鋼筋—瀝青復合隔震層實際工程應用研究

尚守平 朱博聞 吳建任 魯華偉

摘 要：農村地區的房屋多為“低矮寬胖”一至兩層的砌體結構，且抗震能力普遍不足.基于對鋼筋

瀝青復合隔震層大量的理論與試驗研究，特將該種隔震效果明顯、造價低廉、施工方法簡易的隔震層應用于一個實際的農村三層民居.結構完工后采用錘擊法并配合941B型拾振器拾取該房屋一層樓面和地下室地面加速度波，通過分析計算得該隔震房屋的隔震系數.結果表明，該房屋的隔震層可以將地面水平運動加速度衰減40%左右，具有良好的隔震效果.同時經對比計算得知該隔震房屋的造價沒有增加.因此可知，這種新型隔震層非常適用于廣大農村地區.

關鍵詞：鋼筋

瀝青復合隔震層；實際工程；農村民居；減震效果

中圖分類號：TU352.12 文獻標識碼：AResearch on Steel Asphalt Isolation Layer in Practical Engineering

SHANG Shouping，ZHU Bowen，WU Jianren，LU Huawei

（College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082，China） Abstract：Most houses in rural areas are low and wide. And the houses often have one or two floors which lack seismic ability. Based on the sufficient research of the steel asphalt isolation layer， we used the special isolation layer for a practical engineering case with three floors， and the isolation layer proved cheap with simple construction and obvious isolation effect. After the structure of the house was finished， we used the hammering method to test the isolation coefficient of the house by putting the vibration pickup style 941B on the basement floor and the first floor. The results showed that the isolation layer could decay the acceleration by about 40%. At the same time， the construction cost of the house did not increase any more at the contrast calculation. Therefore， this new type isolation layer is very suitable to be widely used in rural areas.

Key words：steel asphalt isolation layer； practical engineering； rural buildings； damping effect

地震是危及國民經濟建設和人民生命財產安全的一種突發、毀滅性的自然災害，一次突發的大地震可令一座美麗繁華的城市在數秒內變成一片廢墟，交通通信、供水供電等生命線中斷，工廠生產、城市經濟發展停滯癱瘓，并可能引發火災、疾病等次生災害，人員大量傷亡，社會長期動蕩不安，并導致嚴重的經濟損失，阻礙社會發展.全世界每年平均發生破壞性地震近千次，預防或減輕地震帶來的傷害迫在眉睫.本文作者推出一種新型、高效、廉價的鋼筋

瀝青隔震層技術，并且將該種技術運用到了一棟實際的農村三層民房中.事實證明它確實是一種廉價高效的隔震技術，適合在村鎮地區推廣使用.

1 隔震層的構造和設計原理

1.1 隔震層的構造

隔震層位于房屋上部結構和基礎之間，由鋼筋混凝土上圈梁、鋼筋

瀝青隔震層和鋼筋混凝土下圈梁組成，上圈梁和下圈梁分別與房屋上部結構和基礎連接.隔震層中的豎向鋼筋是整個隔震結構體系的重要受力部分，利用隔震層豎向鋼筋水平方向的彈性剛度較豎向的彈性剛度小很多的特點，使隔震層具有較高的豎向承載力而水平剛度小的性能，從而能夠增大結構的振動周期，達到較好的隔震效果.地震作用下，主要通過隔震層豎向鋼筋承受地震作用，提供水平剛度和限制水平位移.在遭遇多遇地震作用時，隔震層內的豎向鋼筋處于彈性狀態，具有水平恢復力，因此上部結構在隔震層以上是做彈性的水平往復振動.這時由于隔震層消耗了大量的地震能量，上部結構受的地震作用很小，結構的破壞也很微小，甚至只有彈性變形沒有破壞，達到小震不壞的目的.當遭遇罕遇地震時，隔震層內的豎向鋼筋屈服.上部結構水平運動時，由于鋼筋屈服，上部結構及鋼筋混凝土上梁落在磚墩上繼續滑動，達到大震不倒的目的.

