钢筋—沥青复合隔震层实际工程应用研究

尚守平 朱博闻 吴建任 鲁华伟

摘 要：农村地区的房屋多为“低矮宽胖”一至两层的砌体结构，且抗震能力普遍不足.基于对钢筋

沥青复合隔震层大量的理论与试验研究，特将该种隔震效果明显、造价低廉、施工方法简易的隔震层应用于一个实际的农村三层民居.结构完工后采用锤击法并配合941B型拾振器拾取该房屋一层楼面和地下室地面加速度波，通过分析计算得该隔震房屋的隔震系数.结果表明，该房屋的隔震层可以将地面水平运动加速度衰减40%左右，具有良好的隔震效果.同时经对比计算得知该隔震房屋的造价没有增加.因此可知，这种新型隔震层非常适用于广大农村地区.

关键词：钢筋

沥青复合隔震层；实际工程；农村民居；减震效果

中图分类号：TU352.12 文献标识码：AResearch on Steel Asphalt Isolation Layer in Practical Engineering

SHANG Shouping，ZHU Bowen，WU Jianren，LU Huawei

（College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082，China） Abstract：Most houses in rural areas are low and wide. And the houses often have one or two floors which lack seismic ability. Based on the sufficient research of the steel asphalt isolation layer， we used the special isolation layer for a practical engineering case with three floors， and the isolation layer proved cheap with simple construction and obvious isolation effect. After the structure of the house was finished， we used the hammering method to test the isolation coefficient of the house by putting the vibration pickup style 941B on the basement floor and the first floor. The results showed that the isolation layer could decay the acceleration by about 40%. At the same time， the construction cost of the house did not increase any more at the contrast calculation. Therefore， this new type isolation layer is very suitable to be widely used in rural areas.

Key words：steel asphalt isolation layer； practical engineering； rural buildings； damping effect

地震是危及国民经济建设和人民生命财产安全的一种突发、毁灭性的自然灾害，一次突发的大地震可令一座美丽繁华的城市在数秒内变成一片废墟，交通通信、供水供电等生命线中断，工厂生产、城市经济发展停滞瘫痪，并可能引发火灾、疾病等次生灾害，人员大量伤亡，社会长期动荡不安，并导致严重的经济损失，阻碍社会发展.全世界每年平均发生破坏性地震近千次，预防或减轻地震带来的伤害迫在眉睫.本文作者推出一种新型、高效、廉价的钢筋

沥青隔震层技术，并且将该种技术运用到了一栋实际的农村三层民房中.事实证明它确实是一种廉价高效的隔震技术，适合在村镇地区推广使用.

1 隔震层的构造和设计原理

1.1 隔震层的构造

隔震层位于房屋上部结构和基础之间，由钢筋混凝土上圈梁、钢筋

沥青隔震层和钢筋混凝土下圈梁组成，上圈梁和下圈梁分别与房屋上部结构和基础连接.隔震层中的竖向钢筋是整个隔震结构体系的重要受力部分，利用隔震层竖向钢筋水平方向的弹性刚度较竖向的弹性刚度小很多的特点，使隔震层具有较高的竖向承载力而水平刚度小的性能，从而能够增大结构的振动周期，达到较好的隔震效果.地震作用下，主要通过隔震层竖向钢筋承受地震作用，提供水平刚度和限制水平位移.在遭遇多遇地震作用时，隔震层内的竖向钢筋处于弹性状态，具有水平恢复力，因此上部结构在隔震层以上是做弹性的水平往复振动.这时由于隔震层消耗了大量的地震能量，上部结构受的地震作用很小，结构的破坏也很微小，甚至只有弹性变形没有破坏，达到小震不坏的目的.当遭遇罕遇地震时，隔震层内的竖向钢筋屈服.上部结构水平运动时，由于钢筋屈服，上部结构及钢筋混凝土上梁落在砖墩上继续滑动，达到大震不倒的目的.

沥青复合隔震层中沥青油膏起到防止隔震层中竖向钢筋生锈并提供隔震层阻尼的作用，作者在设计时未考虑沥青油膏的阻尼，只将其作为一种阻尼的富余.隔震层中的竖向砖墩可以起到减少沥青油膏用量的作用，并且在结构遭遇罕遇地震时，由于隔震层水平位移较大、竖向钢筋屈服，上部结构可落在砖墩上继续滑动.隔震层的构造见图1.

