SBS改性沥青隔震支座性能及其应用研究

付 杰， 熊世树， 杨华荣

(1.华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；2. 中信建筑设计研究总院， 湖北 武汉 430014)

隔震技术是一种经济有效的结构抗震措施[1]，其概念最早由日本学者河合浩藏于1881年提出。20世纪60年代以后隔震技术在日本、美国和新西兰等多个国家被广泛应用，国内也取得了丰硕的成果[2]。实践表明，基础隔震具备几个方面的优势：效果明显、上部结构设计灵活、可降低建筑成本、修复方便。然而，以橡胶隔震支座为代表的隔震装置由于价格等因素制约，较难在普通村镇民居建筑中推广使用。基于这一考虑，本文提出在村镇民居建筑底层设置SBS改性沥青隔震支座(层)，以期能成为一种价格低廉、施工方便，有一定应用价值的新型隔震装置。

曹万林[3]等学者已经进行过村镇民宅的隔震研究，其隔震层由“石墨-玻璃丝布板-石墨”复合而成；尚守平[4]等针对村镇民宅也提出了“钢筋-沥青”复合隔震层的思路，其竖向力主要由钢筋承担。而SBS改性沥青现在主要被应用于防水和路面材料中[5，6]，尚未出现系统的结构隔震方面的研究，其本身具有一定的竖向承载能力，不需要另外设置钢筋。本文通过实验测定了SBS改性沥青隔震支座的相关力学性能，并利用实验结果对一栋实际村镇民居建筑进行隔震设计和隔震效果分析，研究SBS改性沥青隔震支座的隔震效果。

1 试验研究对象

SBS改性沥青是在沥青中加入一定比例的SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性剂，利用其良好的物理性能对沥青做改性处理。本文采用某SBS改性沥青防水卷材，其胎基为聚酯毡，表面为聚乙烯膜。用SBS改性沥青防水卷材制作成五种规格的隔震支座，隔震支座的具体规格如表1。

表1 隔震支座尺寸

2 隔震支座的性能试验

2.1 竖向性能

选用编号为S240-5的隔震支座进行竖向加载，其力-位移曲线如图1所示。

当荷载达到172.8 kN(3 MPa)时隔震支座无异常变化，并且当竖向荷载小于460.8 kN(8 MPa)时隔震支座依然处于弹性变化阶段，大于该荷载时力-位移曲线出现转折点。因此，可以认为8 MPa为该支座的极限压应力。考虑到隔震支座在地震作用下发生的变形将使其有效承压面积减小20%(若隔震支座厚度为20 mm，极限剪切变形为50 mm)，同时按桩基保留一倍的安全储备考虑，本文认为SBS隔震支座的竖向设计压应力为2 MPa。

参照橡胶支座的竖向刚度测试方法[7]，以设计压应力(σ0=2 MPa)为中心在±30%之间循环加载5次，取第三次循环的读数按公式(1)计算竖向刚度。

(1)

式中，KV为支座的竖向刚度；P1为1.3倍设计压应力对应的竖向荷载；P2为0.7倍设计压应力对应的竖向荷载；Δ1为竖向荷载等于P1时的竖向位移；Δ2为竖向荷载等于P2时的竖向位移。

每种型号的隔震支座各取三个样本，分别编号1#～3#，竖向刚度的测试结果见表2。普通民宅高宽比较小，隔震支座不会出现受拉情况，故不考虑SBS隔震支座的竖向受拉性能。

表2 隔震支座竖向刚度和100%水平剪切性能

2.2 水平性能

在压剪试验机上测试隔震支座100%水平剪切性能，滞回曲线如图2。

图2 S240-5-1#隔震支座100%水平剪切滞回曲线

考虑到实际应用中，隔震支座的最大水平滑移量为50 mm，因此进一步测试其250%的水平剪切性能，滞回曲线如图3。从图可见，SBS改性沥青隔震支座的滞回曲线与铅芯橡胶隔震支座的类似，水平性能参数见表2、表3。