瀝青復合隔震層中瀝青油膏起到防止隔震層中豎向鋼筋生銹并提供隔震層阻尼的作用，作者在設計時未考慮瀝青油膏的阻尼，只將其作為一種阻尼的富余.隔震層中的豎向磚墩可以起到減少瀝青油膏用量的作用，并且在結構遭遇罕遇地震時，由于隔震層水平位移較大、豎向鋼筋屈服，上部結構可落在磚墩上繼續滑動.隔震層的構造見圖1.

1.2 隔震層的設計原理＼[1＼]

1.2.1 運用振動微分方程來闡述隔震原理

地震作用下，結構體系的動力微分方程為：

ms+cs+Kxs=cg+Kxg

（1）

式中m為上部結構總質量；K為隔震層水平剛度；c為隔震裝置阻尼值；s，s，xs分別為上部結構絕對水平加速度反應、速度反應和位移反應；g，xg分別為地面水平速度和位移.

公式兩邊均除以m，并定義隔震結構體系的固有頻率為ωn=K/m，阻尼比為ζ=c2mωn， 代入式（1）得：

s+2ωnζs+ω2nxs=2ωnζg+ω2nxg

（2）

為求得結構體系的絕對水平加速度反應s，采用轉變函數的方法.設結構體系的動力反應轉換函數為H（ω），地基特征頻率為ω，地面地震水平加速度g=eiωt，則隔震結構地震絕對水平加速度反應s=H（ω）eiωt.

（a） 橫剖面圖

（b）縱剖面圖

圖1 鋼筋

瀝青復合隔震層構造圖

Fig.1 The structure of the isolation layer

把g及s代入式（2），經過整理得到隔震結構體系動力反應轉換函數為：

H（ω）=sg=1+（2ζω/ωn）21-（ω/ωn）22+（2ζω/ωn）2

（3）

轉換函數的物理意義是地震時隔震結構的地震加速度反應與地面加速度反應的比值.它表示隔震結構對地面地震加速度的衰減效果.現定義Ra為隔震結構的加速度反應衰減比，即地震時隔震結構絕對水平加速度反應與地面水平加速度反應之比：

Ra=sg=1+（2ζω/ωn）21-（ω/ωn）22+（2ζω/ωn）2

（4）

式（4）是設計計算和控制隔震效果的重要基本公式.若建筑結構物所在的場地特征頻率為己知，則可合理選取隔震裝置（固有頻率ωn，阻尼比ζ），進而求得隔震結構加速度衰減率Ra，以確保地震中結構物或結構內部的裝修、設備、儀器等的安全.圖2給出了隔震結構加速度衰減率Ra與頻率比ω/ωn的關系.

ω/ωn

圖2 Ra與頻率比（ω/ωn）的關系曲線

Fig.2 The relation curve of Ra and（ω/ωn）

從圖中可以看出，當ω/ωn>1.414 2時，Ra<1，結構體系為隔震結構體系，結構的地震反應被衰減，此時，ω/ωn越大，Ra越小，結構減震效果越好.為了避開結構與場地的共振，可以增大ω/ωn，但對于未發生的地震頻率ω是無法預知的，因而只能采取減小ωn來提高ω/ωn，從而減少建筑結構的震動反應.

因ωn=K/m，減小剛度K和增大質量m，可減小ωn而改變一般的結構質量又牽涉到造價的上升以及剛度的同時變化等方面問題，因此只能采取減小剛度K的方法來提高ω/ωn的值.為此，可以在建筑物的底層或中部加上一層剛度小、粘性大，豎向承載力高的隔震層，這就是隔震層減小建筑結構地震反應的原理.而鋼筋

瀝青隔震層中的豎向鋼筋就具有豎向承載力大、剛度大而水平剛度小的特點，可以達到預期的隔震效果.