1.2 隔震层的设计原理＼[1＼]

1.2.1 运用振动微分方程来阐述隔震原理

地震作用下，結构体系的动力微分方程为：

ms+cs+Kxs=cg+Kxg

（1）

式中m为上部结构总质量；K为隔震层水平刚度；c为隔震装置阻尼值；s，s，xs分别为上部结构绝对水平加速度反应、速度反应和位移反应；g，xg分别为地面水平速度和位移.

公式两边均除以m，并定义隔震结构体系的固有频率为ωn=K/m，阻尼比为ζ=c2mωn， 代入式（1）得：

s+2ωnζs+ω2nxs=2ωnζg+ω2nxg

（2）

为求得结构体系的绝对水平加速度反应s，采用转变函数的方法.设结构体系的动力反应转换函数为H（ω），地基特征频率为ω，地面地震水平加速度g=eiωt，则隔震结构地震绝对水平加速度反应s=H（ω）eiωt.

（a） 横剖面图

（b）纵剖面图

图1 钢筋

沥青复合隔震层构造图

Fig.1 The structure of the isolation layer

把g及s代入式（2），经过整理得到隔震结构体系动力反应转换函数为：

H（ω）=sg=1+（2ζω/ωn）21-（ω/ωn）22+（2ζω/ωn）2

（3）

转换函数的物理意义是地震时隔震结构的地震加速度反应与地面加速度反应的比值.它表示隔震结构对地面地震加速度的衰减效果.现定义Ra为隔震结构的加速度反应衰减比，即地震时隔震结构绝对水平加速度反应与地面水平加速度反应之比：

Ra=sg=1+（2ζω/ωn）21-（ω/ωn）22+（2ζω/ωn）2

（4）

式（4）是设计计算和控制隔震效果的重要基本公式.若建筑结构物所在的场地特征频率为己知，则可合理选取隔震装置（固有频率ωn，阻尼比ζ），进而求得隔震结构加速度衰减率Ra，以确保地震中结构物或结构内部的装修、设备、仪器等的安全.图2给出了隔震结构加速度衰减率Ra与频率比ω/ωn的關系.

ω/ωn

图2 Ra与频率比（ω/ωn）的关系曲线

Fig.2 The relation curve of Ra and（ω/ωn）

从图中可以看出，当ω/ωn>1.414 2时，Ra<1，结构体系为隔震结构体系，结构的地震反应被衰减，此时，ω/ωn越大，Ra越小，结构减震效果越好.为了避开结构与场地的共振，可以增大ω/ωn，但对于未发生的地震频率ω是无法预知的，因而只能采取减小ωn来提高ω/ωn，从而减少建筑结构的震动反应.

因ωn=K/m，减小刚度K和增大质量m，可减小ωn而改变一般的结构质量又牵涉到造价的上升以及刚度的同时变化等方面问题，因此只能采取减小刚度K的方法来提高ω/ωn的值.为此，可以在建筑物的底层或中部加上一层刚度小、粘性大，竖向承载力高的隔震层，这就是隔震层减小建筑结构地震反应的原理.而钢筋

沥青隔震层中的竖向钢筋就具有竖向承载力大、刚度大而水平刚度小的特点，可以达到预期的隔震效果.

1.2.2 钢筋

沥青复合隔震层的计算[2]

隔震层的计算按照各墙片承受上部结构的荷载设计值确定，且分别按稳定控制和强度控制计算取大值.

1）隔震层竖向钢筋的稳定计算

将竖向钢筋看成下端固定、上端可水平移动的压弯杆件，根据压杆静力稳定性分析的欧拉公式，对于下端固定、上支座可水平移动的压弯等截面直杆，其临界荷载有如下表达式：

Pcr=π2EIl2

（5）

P<Ρcr

（6）

式中E 为单根竖向钢筋的抗弯弹性模量；I 为单根竖向钢筋的截面惯性矩；l 为竖向钢筋自由长度；P 为单根钢筋所承受的竖向荷载.

单根竖向钢筋承受的竖向荷载P可近似由下式计算：

P=Nn

（7）

式中N 为上部结构传至单个隔震墩上的荷载设计值；n 为该隔震墩竖向钢筋根数.

