不同高寬比基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗分析

鄭威　徐丹　黃小霞

摘要：為了觀察不同高寬比隔震效果的變化規(guī)律，建立4組框架結(jié)構(gòu)模型，高寬比分別為1.0，2.0，3.0，4.0，分別輸入不同加速度峰值的地震波，在砂-橡膠粒隔震墊層上進行振動臺試驗。 試驗結(jié)果表明：隨高寬比比值的增大，隔震結(jié)構(gòu)加速度響應隨之增大，隔震效果呈降低的趨勢；當?shù)卣鸩ǖ募铀俣确逯递^小時，砂-橡膠粒墊層的耗能減震能力不夠明顯，隨著地震作用的增強，其隔震效果明顯改善。本次試驗反映了高寬比因素對結(jié)構(gòu)隔震效應的影響；同時證明了在大震激勵下，砂-橡膠粒墊層具有較好的耗能減震能力，為下一步在工程上的應用提供了試驗依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu)；振動臺試驗；砂與橡膠粒墊層

中圖分類號：TU352文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2016）02-0040-04

Abstract：In order to observe the seismic isolation effect of the structure with different height- width ratio， 4 groups of frame structure models with height-width ratio of 1.0，2.0，3.0，4.0 were constructed for vibration table test on the sand - rubber particle isolation cushion， under different peak acceleration of earthquake wave. The results showed that with the increase of the height-width ratio， the acceleration response of the isolation structure increases， and the seismic isolation effect decrease. When seismic peak acceleration is small， the effect of energy dissipation and vibration adsorption of the sand - rubber particle cushion is not obvious， and with the increase of earthquake intensity， the seismic isolation effect is improved significantly. The tests showed that the ratio of height to width of structure affects its seismic isolation effect， and under intensive earthquake excitation the sand-rubber particle cushion has good effect of seismic energy dissipation， which provides an experimental basis for engineering application in the future.

Key words： seismic isolation structure； vibration table test； sand-rubber particle cushion

摩擦滑移隔震體系的研究始于上世紀 70年代。其工作原理是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置一個隔震層，使結(jié)構(gòu)在地震時作整體的水平滑動，通過上部結(jié)構(gòu)和隔震層之間的相對滑動和摩擦耗能，限制了地震波能量向結(jié)構(gòu)上部傳遞，從而減小建筑物的地震反應。

目前對于摩擦擺滑移隔震體系，研究較多的是支座的材料，幾何構(gòu)造，滑動半徑，摩擦系數(shù)等對于結(jié)構(gòu)隔震效果的影響。文獻[1]對砂-橡膠粒混合物剪切模量進行了試驗，發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒的摻入可以有效地降低砂墊層的動剪模量，證明砂-橡膠粒混合墊層具有良好的隔震效果；文獻[2]指出地震波的類型和峰值是影響摩擦滑移隔震支座隔震效果的重要因素；文獻[3]從上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造出發(fā)，討論了上部結(jié)構(gòu)周期對于隔震體系的影響；文獻[4]通過數(shù)值模擬，從層間位移和內(nèi)力的角度探討了不同高寬比隔震結(jié)構(gòu)的地震響應。本文將在以上研究的基礎(chǔ)上，以砂-橡膠粒作為隔震墊層，從振動臺試驗的角度，討論高寬比比值和地震波加速度峰值對于隔震效果的影響。

1振動臺試驗

1.1試驗材料及模型設(shè)計

1）試驗材料砂為普通石英砂，粒徑為5 mm；橡膠顆粒由廢舊輪胎等橡膠原料加工生產(chǎn)，粒徑為2～4 mm。橡膠粒體積含量為 50%，砂和橡膠粒體積用量杯測量混合，攪拌均勻。

2）采用雙條形支座砂箱作為隔震墊層底座。砂箱共兩個，尺寸均為 700 mm×200 mm×200 mm，由 2 mm厚的鋼板軋制而成，為防止沙箱在振動臺上發(fā)生相對滑移，砂箱底部預留孔徑為15 mm的螺孔，通過螺母與振動臺連接以固定砂箱。

3）試驗所用簡化模型以農(nóng)村常見的單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)為原型。假設(shè)結(jié)構(gòu)樓面的剛度無限大，用 5 mm 的鋼板代替結(jié)構(gòu)的樓板，梁柱節(jié)點處采用半剛性連接，上部結(jié)構(gòu)模型的平