1.2.2 鋼筋

瀝青復合隔震層的計算[2]

隔震層的計算按照各墻片承受上部結構的荷載設計值確定，且分別按穩定控制和強度控制計算取大值.

1）隔震層豎向鋼筋的穩定計算

將豎向鋼筋看成下端固定、上端可水平移動的壓彎桿件，根據壓桿靜力穩定性分析的歐拉公式，對于下端固定、上支座可水平移動的壓彎等截面直桿，其臨界荷載有如下表達式：

Pcr=π2EIl2

（5）

P<Ρcr

（6）

式中E 為單根豎向鋼筋的抗彎彈性模量；I 為單根豎向鋼筋的截面慣性矩；l 為豎向鋼筋自由長度；P 為單根鋼筋所承受的豎向荷載.

單根豎向鋼筋承受的豎向荷載P可近似由下式計算：

P=Nn

（7）

式中N 為上部結構傳至單個隔震墩上的荷載設計值；n 為該隔震墩豎向鋼筋根數.

由式（5）～式（7）可確定該隔震墩所需豎向鋼筋的最少數量：

nmin=64Nl2π3Ed4

（8）

式中d 為隔震墩豎向鋼筋直徑.

計算時可先根據房屋層數取相應的l，d進行試算，然后驗算直至滿足要求為止.

2）隔震層豎向鋼筋的強度驗算

地震作用下隔震層豎向鋼筋截面承載力驗算時將結構看成一個整體計算地震作用，計算隔震體系的基本周期時采用隔震墩所有鋼筋的抗側剛度之和作為隔震層水平剛度.豎向鋼筋截面承載力驗算方法如下：

①重力荷載代表值

對于農村民居上部結構重力荷載代表值應取結構和構件自重標準值和各可變荷載組合值之和.

②隔震層水平剛度

可假設隔震層鋼筋數量為n（n≥nmin），此處nmin為本層所有隔震墩最少鋼筋根數之和，此時隔震層水平剛度為：

Kh=nk=12nEIl3

（9）

式中k為單根豎向鋼筋的側向剛度.當n取nmin時，有：

Kh=nmink=NPcrk=Nh2π2EI12EIl3=12Nπ2l

（10）

③隔震體系周期

對于砌體結構隔震后基本周期可根據《建筑抗震設計規范》采用下式計算：

T1=2πGGEkKhg

（11）

式中T1為隔震體系的基本周期；GGEk為隔震層上部結構的重力荷載代表值；Kh為隔震層水平側向剛度；g 為重力加速度.

④水平地震作用

隔震層水平地震作用可參考《建筑抗震設計規范》按下式計算：

F′Ek=α1GGEk

（12）

式中F′Ek為隔震層水平地震作用；α1為隔震結構體系相應于基本自振周期的水平地震影響系數.

⑤截面承載力驗算

結構在地震作用下的內力組合值SE可用下式計算：

SE=γGSGE+γEhSEhk

（13）

式中SE為內力組合的設計值；γG為重力荷載分項系數，一般取1.2；SGE為重力荷載代表值；γEh為水平地震作用分項系數，一般取1.3；SEHk為水平地震作用標準值的效應.

結構截面抗震承載力驗算，可采用下式：

SE

（14）

式中R 為結構承載力設計值；γRE為承載力抗震調整系數，對隔震層豎向鋼筋取0.75.

鋼筋應力最大值在水平力和豎向力共同作用下出現在鋼筋端部，鋼筋應力最大值σmax為：

σmax=MW+GGEknA=16F′Eklnπd3+GGEknπd2

（15）

根據邊緣纖維屈服準則，以桿件中應力最大的纖維處屈服時的荷載作為桿件在彈性工作階段的最大荷載.根據式（13）和式（14），應滿足：

γEh16F′Eklnπd3+γGGGEknπd2<σy/γRE

（16）

式中σy為隔震層豎向鋼筋強度設計值.

