廢舊輪胎隔震砌體結構仿真分析

陳 文，熊 峰

(1.西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽621000；2.四川大學建筑與環境學院，四川成都610065)

2008年的汶川大地震給人民生命財產帶來了慘重的損失，特別是抗震設防工作比較薄弱的農村地區，農村砌體房屋造價較低，基本上沒有抗震設防措施，一旦發生地震，農村砌體房屋倒塌最多，人員傷亡最重。提高農村砌體結構房屋的抗震性能迫在眉睫，基礎隔震技術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應用最為廣泛[1]。但疊層橡膠隔震支座自重大，制作工藝復雜，造價高，很難在我國農村房屋中推廣使用。

作者研究開發的低造價新型基礎隔震裝置——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成，具有造價低廉、制作簡單、自重輕、利于環保等優點[2]。作者對STP隔震支座的力學性能進行了試驗研究，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，驗證了STP隔震支座是一種有效的基礎隔震裝置[3]。在此基礎上，本文運用有限元軟件ANSYS建立采用STP隔震支座的農村砌體房屋模型與同比例的非隔震砌體房屋模型，并對兩種模型進行了模態分析和非線性時程分析，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置在上部結構與基礎之間的隔震裝置，其結構和布置如圖1和圖2所示。輪胎胎冠是由薄橡膠層和高強度鋼絲網經高溫，加壓并硫化制作而成。因為橡膠的彈性模量很小，受壓時薄橡膠層會向側向變形，但由于受到內部鋼絲網的約束，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，受壓時豎向變形非常小，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部鋼絲網的極限抗拉強度以及橡膠層和鋼絲網之間的粘結強度的較小值。力學試驗結果表明，STP隔震支座豎向承載力達到11.42MPa，能夠承擔2～3層農村砌體結構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變的增大而降低[3]。

圖1 STP隔震支座結構

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椒元村窄溪組某2層砌體房屋為例，運用有限元軟件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行模態分析和非線性時程分析，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，進深為6.0m，層高為3.0m，墻厚為0.24m，樓板厚為0.10m。混凝土強度等級為C30，磚強度等級為MU15，砂漿強度等級為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。上部結構總質量為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

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

3 數值計算結果分析

本文數值計算中沿X向與Y向分別輸入代表Ⅱ類場地特點的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(分別對應于茂縣地區8度多遇烈度和罕遇烈度時地面運動加速度峰值)。

圖4 STP隔震支座平面布置

圖5 STP隔震支座恢復力模型

3.1 模態分析

非隔震和隔震結構前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后，隔震結構的周期延長了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 隔震和非隔震結構自振周期

3.2 基底總剪力分析

用APDL語言編制后處理程序對計算結果進行處理，得到隔震和非隔震結構在多遇地震作用下沿X向與沿Y向的基底總剪力。表2為隔震和非隔震結構在3種地震波作用下基底總剪力對比。隔震結構在3種地震波作用下的基底總剪力均小于非隔震結構，隔震結構是非隔震結構的0.381～0.689，表明STP隔震支座能夠降低水平地震作用，體現了良好的隔震效果。

表2 地震作用下結構基底總剪力(PGA=70 gal)

3.3 位移反應分析

圖6為Lanzhou地震波(PGA=400gal)分別沿X向和Y向輸入時隔震和非隔震結構各位移參數曲線圖，圖7為不同加速度峰值、不同地震波作用下隔震結構層間位移折線圖。從圖中可以看出：相對于非隔震結構，由于隔震層發生較大的水平位移(圖6(a))，隔震結構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)，樓層位移和結構變形主要集中在隔震層，上部結構幾乎“整體平動”且變形很小(圖6(d))。表明地震能量主要由隔震層吸收，有效地隔離地震運動向上部結構的傳遞，隔震效果顯著，保障了上部結構在地震下的安全。

(a)隔震層絕對位移時程曲線

(b)頂層層間位移時程曲線

(c)樓層絕對位移包絡圖

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

圖7 隔震結構上部樓層層間位移折線

4 結論

通過對采用廢舊輪胎隔震墊的農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，得出結論如下：

(1)采用廢舊輪胎隔震墊隔震技術后，隔震結構的周期比非隔震結構的周期延長了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后，隔震結構的基底總剪力均小于非隔震結構，隔震結構與非隔震結構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能夠顯著減小上部樓層層間位移，控制結構內力和變形，降低結構地震反應，具有較好的隔震效果。

[1] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京:地震出版社,1997

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

[3] 陳文,熊峰.廢舊輪胎隔震墊力學性能試驗研究[J].貴州師范大學學報：自然科學版，2014,32(4):1-5

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