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 尚守平，  易春榮

 （湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）

[摘要]  介紹了鋼筋瀝青隔震層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的條件，并利用時(shí)程分析法中的Newmark-p法分析了地震動(dòng)峰值、隔震層阻尼以及隔震層剛度等因素對(duì)鋼筋瀝青隔震結(jié)構(gòu)隔震效果的影響。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鋼框架模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究上部鋼框架等效抗側(cè)剛度與隔震層抗側(cè)剛度之比對(duì)隔震效果的影響。結(jié)果表明，各種工況下的鋼框架等效抗側(cè)剛度與隔震層抗側(cè)剛度之比對(duì)隔震效果影響顯著；當(dāng)抗側(cè)剛度比達(dá)到一定值時(shí)鋼筋瀝青隔震結(jié)構(gòu)可以達(dá)到較好的隔震效果。這也證明鋼筋瀝青隔震技術(shù)是非常實(shí)用的隔震技術(shù)，所研究的結(jié)果可為編制有關(guān)規(guī)程提供參考。

[關(guān)鍵詞]  鋼筋瀝青隔震技術(shù)；Newmark-p法；剛度比；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；隔震效果

中圖分類號(hào)：TU352. 12 文章編號(hào)：1002-848X( 2016) 11-0091-05

0  前言

 基礎(chǔ)隔震利用隔震層較小的水平剛度，使得隔震結(jié)構(gòu)的基本自振周期延長(zhǎng)而遠(yuǎn)離地震動(dòng)的卓越周期，從而限制地震能量進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)，達(dá)到隔震的效果。對(duì)于一般位于較硬場(chǎng)地上的中低層建筑，采用基礎(chǔ)隔震的隔震效果明顯；而對(duì)于高柔建筑或位于軟弱場(chǎng)地上的建筑，因高柔建筑的自振周期較大、軟弱場(chǎng)地卓越周期較長(zhǎng)，此兩類建筑采用基礎(chǔ)隔震的隔震效果則不如位于較硬場(chǎng)地上的中低層建筑明顯。

 常見(jiàn)的基礎(chǔ)隔震方法主要有橡膠支座隔震、滾動(dòng)隔震、搖擺支座隔震、摩擦滑移隔震等。本課題組致力于研究一種造價(jià)低廉并且施工簡(jiǎn)便的基礎(chǔ)隔震技術(shù)，提出了鋼筋瀝青隔震技術(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)證明此技術(shù)具有良好的隔震效果；本文在已有的科研基礎(chǔ)上，對(duì)影響此技術(shù)隔震效果的主要因素進(jìn)行研究，為該隔震技術(shù)的進(jìn)一步推廣提供參考依據(jù)。

1  隔震層設(shè)計(jì)

1.1鋼筋瀝青隔震技術(shù)的隔震原理

 鋼筋瀝青隔震技術(shù)利用隔震豎向鋼筋水平剛度小而豎向剛度較大的特點(diǎn)，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，達(dá)到使上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯減弱的目的。在正常使用狀態(tài)或小震作用下，隔震豎向鋼筋承受上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載以及風(fēng)荷載、地震作用產(chǎn)生的水平力；在大震作用下，隔震豎向鋼筋可能產(chǎn)生彎曲和較大傾斜，使上部結(jié)構(gòu)坐落在混凝土下墩或者填充在豎向鋼筋之間的磚墩上，接觸面之間產(chǎn)生較大摩擦以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不倒塌。鋼筋之間填充的瀝青油膏主要是為了防止鋼筋銹蝕，提高其耐久性，也可以直接在鋼筋表面涂刷防火防銹漆來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。

 鋼筋瀝青隔震技術(shù)根據(jù)隔震層的做法不同分為鋼筋瀝青隔震墩（圖1）和鋼筋瀝青隔震層（圖2）兩種，兩者的構(gòu)造分別見(jiàn)圖3和圖4，其工作原理。

 將隔震體系看作上部結(jié)構(gòu)和隔震層兩部分，上部結(jié)構(gòu)處于彈性階段，呈整體平動(dòng)狀態(tài)，隔震層在地震作用下產(chǎn)生較大變形。根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，在水平地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

1.2計(jì)算假定

 作如下計(jì)算假定：1）假定隔震豎向鋼筋布置對(duì)稱，豎向荷載沿隔震層形心軸作用；2）假定隔震鋼筋處于線彈性范圍內(nèi)，滿足胡克定律；3）隔震鋼筋無(wú)初始彎矩，上下兩端嵌固在混凝土中，牢固可靠。

1.3隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性條件

 (1)隔震層一側(cè)邊緣的隔震豎向鋼筋不應(yīng)產(chǎn)生軸向拉力。隔震豎向鋼筋受拉對(duì)其下端的錨固會(huì)產(chǎn)生影響，因此，要求上部結(jié)構(gòu)高寬比宜小于4，且平面布置宜規(guī)則、簡(jiǎn)單、對(duì)稱，并符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)的相關(guān)規(guī)定。