若式（16）成立，說明隔震層鋼筋根數滿足強度要求.若式（16）不滿足，則增加隔震層豎向鋼筋根數n再進行試算，直至滿足.

為了更好地推廣該種新型隔震技術，作者采用Visual Basic語言編寫了一套隔震層設計程序，該程序可以用于全國各個地區的鋼筋

瀝青隔震層設計.

2 房屋整體情況描述

該房屋位于湖南省長沙市先導區蓮花鎮五豐鄉，為一農戶自行建造的房屋，附帶地下室一共四層，占地面積162 m2.房屋整體采用磚混結構，采用條形大放腳基礎，基礎墻體砌筑方式為眠墻，上部結構墻體砌筑方式為一眠一斗.隔震措施采用鋼筋

________________________________________

瀝青復合隔震層，隔震層位于條形基礎上部，一層樓面以下的位置，同時位于室外地面以上，方便對隔震層鋼筋的維護.考慮到是該種新型隔震層的第一個實際工程，對房屋抗震設防烈度取7度（多遇地震），設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類＼[3＼].一層樓面除衛生間外全部采用中南標預制空心樓板，空心樓板表面采用高性能復合砂漿鋼筋網整體化加固處理.上部結構三層墻體采用高性能復合砂漿鋼筋網窄條帶充當圈梁和構造柱.隔震房屋整體照片和基礎照片分別見圖3和圖4.

3 隔震層的施工

隔震層的施工先后順序為隔震層下圈梁施工、隔震層磚墩瀝青層施工、隔震層上圈梁施工.詳見參考文獻＼[4＼].

圖3 房屋整體圖

Fig.3 The whole house

圖4 房屋基礎施工

Fig.4 The construction of the foundation

3.1 隔震層下圈梁施工

隔震層坐落于條形基礎之上，首先綁扎隔震層下圈梁鋼筋籠，箍筋間距與隔震層豎向鋼筋間距相同，一般采取的豎向鋼筋間距為200 mm，也就是說鋼筋籠的箍筋間距為200 mm.綁扎完鋼筋籠后，將隔震層豎向鋼筋一排排與箍筋綁扎在一起，豎向隔震鋼筋嵌入下圈梁長度要滿足錨固長度要求，并且要盡量綁扎豎直，隔震層豎向鋼筋綁扎的豎直情況直接影響到隔震層的隔震效果.下圈梁底部要注意留取保護層厚度.下圈梁鋼筋綁扎圖見圖5.

圖5 隔震層下圈梁鋼筋綁扎

Fig.5 The steel binding of the under ring beam

其次是混凝土的澆筑，檢查完畢鋼筋綁扎以及豎向鋼筋配置后，可以支模板，進行下圈梁混凝土的澆筑.澆筑混凝土時需用振動棒振搗均勻，澆筑的同時進行隔震層豎向鋼筋的校正，保證其豎直.澆筑混凝土最關鍵的部分是要保證整片圈梁頂面在同一個水平面上，這樣隔震層才能在同一水平面上，才能發揮其隔震效果.下圈梁混凝土澆筑見圖6.

圖6 下圈梁混凝土澆筑

Fig.6 The concrete pouring

3.2 隔震層磚墩瀝青層施工

在隔震層下圈梁混凝土澆筑完成72 h之后，在底梁上進行磚墩和瀝青層的施工.

1）砌筑磚墩

磚墩瀝青層施工首先是要進行豎向受力鋼筋沿條基長度方向間隔中的磚墩砌筑施工.該示范工程設計隔震層高度為250 mm，也就是隔震層中間的磚墩瀝青層高度為250 mm，磚的厚度加上砂漿層可以算作60 mm一皮，所以這里砌筑了四皮磚墩，最上面預留了10 mm填充瀝青或者鋪設瀝青油氈，作用是為了保證隔震層上圈梁和下圈梁之間可以發生錯動.磚墩砌筑在兩排鋼筋的中間，紅磚的寬度為115 mm，每排鋼筋之間的間距為200 mm，所以每排鋼筋位于一個寬度為85 mm的縫隙中，可以保證鋼筋在地震作用下能夠自由擺動，不受兩邊磚墩的約束.考慮到該房屋隔震層內部就是地下室，可以選取三排鋼筋之間的空隙不砌筑磚墩，起到一個采光通風的作用.由于采光窗位置的鋼筋暴露在空氣中，需要對其進行防銹處理，在鋼筋表面涂抹瀝青油膏或者刷防銹漆.磚墩施工和隔震層采光窗分別見圖7和圖8.

