廢舊輪胎隔震砌體結(jié)構(gòu)仿真分析

陳 文，熊 峰

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽621000；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

2008年的汶川大地震給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來了慘重的損失，特別是抗震設(shè)防工作比較薄弱的農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)村砌體房屋造價(jià)較低，基本上沒有抗震設(shè)防措施，一旦發(fā)生地震，農(nóng)村砌體房屋倒塌最多，人員傷亡最重。提高農(nóng)村砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能迫在眉睫，基礎(chǔ)隔震技術(shù)是一種提高房屋抗震性能的有效方法。其中基于疊層橡膠支座隔震技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[1]。但疊層橡膠隔震支座自重大，制作工藝復(fù)雜，造價(jià)高，很難在我國農(nóng)村房屋中推廣使用。

作者研究開發(fā)的低造價(jià)新型基礎(chǔ)隔震裝置——廢舊輪胎隔震墊(STP)由切割成塊的廢舊汽車輪胎胎冠相互疊合構(gòu)成，具有造價(jià)低廉、制作簡單、自重輕、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。作者對STP隔震支座的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了豎向極限承載力、豎向剛度、水平剛度和等效阻尼比等參數(shù)，驗(yàn)證了STP隔震支座是一種有效的基礎(chǔ)隔震裝置[3]。在此基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立采用STP隔震支座的農(nóng)村砌體房屋模型與同比例的非隔震砌體房屋模型，并對兩種模型進(jìn)行了模態(tài)分析和非線性時(shí)程分析，研究STP隔震支座的隔震效果。

1 STP隔震支座

STP隔震支座是由切割成塊的廢舊汽車輪胎胎冠相互疊合而成并設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的隔震裝置，其結(jié)構(gòu)和布置如圖1和圖2所示。輪胎胎冠是由薄橡膠層和高強(qiáng)度鋼絲網(wǎng)經(jīng)高溫，加壓并硫化制作而成。因?yàn)橄鹉z的彈性模量很小，受壓時(shí)薄橡膠層會(huì)向側(cè)向變形，但由于受到內(nèi)部鋼絲網(wǎng)的約束，以及橡膠材料的近似非壓縮特性，在橡膠層中心形成三向受壓狀態(tài)，受壓時(shí)豎向變形非常小，具有足夠的豎向剛度和豎向承載能力[4]。STP隔震支座豎向極限承載能力取決于內(nèi)部鋼絲網(wǎng)的極限抗拉強(qiáng)度以及橡膠層和鋼絲網(wǎng)之間的粘結(jié)強(qiáng)度的較小值。力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，STP隔震支座豎向承載力達(dá)到11.42MPa，能夠承擔(dān)2～3層農(nóng)村砌體結(jié)構(gòu)房屋的重量且具有足夠的豎向剛度[3]。STP隔震支座水平剛度小(為豎向剛度的1/65～1/95)，且STP隔震支座水平剛度隨著剪切應(yīng)變的增大而降低[3]。

圖1 STP隔震支座結(jié)構(gòu)

圖2 STP隔震支座布置

2 有限元分析模型

以四川省阿壩州茂縣渭門鄉(xiāng)椒元村窄溪組某2層砌體房屋為例，運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立分析模型，對非隔震砌體房屋模型和采用STP隔震支座的砌體房屋模型進(jìn)行模態(tài)分析和非線性時(shí)程分析，對比研究STP隔震支座的隔震效果。

該2層砌體房屋開間分別為3.6m，3.9m，3.6m，進(jìn)深為6.0m，層高為3.0m，墻厚為0.24m，樓板厚為0.10m。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，磚強(qiáng)度等級(jí)為MU15，砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M7.5，Ⅱ類場地土，特征周期0.35s。

2.1 非隔震砌體房屋模型

磚墻和混凝土樓板采用Shell181單元，地圈梁采用Beam4。上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為2.2×105kg。非隔震砌體房屋模型如圖3所示。

圖3 非隔震砌體房屋模型

2.2 采用STP隔震支座的砌體房屋模型

上部結(jié)構(gòu)模型與非隔震砌體房屋模型相同，隔震層由12個(gè)STP支座組成，STP支座平面布置如圖4所示。STP隔震支座采用兩個(gè)水平向非線性彈簧單元Combin40和一個(gè)豎向線性彈簧單元Combin14模擬。上部結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型采用彈性模型，隔震層采用由STP隔震支座水平力學(xué)性能試驗(yàn)得到的修正雙線性恢復(fù)力模型如圖5所示。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