由式（5）～式（7）可确定该隔震墩所需竖向钢筋的最少数量：

nmin=64Nl2π3Ed4

（8）

式中d 为隔震墩竖向钢筋直径.

计算时可先根据房屋层数取相应的l，d进行试算，然后验算直至满足要求为止.

2）隔震层竖向钢筋的强度验算

地震作用下隔震层竖向钢筋截面承载力验算时将结构看成一个整体计算地震作用，计算隔震体系的基本周期时采用隔震墩所有钢筋的抗侧刚度之和作为隔震层水平刚度.竖向钢筋截面承载力验算方法如下：

①重力荷载代表值

对于农村民居上部结构重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值和各可变荷载组合值之和.

②隔震层水平刚度

可假设隔震层钢筋数量为n（n≥nmin），此处nmin为本层所有隔震墩最少钢筋根数之和，此时隔震层水平刚度为：

Kh=nk=12nEIl3

（9）

式中k为单根竖向钢筋的侧向刚度.当n取nmin时，有：

Kh=nmink=NPcrk=Nh2π2EI12EIl3=12Nπ2l

（10）

③隔震体系周期

对于砌体结构隔震后基本周期可根据《建筑抗震设计规范》采用下式计算：

T1=2πGGEkKhg

（11）

式中T1为隔震体系的基本周期；GGEk为隔震层上部结构的重力荷载代表值；Kh为隔震层水平侧向刚度；g 为重力加速度.

④水平地震作用

隔震层水平地震作用可参考《建筑抗震设计规范》按下式计算：

F′Ek=α1GGEk

（12）

式中F′Ek为隔震层水平地震作用；α1为隔震结构体系相应于基本自振周期的水平地震影响系数.

⑤截面承载力验算

结构在地震作用下的内力组合值SE可用下式计算：

SE=γGSGE+γEhSEhk

（13）

式中SE为内力组合的设计值；γG为重力荷载分项系数，一般取1.2；SGE为重力荷载代表值；γEh为水平地震作用分项系数，一般取1.3；SEHk为水平地震作用标准值的效应.

结构截面抗震承载力验算，可采用下式：

SE

（14）

式中R 为结构承载力设计值；γRE为承载力抗震调整系数，对隔震层竖向钢筋取0.75.

钢筋应力最大值在水平力和竖向力共同作用下出现在钢筋端部，钢筋应力最大值σmax为：

σmax=MW+GGEknA=16F′Eklnπd3+GGEknπd2

（15）

根据边缘纤维屈服准则，以杆件中应力最大的纖维处屈服时的荷载作为杆件在弹性工作阶段的最大荷载.根据式（13）和式（14），应满足：

γEh16F′Eklnπd3+γGGGEknπd2<σy/γRE

（16）

式中σy为隔震层竖向钢筋强度设计值.

若式（16）成立，说明隔震层钢筋根数满足强度要求.若式（16）不满足，则增加隔震层竖向钢筋根数n再进行试算，直至满足.

为了更好地推广该种新型隔震技术，作者采用Visual Basic语言编写了一套隔震层设计程序，该程序可以用于全国各个地区的钢筋

沥青隔震层设计.

2 房屋整体情况描述

该房屋位于湖南省长沙市先导区莲花镇五丰乡，为一农户自行建造的房屋，附带地下室一共四层，占地面积162 m2.房屋整体采用砖混结构，采用条形大放脚基础，基础墙体砌筑方式为眠墙，上部结构墙体砌筑方式为一眠一斗.隔震措施采用钢筋

________________________________________

沥青复合隔震层，隔震层位于条形基础上部，一层楼面以下的位置，同时位于室外地面以上，方便对隔震层钢筋的维护.考虑到是该种新型隔震层的第一个实际工程，对房屋抗震设防烈度取7度（多遇地震），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类＼[3＼].一层楼面除卫生间外全部采用中南标预制空心楼板，空心楼板表面采用高性能复合砂浆钢筋网整体化加固处理.上部结构三层墙体采用高性能复合砂浆钢筋网窄条带充当圈梁和构造柱.隔震房屋整体照片和基础照片分别见图3和图4.