 (2)隔震層另一側(cè)邊緣的隔震豎向鋼筋最大壓應(yīng)力不超過(guò)其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.4隔震層鋼筋的計(jì)算

 在鋼筋瀝青隔震技術(shù)中隔震豎向鋼筋是主要受力構(gòu)件，提供豎向承載力和水平剛度。地震作用時(shí)，水平地震作用主要由隔震豎向鋼筋承受，由于上部結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)隔震層剛度來(lái)說(shuō)較大，因此結(jié)構(gòu)主要變形集中發(fā)生在隔震豎向鋼筋上。根據(jù)計(jì)算假定3)，隔震豎向鋼筋可簡(jiǎn)化為兩端固接，受到豎向荷載和水平力共同作用。鋼筋瀝青隔震結(jié)構(gòu)中隔震豎向鋼筋根數(shù)的確定應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果的最不利情況判定。

 (1)按強(qiáng)度計(jì)算結(jié)構(gòu)的隔震豎向鋼筋

隔震豎向鋼筋的強(qiáng)度應(yīng)滿足下式要求：

式中：N為由上部結(jié)構(gòu)傳至隔震豎向鋼筋的豎向荷載設(shè)計(jì)值；n為隔震豎向鋼筋總根數(shù)；d為隔震豎向鋼筋直徑；f y為隔震豎向鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，當(dāng)鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不小于500MPa時(shí)，取500MPa。

 考慮水平地震作用組合時(shí)隔震豎向鋼筋強(qiáng)度應(yīng)滿足下式要求：

 (2)按穩(wěn)定計(jì)算結(jié)構(gòu)的隔震豎向鋼筋

 隔震豎向鋼筋為壓彎受力構(gòu)件，考慮隔震豎向鋼筋在水平地震作用和豎向荷載作用下的重力二階效應(yīng)，隔震豎向鋼筋最終變形可以看作初始變形和一系列附加變形相疊加的結(jié)果，經(jīng)過(guò)一系列的理論和計(jì)算分析并總結(jié)得到，隔震豎向鋼筋穩(wěn)定應(yīng)滿足下式要求：

2  影響隔震效果的因素

 本節(jié)利用MATLAB編制時(shí)程分析程序，應(yīng)用時(shí)程分析法中的Newmark-β法分析影響隔震效果的主要因素，考慮三類不同地基土場(chǎng)地，三類場(chǎng)地土分別為：硬土（對(duì)應(yīng)I0，I1類場(chǎng)地）、中硬土（對(duì)應(yīng)Ⅱ，Ⅲ類場(chǎng)地）和軟土（對(duì)應(yīng)Ⅳ類場(chǎng)地），為尋求一般規(guī)律，每一類場(chǎng)地土采用三條不同的地震波記錄，將三條地震波下的加速度幅值比求平均值得到代表這一類場(chǎng)地土的加速度幅值比。

2.1地震動(dòng)強(qiáng)度的影響

 該隔震結(jié)構(gòu)在不同地基土上，β隨水平地震動(dòng)加速度峰值的變化如圖5所示。

2.2隔震層阻尼比的影響

 基于2.1節(jié)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)僅改變隔震層阻尼比（阻尼比從0. 01~0.1逐漸變化）來(lái)研究隔震層阻尼比對(duì)隔震效果的影響，將三類不同場(chǎng)地土的地震波的加速度幅值均調(diào)整為3 m/s2作為隔震結(jié)構(gòu)的地震激勵(lì)輸入，得到β隨阻尼比的變化如圖6所示。

2.3隔震層剛度的影響

 從圖5～7中可以看出，硬土地基上的結(jié)構(gòu)的隔震效果明顯比其他類型場(chǎng)地土的結(jié)構(gòu)的隔震效果好，軟土地基上的隔震結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)的基頻與相應(yīng)輸入的地震激勵(lì)的主頻非常接近，因而隔震效果表現(xiàn)得很差；當(dāng)隔震層剛度逐漸減小，軟土地基上的隔震結(jié)構(gòu)只有當(dāng)其自振周期避開(kāi)場(chǎng)地特征周期時(shí)才表現(xiàn)出一定的隔震效果；總之鋼筋瀝青隔震技術(shù)對(duì)于軟土地基上的建筑物的適用性比其他類型的場(chǎng)地土上的建筑物的差一些。

3  試驗(yàn)研究與分析

 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB  50011-2010)規(guī)定隔震結(jié)構(gòu)宜選擇穩(wěn)定性較好的場(chǎng)地，由2.1節(jié)可知，鋼筋瀝青隔震技術(shù)適用于中硬土場(chǎng)地（Ⅱ，Ⅲ類場(chǎng)地）與硬土場(chǎng)地（I類場(chǎng)地），本試驗(yàn)針對(duì)建筑在較常見(jiàn)的中硬土場(chǎng)地上（Ⅱ，Ⅲ類場(chǎng)地）的鋼筋瀝青隔震結(jié)構(gòu)，分析其隔震效果與剛度比的關(guān)系。