面尺寸為30 mm×20 mm，層高為20 mm，通過改變層數(shù)來實現(xiàn)不同的高寬比比值。框架底層為滑塊，底座滑塊尺寸長×寬×高=20cm×10cm×0.5cm，高寬比為 4.0的模型為 4層，高寬比為 3.0的模型為 3層，以此類推。

1.2試驗設(shè)備

1） 振動臺。由杭州邦威儀器廠生產(chǎn)的 ES-E20單自由度電動伺服振動臺，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。

1.3試驗方案

設(shè)計試驗墊層的厚度均為 6mm。將混合顆粒攪拌均勻，攤鋪在雙槽形鋼箱底座中[5]。

荷載工況是：正式實驗前，先輸入正弦波將墊層振密，再將結(jié)構(gòu)置于墊層上，連接電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀。選取 El-Centro波進行加載試驗，分別施加加速度峰值為45 cm/s2、

100 cm/s2、220 cm/s2的三組地震波。每次試驗持續(xù)時間均為 20s。

2試驗結(jié)果及分析

本次試驗是一組不同高寬比結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，根據(jù)采集到的加速度數(shù)據(jù)波形圖，提取最大加速度值作為分析對象。由于框架結(jié)構(gòu)在地震波作用下越靠近底層，承受的地震作用越

大，所受的破壞越劇烈[6]。在 4組不同高寬比結(jié)構(gòu)的試驗中，提取底層滑塊和 1層樓板的加速度值作為比較的依據(jù)。測得數(shù)據(jù)如圖 2～圖 3所示。

2.1高寬比因素的影響

由圖 2和圖3可得出，當?shù)卣鸩ǖ姆逯导铀俣纫欢〞r，隨著高寬比數(shù)值的增大，隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應隨之增大，且變化的幅度也有相應的增大，隔震效果有所降低。特別是輸入地震波峰值加速度達到 2.2 m/s2時，相比高寬比為 1.0的結(jié)構(gòu)，高寬比為 4.0的結(jié)構(gòu)底層和1層的加速度響應分別增大了 30.7%和 48.7%，上部結(jié)構(gòu)的響應隨高寬比比值的變大有明顯的增大趨勢。

2.2地震波加速度峰值的影響

由圖 2和圖 3可以看出，在高寬比比值一定的情況下，隨地震波峰值加速度的增大，框架底層（滑塊），1層的加速度都有明顯的增大。相對于1層，底層加速度增大的幅度更大。

這主要是底層所受的地震荷載更為直接，破壞作用也越大。

另外，通過對不同工況下的結(jié)構(gòu)加速度響應進行統(tǒng)計分析，可反映出地震作用對于砂橡膠粒墊層耗能減震效果的影響規(guī)律。由于此時地震作用的大小不同，不能單純以上部結(jié)構(gòu)

的加速度響應來比較墊層耗能減震的效果。可引入系數(shù)η表征墊層的減震效果。η=a0-a1a0 ×100%，其中a0為振動臺臺面輸入加速度， a1

為結(jié)構(gòu)底層滑塊的加速度，為方便比較，在計算時均取加速度的最大值[2]，通過計算求得η值。在不同地震作用下的隔震效果如表 3所示。

3結(jié)論

1）以砂-橡膠粒作為隔震墊層時，上部結(jié)構(gòu)的高寬比比值會影響結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應。高寬比比值越大，結(jié)構(gòu)的加速度響應越大，且變化的幅度也有增大的趨勢，對于結(jié)構(gòu)是

不利的。因此在隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，需要盡可能降低結(jié)構(gòu)的高寬比，也為今后推導隔震結(jié)構(gòu)高寬比限值提供實驗依據(jù)。

2）在高寬比一定的情況下，結(jié)構(gòu)的加速度響應還與地震作用的大小有關(guān)。隨著地震作用的加強，結(jié)構(gòu)的加速度也會增大，相比框架 1層，底層加速度響應明顯更大。因此在隔震結(jié)

構(gòu)設(shè)計時，可以考慮加強框架底層的圍護，在高烈度地區(qū)尤應引起注意。

3）對于砂-橡膠粒隔震墊層，墊層的耗能減震效果與輸入地震作用的大小有關(guān)。在 45cm/s2小震作用下，墊層的減震效果不夠明顯；隨地震作用的增大，減震效果明顯改善。說明地震

作用越大，砂-橡膠粒墊層耗能減震的能力能夠得到更大的發(fā)揮。

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（責任編輯：何學華吳曉紅）