3 隔震层的施工

隔震层的施工先后顺序为隔震层下圈梁施工、隔震层砖墩沥青层施工、隔震层上圈梁施工.详见参考文献＼[4＼].

图3 房屋整体图

Fig.3 The whole house

图4 房屋基础施工

Fig.4 The construction of the foundation

3.1 隔震层下圈梁施工

隔震层坐落于条形基础之上，首先绑扎隔震层下圈梁钢筋笼，箍筋间距与隔震层竖向钢筋间距相同，一般采取的竖向钢筋间距为200 mm，也就是说钢筋笼的箍筋间距为200 mm.绑扎完钢筋笼后，将隔震层竖向钢筋一排排与箍筋绑扎在一起，竖向隔震钢筋嵌入下圈梁长度要满足锚固长度要求，并且要尽量绑扎竖直，隔震层竖向钢筋绑扎的竖直情况直接影响到隔震层的隔震效果.下圈梁底部要注意留取保护层厚度.下圈梁钢筋绑扎图见图5.

图5 隔震层下圈梁钢筋绑扎

Fig.5 The steel binding of the under ring beam

其次是混凝土的浇筑，检查完毕钢筋绑扎以及竖向钢筋配置后，可以支模板，进行下圈梁混凝土的浇筑.浇筑混凝土时需用振动棒振捣均匀，浇筑的同时进行隔震层竖向钢筋的校正，保证其竖直.浇筑混凝土最关键的部分是要保证整片圈梁顶面在同一个水平面上，这样隔震层才能在同一水平面上，才能发挥其隔震效果.下圈梁混凝土浇筑见图6.

图6 下圈梁混凝土浇筑

Fig.6 The concrete pouring

3.2 隔震层砖墩沥青层施工

在隔震层下圈梁混凝土浇筑完成72 h之后，在底梁上进行砖墩和沥青层的施工.

1）砌筑砖墩

砖墩沥青层施工首先是要进行竖向受力钢筋沿条基长度方向间隔中的砖墩砌筑施工.该示范工程设计隔震层高度为250 mm，也就是隔震层中间的砖墩沥青层高度为250 mm，砖的厚度加上砂浆层可以算作60 mm一皮，所以这里砌筑了四皮砖墩，最上面预留了10 mm填充沥青或者铺设沥青油毡，作用是为了保证隔震层上圈梁和下圈梁之间可以发生错动.砖墩砌筑在两排钢筋的中间，红砖的宽度为115 mm，每排钢筋之间的间距为200 mm，所以每排钢筋位于一个宽度为85 mm的缝隙中，可以保证钢筋在地震作用下能够自由摆动，不受两边砖墩的约束.考虑到该房屋隔震层内部就是地下室，可以选取三排钢筋之间的空隙不砌筑砖墩，起到一个采光通风的作用.由于采光窗位置的钢筋暴露在空气中，需要对其进行防锈处理，在钢筋表面涂抹沥青油膏或者刷防锈漆.砖墩施工和隔震层采光窗分别见图7和图8.

图7 砖墩砌筑施工

Fig.7 The construction of the brick pier

2）铺浇沥青油膏

其次是对砖墩之间的缝隙，也就是竖向钢筋四周进行沥青的填充施工，在施工之前需要对砖墩层两边支模板，并且保证模板与下圈梁接触的地方不能有缝隙，防止流动的沥青从缝隙中流出，引起材料的浪费.将沥青油膏浇倒入砖墩之间空隙时，应振捣使其密实.该工程使用的填充沥青油膏为普通的PVC沥青防水油膏，并在其中掺入了无机粉料.无机粉料的掺量会影响到沥青油膏的流动性，掺入的多，流动性会变差.我们要求隔震层沥青能够夏天不流淌，冬天不结硬.填充沥青油膏到砖墩表面上面1 cm后抹平.

图8 隔震层兼地下室采光窗

Fig.8 The lighting window

3）铺设垫层

在浇铺好的沥青油膏凝固（图9）后，可以拆除模板，在沥青砖墩层上进行垫层的铺设施工.该垫层起到浇筑隔震层上圈梁混凝土时作为其底部模板的作用.考虑到模板拆卸不便的问题，该垫层采用了隔震层上圈梁浇筑好之后无需拆卸的防水油毡，铺设好油毡的隔震层见图10.沥青和添加剂的配合比选取详见参考文献＼[5＼].