3.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

 試驗(yàn)主要設(shè)備有振動(dòng)臺(tái)和941B拾振器，分別如圖8、圖9所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用941B型放大器、采集儀和DASP信號(hào)分析系統(tǒng)。

 本試驗(yàn)主要針對(duì)中硬場(chǎng)地土，選擇相應(yīng)的E1Centro和Taft地震波記錄，對(duì)鋼筋瀝青隔震層的隔震效果進(jìn)行研究。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為1m×1m，難以在其上面做較大比例的模型試驗(yàn)，利用現(xiàn)有的尺寸為1.5m×1.5m鋼框架，通過(guò)增減斜撐來(lái)模擬上部結(jié)構(gòu)與鋼筋瀝青隔震層相對(duì)剛度的變化進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取反映結(jié)構(gòu)隔震效果的對(duì)比數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)所用的鋼筋瀝青隔震墩尺寸為200mm×240mm×500mm，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得單個(gè)鋼筋瀝青隔震墩的抗側(cè)剛度為46. 8kN/m，本試驗(yàn)采用了8個(gè)鋼筋瀝青隔震墩，則隔震層總剛度為374. 4kN/m。試驗(yàn)中，調(diào)整El Centro波和Taft波加速度峰值均分別為70，125，220 cm／s2來(lái)模擬不同烈度下的地震作用。El Centro波和Taft波原始加速度時(shí)程曲線分別見(jiàn)圖10和圖11。試驗(yàn)工況如表2所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D12所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

定義剛度比μ為：

式中：K*為隔震層上部結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)剛度；Kb為隔震層抗側(cè)剛度。

 本試驗(yàn)是通過(guò)在頂點(diǎn)施加集中荷載F，測(cè)量頂點(diǎn)位移△，從而得到各工況下鋼框架模型的抗側(cè)剛度K= F/△，試驗(yàn)如圖13所示。對(duì)于實(shí)際隔震層上部結(jié)構(gòu)，用等效抗側(cè)剛度K*作為隔震層上部整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度的代表值。

 對(duì)于一個(gè)m層n跨的建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)頂層受到大小為F的水平力作用，其等效抗側(cè)剛度K*的計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程如下：

 采集不同工況下El Centro波、Taft波加速度幅值均為70，125，220 cm／s2時(shí)的隔震層底部和隔震層上部的加速度幅值。以輸入El Centro波、Taft波加速度幅值均為220 cm／s2的情況為例進(jìn)行分析，結(jié)果匯總于表3。

由表3可以看出，隨著支撐的改變，上部結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)剛度逐漸增大，而隔震層抗側(cè)剛度不變，即從工況1至工況6，剛度比隨著上部結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)剛度增大而增大，同時(shí)隨著剛度比的增大，隔震效果更明顯，當(dāng)剛度比大于2.5時(shí)，加速度幅值比小于0.5。

 對(duì)加速度幅值比β取常用對(duì)數(shù)，其隨剛度比μ的變化規(guī)律見(jiàn)圖14。

 從表3及圖14可知，隨著剛度比的增加，加速度幅值比呈遞減規(guī)律；擬合得到的加速度幅值比β

關(guān)系。該直線近似通過(guò)點(diǎn)(1，0)，即當(dāng)隔震層上部結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)剛度與隔震層抗側(cè)剛度相等時(shí)，加速度幅值比β=1，進(jìn)一步說(shuō)明剛度比要足夠大，鋼筋瀝青隔震結(jié)構(gòu)才有隔震效果；同樣可以得到，當(dāng)剛度比μ≥2.5時(shí)，加速度幅值比小于0.5。

4  結(jié)論

 (1)利用MATLAB編制時(shí)程分析程序，分析了地震動(dòng)強(qiáng)度、隔震層阻尼比以及隔震層剛度對(duì)隔震效果的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋼筋瀝青隔震技術(shù)應(yīng)用于中硬土以及硬土場(chǎng)地上的建筑物時(shí)隔震效果較好，其中隔震層剛度對(duì)隔震效果的影響相對(duì)較大。

 (2)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隔震層上部結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)剛度與隔震層抗側(cè)剛度的比值越大，隔震效果越明顯。

 (3)為保證鋼筋瀝青隔震結(jié)構(gòu)取得理想的隔震效果，宜選擇中硬土場(chǎng)地（Ⅱ，Ⅲ類場(chǎng)地），甚至硬土場(chǎng)地（I類場(chǎng)地）；另外，剛度比盡可能大于2.5，從而使加速度幅值比小于0.5。