图3 S240-7-2#隔震支座250%水平剪切滞回曲线

样本编号等效刚度(kN/mm)等效阻尼比屈服后刚度(kN/mm)屈服力(kN)240-3-1#1.1030.3280.7865.627240-3-2#0.8920.3820.55110.925240-3-3#0.8560.3610.4999.875240-5-1#0.3600.3930.18211.334240-5-2#0.4550.3850.22613.776240-5-3#0.3390.3800.17013.252240-7-1#0.3060.4280.12913.631240-7-2#0.2930.3990.13711.894240-7-3#0.2940.3970.13611.804300-5-1#0.5840.3870.29418.122300-5-2#0.5980.3800.29918.143300-5-3#0.5860.3870.29718.076370-5-1#0.8880.3650.44825.963370-5-2#0.8610.3730.44325.626370-5-3#0.8340.3750.43325.130

对比橡胶隔震支座，SBS改性沥青隔震支座层间约束更小，水平性能试验过程中试件发生履带式的整体滚动，这种变形形式使支座有效承压面积减小得不多，比纯剪切变形更利于支座的承载力和稳定性。另外，多次循环加载结束后，由于隔震支座温度升高，支座出现部分软化，SBS卷材中间的沥青有部分被挤出现象，卷材配方和结构形式需要进行一定的改进。

图4为50次循环加载试验的滞回曲线，其形状稳定，说明支座在加载过程中发生的上述变化对其耗能性能基本无影响。

图4 S240-3-1#隔震支座疲劳试验滞回曲线

综上所述，SBS改性沥青隔震支座竖向极限承载力为2 MPa，水平滞回曲线饱满，耗能能力强，其性能与铅芯橡胶隔震支座类似，在进行数值分析时可以选取橡胶隔震支座对应的单元模型。

3 隔震效果的数值分析

隔震分析对象为某三层村镇住宅，抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地；该建筑为砌体结构，采用MU10砖和M7.5砂浆砌筑，构造柱及圈梁采用C20混凝土。隔震分析采用ETABS软件，住宅的结构模型如图5。隔震支座布置方式如图6。隔震支座选用Link1单元中的isolator1进行模拟，参数取上文试验结果的平均值。按GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》要求选取三条地震波(El-Centro波、TAR-TARZANA-00-w波和人工波)进行验算。

图5 结构模型

图6 隔震支座布置

首先，对比隔震前后的结构自振周期，见表4。结构的前三阶自振周期都有显著延长，这初步表明了该隔震支座的效果。

表4 隔震前后结构的自振周期 s

然后，在设防地震(峰值加速度1.0 m/s2)作用下对结构进行时程分析验算，横向和纵向的层间剪力值见表5。减震系数最小值为0.35，最大值为0.98，说明该隔震支座在设防烈度地震作用下效果并不明显,上部结构仍然需要按当地的设防烈度进行设计。

最后，进行罕遇地震(峰值加速度2.2 m/s2)作用下的反应分析。层间剪力见表6，剪力比最大值为0.84，最小值为0.38。相对多遇地震而言，罕遇地震作用下的减震效果有明显提高。

另外，罕遇地震作用下位移响应见表7，层间位移角最大值为0.26‰，小于使用阶段层间位移角的极限值1‰，说明罕遇地震作用下结构依然处于弹性变形阶段。同时，隔震支座的最大变形值为33 mm，考虑偶然偏心扭转效应影响，边支座位移增大15%后为38 mm，小于隔震支座的允许位移50 mm。

表5 多遇地震作用下隔震与非隔震结构层间剪力

表6 罕遇地震作用下隔震与非隔震结构横向层间剪力

在竖向承载力方面，分析结果显示隔震支座竖向压应力最大、最小值分别为1.97 MPa和0.69 MPa，平均值为1.33 MPa，满足隔震支座设计承载力(2 MPa)。同时，结构水平方向风荷载的标准值为112 kN，小于隔震层屈服力431 kN；弹性恢复力为684 kN，大于1.4倍的风荷载标准值157 kN，说明隔震层的抗风性能以及弹性恢复力均满足要求。

表7 罕遇地震作用下结构的位移 mm

4 结 语

本文提出的SBS改性沥青隔震支座具备一定的竖向承载能力，且水平滞回曲线饱满。通过数值分析得知虽然在多遇地震作用下其隔震效果并不十分理想，但能显著提高结构在罕遇地震作用下的抗震性能，结合其低廉的造价与方便的施工，该技术值得推广应用。

当然，SBS改性沥青隔震支座在长期受压情况下的耐久性还需要得到进一步的研究，隔震支座的实际效果也要通过振动台实验给予充分的说明，针对隔震的特殊需求优化SBS改性沥青的性能(如提高竖向极限承载力)也值得深入探讨。本课题组正在进行相关的研究，将另行撰文说明情况。

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