圖7 磚墩砌筑施工

Fig.7 The construction of the brick pier

2）鋪澆瀝青油膏

其次是對磚墩之間的縫隙，也就是豎向鋼筋四周進行瀝青的填充施工，在施工之前需要對磚墩層兩邊支模板，并且保證模板與下圈梁接觸的地方不能有縫隙，防止流動的瀝青從縫隙中流出，引起材料的浪費.將瀝青油膏澆倒入磚墩之間空隙時，應振搗使其密實.該工程使用的填充瀝青油膏為普通的PVC瀝青防水油膏，并在其中摻入了無機粉料.無機粉料的摻量會影響到瀝青油膏的流動性，摻入的多，流動性會變差.我們要求隔震層瀝青能夠夏天不流淌，冬天不結硬.填充瀝青油膏到磚墩表面上面1 cm后抹平.

圖8 隔震層兼地下室采光窗

Fig.8 The lighting window

3）鋪設墊層

在澆鋪好的瀝青油膏凝固（圖9）后，可以拆除模板，在瀝青磚墩層上進行墊層的鋪設施工.該墊層起到澆筑隔震層上圈梁混凝土時作為其底部模板的作用.考慮到模板拆卸不便的問題，該墊層采用了隔震層上圈梁澆筑好之后無需拆卸的防水油氈，鋪設好油氈的隔震層見圖10.瀝青和添加劑的配合比選取詳見參考文獻＼[5＼].

圖9 澆灌隔震層中的瀝青

Fig.9 The asphalt pouring

圖10 隔震層中的磚墩瀝青層

Fig.10 The asphalt and brick pier in isolation layer

3.3 隔震層上圈梁施工

隔震層上圈梁施工是隔震層施工的最后一步，按照設計和構造要求綁扎好隔震層上圈梁的鋼筋籠，隔震層縱向受力鋼筋上端伸入隔震層上圈梁鋼筋籠內，然后在磚墩頂部鋼筋籠兩側支邊模板，以磚墩上面的瀝青油氈為底模板，進行混凝土的澆筑即可.

3.4 隔震層的后期維護

考慮到隔震層瀝青會老化的事實，特意將隔震層的瀝青層設置在室外地面以上.這樣可以方便后期更換隔震層瀝青，保護鋼筋不被銹蝕，從而保證隔震層的隔震效果.

3.5 設置了鋼筋

瀝青隔震層房屋的特別設計

為了保證該隔震房屋在地震作用下能夠自由擺動不受約束，并且不造成結構和構件的損壞，特意對隔震層所在平面上的所有功能性的構件進行了特別的設計.

1）隔震層軟隔斷樓梯

該隔震房屋通往地下室的樓梯是通過隔震層的.為了保證隔震層上部結構能夠自由運動，并且不破壞該樓梯的結構，特地將該樓梯隔斷為兩個部分，下部與地下室為一個整體，上部從梯口梁挑出一階，剛好在隔震層處形成一個5 cm的隔斷，最后在該隔斷處填充瀝青油膏，外表面粉刷上即可.軟隔斷樓梯見圖11.

圖11 隔震層隔斷樓梯

Fig.11 The separated stair by the isolation layer

2）門口臺階與主體預留縫

同樣為保證上部主體結構在地震發生的時候能夠自由運動，將大門的臺階與主體之間預留了10 cm，只在臺階的最上層用簡支板將預留縫蓋住即可，這樣房屋在移動時就不會破壞門口的臺階，同時也不會影響隔震層的隔震效果.臺階與主體預留縫見圖12.

