馮 帆

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

由于廢舊疊層輪胎具有一定的隔震作用，可將其應(yīng)用于建筑構(gòu)建中的隔震材料，通過廢舊疊層輪胎的使用，將在一定程度上降低建筑構(gòu)建過程中成本的消耗，除此之外，廢舊疊層輪胎還具有操作簡便以及施工方便等特點(diǎn)，具有一定的推薦價(jià)值。然而廢舊疊層輪胎在日常的儲存過程中極易因荷載以溫度等因素的作用下發(fā)生老化，該變化將影響隔震效果，從而造成建筑的安全性降低。因此，本文將針對廢舊疊層輪胎進(jìn)行充分利用，使其形成隔震墊，將其應(yīng)用于建筑工程之中，并對其進(jìn)行力學(xué)性能的相關(guān)研究，通過該方法，保護(hù)建筑物的同時實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的，具有重要意義。

1 動力分析數(shù)值模型

1.1 STP支座動力性能

STP支座在實(shí)驗(yàn)過程中將上部墻體與基礎(chǔ)之間作為本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)置參數(shù)，其主要實(shí)驗(yàn)原料是通過將廢舊汽車的輪胎切割成塊后形成胎冠并進(jìn)行相互折疊，具體的制作方法通過切割機(jī)將廢舊的輪胎進(jìn)行切割，切割過程中首先將輪胎的胎側(cè)進(jìn)行裁剪，最終保留其胎冠，并將胎冠以方形的形式進(jìn)行保留，從而形成STP支座，STP支座具有一定的優(yōu)勢，在制作過程中成本低廉，具有一定的節(jié)能環(huán)保作用。通過以往對STP支座進(jìn)行動力實(shí)驗(yàn)分析可知STP支座水平力雙線性恢復(fù)力模型如圖1所示，

圖1 STP支座水平力雙線性恢復(fù)力模型Fig.1 Bilinear restoring force model of horizontal force of STP bearing

從圖中可以觀察到STP支座的等效水平剛度為636.4kN/m，通過該數(shù)值可以計(jì)算出等效粘滯阻尼比值，該比值將由相關(guān)公式計(jì)算后得出的數(shù)據(jù)為0.169，該實(shí)驗(yàn)過程將選取雙向低周反復(fù)加載試驗(yàn)作為本次試驗(yàn)的基礎(chǔ)，該試驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值，在以往的實(shí)驗(yàn)過程中，該試驗(yàn)獲得用東洋品牌輪胎制作的STP參數(shù)，通過該參數(shù)可以得知支座的尺寸為180mm×200mm×50mm，除此之外，還將利用鄧祿普品牌的輪胎進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)制作平面尺寸為180mm×180mm的方形STP支座，可以通過該參數(shù)得知設(shè)計(jì)面壓以及極限面壓分別為5MPa、10MPa,其試件編號及參數(shù)如表1所示[1]。

表1 試件編號及參數(shù)Table 1 Specimen number and parameters

1.2 建筑設(shè)計(jì)中隔震結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

在工程制作過程中將以某村鎮(zhèn)作為實(shí)驗(yàn)基地，并以3層框架結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行抗震建筑設(shè)計(jì)，將該工程的平面尺寸參數(shù)指標(biāo)定義為18.2m×11.65m，總建筑面積為212.03m2,除此之外，還將對地上建筑的總高度設(shè)計(jì)為10m，每層框架的層高分別為3.4m、3.3m、3.3m,樓高設(shè)計(jì)完畢后，將針對結(jié)構(gòu)梁板柱進(jìn)行分析，最終將采用C30混凝土進(jìn)行現(xiàn)澆，其內(nèi)墻以及外墻均采用頁巖空心磚，該建筑工程將針對場地抗震設(shè)防烈度、基本地震加速度值進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中場地抗震設(shè)防烈度為8度，而基本地震加速度值為0.2g，通過相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知該房屋的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Structure layout

通過結(jié)構(gòu)平面布置的設(shè)計(jì)可以針對其結(jié)構(gòu)模型以及隔震支座進(jìn)行相關(guān)布置，在對該建筑的非隔震以及隔震結(jié)構(gòu)模型的分析實(shí)驗(yàn)中，將采用大型建筑有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行建立，通過仿真模型的建立可以將梁柱的單元通過框架線的方式進(jìn)行建立，而樓板將采用薄膜單元。除此之外，將隔震結(jié)構(gòu)中的支座模擬單元通過SAP2000中的Rubber isolator單元進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，由于設(shè)計(jì)面壓以及極限面壓分別為5MPa、10MPa，除此之外，還應(yīng)考慮支座的尺寸，通過相關(guān)公式計(jì)算后最終將支座的尺寸擬定為380mm×380mm×50mm，將所得數(shù)據(jù)信息輸入至Rubber isolator單元進(jìn)行分析。通過該設(shè)計(jì)分析，最終該建筑工程試驗(yàn)將選取16組隔震支座進(jìn)行設(shè)計(jì)，除此之外，還將針對每根梁柱增設(shè)隔震層。