本文數(shù)值計(jì)算中沿X向與Y向分別輸入代表Ⅱ類場地特點(diǎn)的ElCentro波、Taft波和Lanzhou波三條地震波。地震波加速度峰值(PGA)取70gal和400gal(分別對應(yīng)于茂縣地區(qū)8度多遇烈度和罕遇烈度時(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值)。

圖4 STP隔震支座平面布置

圖5 STP隔震支座恢復(fù)力模型

3.1 模態(tài)分析

非隔震和隔震結(jié)構(gòu)前5階自振周期見表1，從表1可以看出：采用廢舊輪胎隔震墊隔震技術(shù)后，隔震結(jié)構(gòu)的周期延長了7倍左右，避開了場地的卓越周期，降低了水平地震作用。

表1 隔震和非隔震結(jié)構(gòu)自振周期

3.2 基底總剪力分析

用APDL語言編制后處理程序?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到隔震和非隔震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下沿X向與沿Y向的基底總剪力。表2為隔震和非隔震結(jié)構(gòu)在3種地震波作用下基底總剪力對比。隔震結(jié)構(gòu)在3種地震波作用下的基底總剪力均小于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)是非隔震結(jié)構(gòu)的0.381～0.689，表明STP隔震支座能夠降低水平地震作用，體現(xiàn)了良好的隔震效果。

表2 地震作用下結(jié)構(gòu)基底總剪力(PGA=70 gal)

3.3 位移反應(yīng)分析

圖6為Lanzhou地震波(PGA=400gal)分別沿X向和Y向輸入時(shí)隔震和非隔震結(jié)構(gòu)各位移參數(shù)曲線圖，圖7為不同加速度峰值、不同地震波作用下隔震結(jié)構(gòu)層間位移折線圖。從圖中可以看出：相對于非隔震結(jié)構(gòu)，由于隔震層發(fā)生較大的水平位移(圖6(a))，隔震結(jié)構(gòu)相對于地面位移較大(圖6(c))，但上部樓層層間位移顯著減小(圖6(b))，其最大值為0.76mm(圖7)，樓層位移和結(jié)構(gòu)變形主要集中在隔震層，上部結(jié)構(gòu)幾乎“整體平動(dòng)”且變形很小(圖6(d))。表明地震能量主要由隔震層吸收，有效地隔離地震運(yùn)動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，隔震效果顯著，保障了上部結(jié)構(gòu)在地震下的安全。

(a)隔震層絕對位移時(shí)程曲線

(b)頂層層間位移時(shí)程曲線

(c)樓層絕對位移包絡(luò)圖

(d)樓層層間位移包絡(luò)圖圖6 Lanzhou地震波分別沿X向和Y向輸入時(shí)各位移參數(shù)曲線圖(PGA=400 gal)

圖7 隔震結(jié)構(gòu)上部樓層層間位移折線

4 結(jié)論

通過對采用廢舊輪胎隔震墊的農(nóng)村砌體房屋模型和非隔震砌體房屋模型的ANSYS有限元非線性分析，得出結(jié)論如下：

(1)采用廢舊輪胎隔震墊隔震技術(shù)后，隔震結(jié)構(gòu)的周期比非隔震結(jié)構(gòu)的周期延長了7倍左右。

(2)在3種地震波(PGA=70gal)作用下，采用廢舊輪胎隔震墊隔震技術(shù)后，隔震結(jié)構(gòu)的基底總剪力均小于非隔震結(jié)構(gòu)，隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)的基底總剪力比值為0.381～0.689。

(3)廢舊輪胎隔震墊隔震技術(shù)能夠顯著減小上部樓層層間位移，控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，具有較好的隔震效果。

[1] 周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:地震出版社,1997

[2] 陳文, 熊峰.利用廢舊輪胎的農(nóng)居砌體結(jié)構(gòu)房屋隔震系統(tǒng)[J].四川建筑，2012，(1):113-115

[3] 陳文,熊峰.廢舊輪胎隔震墊力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014,32(4):1-5

[4]AhmetTurer,Bayezid?zden.Seismicbaseisolationusinglow-costScrapTirePads[J].MaterialsandStructures, 2008,41:891-908