3）樓面板的高性能復合砂漿鋼筋網（以下簡稱HPFL）整體化處理

為了保證隔震層的隔震效果，我們在一層樓面的所有預制板上做了一層HPFL薄層來加強樓面板的整體性，提高樓面的承載力和變形能力.同時也起到了防止樓面板坍塌，保護人身財產安全的作用.

圖12 臺階與主體預留縫

Fig.12 The obligate seam of the steps

4）隔震層上下水軟管

為防止房屋上部結構在運動時對水管造成破壞，特意在隔震層位置的水管采用軟管連接.上水選用有壓力軟管，下水采用普通軟管連接.軟管接頭圖見圖13.

圖13 通過隔震層的軟管

Fig.13 The soft pipe though the isolation layer

4 隔震房屋的隔震效果檢測

4.1 檢測方法和原理

待房屋主體結構施工完畢之后，便可以對該房屋的隔震效果進行檢測.由于該房屋為一實際的民房，不能像在實驗室里面一樣采用振動臺或作動器進行激振，于是我們采用了錘擊法激振，首先在遠處土地上固定一塊木板，然后用大錘錘擊木板產生加速度.因房屋的上部結構與基礎之間僅僅通過隔震層相連，房屋上下水在隔震層位置皆采用軟管連接，前后門臺階均與房屋主體隔開，所以錘擊加速度是經過地下室傳遞到一層樓面的.

錘擊加速度信號采集采用941B型拾振器，其具有良好的低頻特性，同時配合使用891型電荷放大器（16通道）.數據采集儀采用東方振動與噪音技術研究所研制的INV306智能數據采集和信號分析系統.試驗采樣頻率為2 000 Hz.用以上裝置分別采集隔震房地下室地面和一層樓面上的橫向（X方向）和縱向（Y方向）的振動加速度，也就是隔震層上下部分的加速度時程曲線，然后分析波形經過計算可以得到房屋兩個方向的隔震系數.

4.2 檢測結果

定義隔震系數＼[6＼]（即加速度折減系數）βa為：

βa=一層樓面加速度最大值地下室底面加速度最大值

定義X方向為平行于房屋短邊的方向，Y方向為平行于房屋長邊的方向.

檢測結果表明，設置了隔震層之后該房屋在X向和Y向的隔震效果都比較明顯.圖14為經過多次試驗所測得的房屋加速度時程曲線對比圖，坐標軸中橫坐標為時間（單位：ms），縱坐標為加速度（單位：m/s2），綜合數據分析結果見表1和表2.

t/ms

（a） X方向 試驗號1

t/ms

（b） X方向 試驗號2

t/ms

（c） X方向 試驗號3

t/ms

（d） X方向 試驗號4

t/ms

（e） X方向 試驗號5

t/ms

（f） Y方向 試驗號1

t/ms

（g） Y方向 試驗號2

t/ms

（h） Y方向 試驗號3

圖14 測試試驗加速度時程曲線對比圖

Fig.14 The timehistory curves of the acceleration

5 結 論

1）鋼筋

瀝青復合隔震層被成功應用于一幢農村民居中[7-9]，事實證明這種隔震層施工簡單，取材方便，沒有出現隔震層失穩破壞或強度破壞現象（圖15）.

圖15 結構完工后的隔震房屋

Fig.15 Building with isolation layer after construction

2）結構完工后檢測結果表明，該隔震房屋在X方向的隔震系數為0.576（可以將地震作用加速度衰減為原來的57.6%），在Y方向的隔震系數為0.666（可以將地震作用加速度衰減為原來的66.6%），減震效果非常明顯.

3）該隔震房屋的結構總體造價為38萬元，與未設置隔震層的房屋相比并沒有增加造價，適合在全國乃至全世界的村鎮地區推廣使用.

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