2 結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析

2.1 地震波的選取

通過相關(guān)規(guī)范要求可知在地震波的選取中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行選取，通常狀態(tài)下，應(yīng)選取3條地震波，而在本次地震響應(yīng)分析中將選取2條地震波進(jìn)行實(shí)際強(qiáng)震記錄，2條地震波分別是EL Centro波以及Hollister波，除此之外，還將針對人工合成加速度實(shí)時曲線進(jìn)行人工波選擇，該波形稱之為人工波1（Rgb1），通過相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算時可以得知3條地震波均滿足相關(guān)規(guī)范條件。

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)對比

通過本文的實(shí)驗(yàn)將針對地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行不同種分析，分別為模態(tài)分析、設(shè)防烈度下的計(jì)算分析以及罕遇烈度下的計(jì)算分析，其中模態(tài)分析將通過對傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)以及STP隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析對比，最終得出該結(jié)構(gòu)下的自振周期，非隔震和隔震下的自振周期見表2，從表2中可以看出非隔震和隔震下的自振周期處于延長狀態(tài)，該狀態(tài)主要取決于隔震層，因該結(jié)構(gòu)中隔震層的存在，可以有效避開場地的特征周期，從而有效降低水平地震作用，間接地降低上部結(jié)構(gòu)。設(shè)防烈度下的計(jì)算分析過程將在其中輸入PGA200cm/s2,其中PGA指的是地震加速度峰值,在該工況下，通過相關(guān)計(jì)算可以得出非隔震和隔震結(jié)構(gòu)樓層中的最大加速度數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中可以得知非隔震結(jié)構(gòu)下的加速度由上至下處于逐漸增大的過程，在頂層被放大至2.65～2.94倍，通過隔震過程后的頂層加速度值約為非隔震結(jié)構(gòu)的30%，變化過程相對較小，通過隔震可以使結(jié)構(gòu)處于水平運(yùn)動狀態(tài)，從而降低地震對人體造成的震動感，該結(jié)構(gòu)將在一定程度上提高安全性能，通過STP技術(shù)將提高整體經(jīng)濟(jì)效益。罕遇烈度下的計(jì)算分析過程將在其中輸入PGA400cm/s2,并對其進(jìn)行大震下的彈塑性時程分析，通過該分析可以得知在罕遇地震作用下的隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比的最大值為0.48，該結(jié)構(gòu)比值可以體現(xiàn)該建筑工況的減震效果具有一定的安全性，除此之外，將對隔震支座間的最大水平位移以及最大面壓進(jìn)行驗(yàn)算，通過驗(yàn)算可知隔震支座間的最大水平位移以及最大面壓將超過極限值，由于超出限度范圍不大，將通過改變支座尺寸的方式滿足罕遇地震相關(guān)性能的要求[2]。

表2 非隔震和隔震下的自振周期Table 2 Natural vibration period under non-isolation and isolation

3 輪胎隔震墊豎向力學(xué)性能及老化試驗(yàn)

3.1 老化試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)將采用實(shí)際環(huán)境溫度為23℃的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，除此之外，還將加速老化的實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為100℃，并通過STP熱空氣加速老化實(shí)驗(yàn)的理論數(shù)據(jù)，將本次實(shí)驗(yàn)的計(jì)算公式定義為：

式（1）中：t代表老化的時間；T代表老化的絕對溫度；E代表活化能；R代表氣體常數(shù)。

3.2 豎向力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

本文將針對STP支座進(jìn)行軸壓實(shí)驗(yàn)以及極限軸壓承載力實(shí)驗(yàn)，通過兩項(xiàng)試驗(yàn)對輪胎的隔震墊進(jìn)行豎向力學(xué)性能研究，在實(shí)驗(yàn)初始前針對實(shí)驗(yàn)裝置的選擇將采用5000kN軸壓試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有一定的優(yōu)勢，可將豎向力設(shè)置為5000kN，在5000kN的力的作用下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可將輪胎的性能最大限度的發(fā)揮。在實(shí)驗(yàn)過程中將實(shí)驗(yàn)的加載速率設(shè)置為0.1kN/s，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時間將以實(shí)驗(yàn)樣品完全被破壞的時間為準(zhǔn)，通過該試驗(yàn)可將實(shí)驗(yàn)樣品在豎向面壓為 時的豎向剛度按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式（2）中：P1=(1-30%)P0;P2=(1+30%)P0;Y1所 代表的含義為豎向面壓為P1時的位置移動；Y2代表的含義是豎向面壓為P2時的位移。得到在不同豎向面壓下STP支座豎向剛度如圖3所示。

圖3 在不同豎向面壓下STP支座豎向剛度Fig.3 Vertical stiffness of STP support under different vertical surfaces

