊層的情況下，輸入幅值加速度為0.4g 時，上部結構加速度的減小程度要大于輸入0.2g時。

圖7 輸入壓縮的El Centro波時，有RSM墊層和無RSM隔震層加速度對比Fig.7 Comparison of Acceleration Time Histories with/out RSM Isolation Cushion under Scaled El Centro Earthquake

4.2 沉降

圖8給出了輸入幅值為0.2g和0.4g的El Centro波時，有無RSM 墊層情況下的結構底板D1 的沉降。由圖8a 可知，輸入幅值為0.2g 時，無RSM 墊層時結構的沉降量為0.3 mm，有墊層時為0.9 mm；由圖8b可知，輸入幅值為0.4g，無RSM 墊層時結構沉降量為1.8 mm，有墊層時為3.9 mm。由此可知，結構的沉降量隨輸入加速度幅值的增加而增加，且有RSM墊層的情況下要大于無RSM墊層的情況。

圖8 結構的沉降Fig.8 The Settlement of Structure

5 結論

本文在總結國內(nèi)外橡膠砂隔震研究的基礎上，開展了自由場地振動臺試驗和橡膠砂隔震墊層的對比振動臺試驗，得到如下結論：

⑴ 采用的層狀剪切箱較好地解決了平面內(nèi)的邊界效應問題，能較理想地模擬真實場地在平面內(nèi)的邊界條件。

⑵ RSM墊層具有較好的隔震效果。有RSM墊層時，地基土和結構的加速度幅值均小于無RSM墊層時，且其隔震效果隨著輸入加速度幅值的增加而增加。

⑶ 有RSM 墊層的情況下，結構的沉降要大于無RSM墊層的情況。