通過實(shí)驗(yàn)分析可知豎向荷載與輪胎胎冠內(nèi)部橡膠橫向變形為正向相關(guān)關(guān)系，豎向荷載增大的同時，輪胎胎冠內(nèi)部橡膠橫向變形也隨之增大，除此之外，內(nèi)部鋼絲網(wǎng)在橡膠拉伸力的作用下也處于增長狀態(tài)，當(dāng)豎向荷載達(dá)到自身壓力的極限時，STP支座將發(fā)出爆裂聲，通過該現(xiàn)象提示工作人員支座被破壞，最終驗(yàn)證豎向極限壓力為370kN[3]。

4 輪胎隔震墊水平性能試驗(yàn)

4.1 壓剪實(shí)驗(yàn)

本文將針對壓剪實(shí)驗(yàn)采用10000kN壓剪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過10000kN壓剪試驗(yàn)機(jī)對STP支座進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分別是單側(cè)壓剪實(shí)驗(yàn)以及豎向面壓相關(guān)性實(shí)驗(yàn),根據(jù)表1中的編號數(shù)據(jù)，可將1#和3#支座與胎冠表面凹槽的縱向位置形成平行關(guān)系進(jìn)行壓剪實(shí)驗(yàn)，而2#和4#支座與胎冠表面凹槽的橫向位置形成垂直關(guān)系進(jìn)行壓剪實(shí)驗(yàn)。該過程將在豎向壓力P0=200kN的作用下進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，除此之外，還將采用位置移動控制對該裝置施加水平力，卸載時間以STP支座失效時間為準(zhǔn)，此時加載速率為0.05mm/s，最終得到的結(jié)論將通過式（3）進(jìn)行計(jì)算，其數(shù)值分別為1.23、1.26、1.37、1.35 kN/mm。

式（3）中：Fmax所代表的的含義為最大水平剪切力； ?max所代表的的含義為最大水平剪切位移。

通過該公式可將豎向壓力設(shè)置為200、250、300 kN，通過3種不同作用力向STP支座施加水平作用力，直至STP支座失效后將其卸載，得出水平剛度的豎向面壓相關(guān)性曲線，如圖4所示。通過圖4可以得出在豎向壓力的作用下，STP支座的水平剛度隨著豎向壓力的不斷變化，自身始終保持恒定狀態(tài)，且剪切力基本相同[4]。

圖4 水平剛度的豎向面壓相關(guān)性曲線Fig.4 Vertical surface pressure correlation curve of horizontal stiffness

4.2 斜壓實(shí)驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文將針對STP支座進(jìn)行斜壓實(shí)驗(yàn)，采用5000kN軸壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)中最大豎向荷載為5000kN，通過5000kN軸壓試驗(yàn)機(jī)對STP支座進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)表1中的編號數(shù)據(jù)，可將1#和3#支座與胎冠表面凹槽的縱向位置形成平行關(guān)系進(jìn)行斜壓實(shí)驗(yàn)，而2#和4#支座與胎冠表面凹槽的橫向位置形成垂直關(guān)系進(jìn)行斜壓實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)主要將STP支座放置于軸壓機(jī)中的上、中、下三塊契塊間，并向其中施加豎向壓力，直至STP支座剪切變形，從而造成中間契塊出現(xiàn)位置移動，本次移動將以水平形式進(jìn)行，將其形成的位置移動關(guān)系通過公式（4）、（5）進(jìn)行計(jì)算，最終得到的水平剛度平均值分別是1.60、1.54、2.27、2.22 kN/mm，通過水平剛度的計(jì)算結(jié)果可知壓剪實(shí)驗(yàn)以及斜壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同是由于各自原理的差異性造成的，其結(jié)果一致。

上式中：P表示豎向壓力，θ表示契塊之間形成的坡度，?表示中間鋼板在力的作用下產(chǎn)生的水平位移，tr表示STP支座的總厚度，A為支座的表面積,Psimθ代表的含義為水平狀態(tài)下的剪切力，?cosθ為水平狀態(tài)下的剪切位移，Psinθ/A為水平狀態(tài)下的剪應(yīng)力，?/trcosθ而 為水平狀態(tài)下的剪應(yīng)變[5]。

5 結(jié)束語

本文主要以STP支座的參數(shù)數(shù)據(jù)作為該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，通過將STP防震技術(shù)應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)中，將其分為三層框架，通過動力有限元對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，最終得知STP隔震結(jié)構(gòu)處于地震狀態(tài)下時，其上部結(jié)構(gòu)將以整體水平平動的方式進(jìn)行移動，除此之外，STP具有一定的耗散作用，可將地震對于房屋傳遞的力量進(jìn)行瓦解，通過該方式預(yù)防重大事故的發(fā)生從而對房屋造成損害。通過相關(guān)計(jì)算表明STP隔震技術(shù)可以通過延長該結(jié)構(gòu)的自振周期，從而達(dá)到減少共振風(fēng)險(xiǎn)的目的。在未來的發(fā)展過程中，將針對STP支座的安全性能進(jìn)行主要研究。