图9 浇灌隔震层中的沥青

Fig.9 The asphalt pouring

图10 隔震层中的砖墩沥青层

Fig.10 The asphalt and brick pier in isolation layer

3.3 隔震层上圈梁施工

隔震层上圈梁施工是隔震层施工的最后一步，按照设计和构造要求绑扎好隔震层上圈梁的钢筋笼，隔震层纵向受力钢筋上端伸入隔震层上圈梁钢筋笼内，然后在砖墩顶部钢筋笼两侧支边模板，以砖墩上面的沥青油毡为底模板，进行混凝土的浇筑即可.

3.4 隔震层的后期维护

考虑到隔震层沥青会老化的事实，特意将隔震层的沥青层设置在室外地面以上.这样可以方便后期更换隔震层沥青，保护钢筋不被锈蚀，从而保证隔震层的隔震效果.

3.5 设置了钢筋

沥青隔震层房屋的特别设计

为了保证该隔震房屋在地震作用下能够自由摆动不受约束，并且不造成结构和构件的损坏，特意对隔震层所在平面上的所有功能性的构件进行了特别的设计.

1）隔震层软隔断楼梯

该隔震房屋通往地下室的楼梯是通过隔震层的.为了保证隔震层上部结构能够自由运动，并且不破坏该楼梯的结构，特地将该楼梯隔断为两个部分，下部与地下室为一个整体，上部从梯口梁挑出一阶，刚好在隔震层处形成一个5 cm的隔断，最后在该隔断处填充沥青油膏，外表面粉刷上即可.软隔断楼梯见图11.

图11 隔震层隔断楼梯

Fig.11 The separated stair by the isolation layer

2）门口台阶与主体预留缝

同样为保证上部主体结构在地震发生的时候能够自由运动，将大门的台阶与主体之间预留了10 cm，只在台阶的最上层用简支板将预留缝盖住即可，这样房屋在移动时就不会破坏门口的台阶，同时也不会影响隔震层的隔震效果.台阶与主体预留缝见图12.

3）楼面板的高性能复合砂浆钢筋网（以下简称HPFL）整体化处理

为了保证隔震层的隔震效果，我们在一层楼面的所有预制板上做了一层HPFL薄层来加强楼面板的整体性，提高楼面的承载力和变形能力.同时也起到了防止楼面板坍塌，保护人身财产安全的作用.

图12 台阶与主体预留缝

Fig.12 The obligate seam of the steps

4）隔震层上下水软管

为防止房屋上部结构在运动时对水管造成破坏，特意在隔震层位置的水管采用软管连接.上水選用有压力软管，下水采用普通软管连接.软管接头图见图13.

图13 通过隔震层的软管

Fig.13 The soft pipe though the isolation layer

4 隔震房屋的隔震效果检测

4.1 检测方法和原理

待房屋主体结构施工完毕之后，便可以对该房屋的隔震效果进行检测.由于该房屋为一实际的民房，不能像在实验室里面一样采用振动台或作动器进行激振，于是我们采用了锤击法激振，首先在远处土地上固定一块木板，然后用大锤锤击木板产生加速度.因房屋的上部结构与基础之间仅仅通过隔震层相连，房屋上下水在隔震层位置皆采用软管连接，前后门台阶均与房屋主体隔开，所以锤击加速度是经过地下室传递到一层楼面的.

锤击加速度信号采集采用941B型拾振器，其具有良好的低频特性，同时配合使用891型电荷放大器（16通道）.数据采集仪采用东方振动与噪音技术研究所研制的INV306智能数据采集和信号分析系统.试验采样频率为2 000 Hz.用以上装置分别采集隔震房地下室地面和一层楼面上的横向（X方向）和纵向（Y方向）的振动加速度，也就是隔震层上下部分的加速度时程曲线，然后分析波形经过计算可以得到房屋两个方向的隔震系数.

4.2 检测结果

定义隔震系数＼[6＼]（即加速度折减系数）βa为：

βa=一层楼面加速度最大值地下室底面加速度最大值

定义X方向为平行于房屋短边的方向，Y方向为平行于房屋长边的方向.

检测结果表明，设置了隔震层之后该房屋在X向和Y向的隔震效果都比较明显.图14为经过多次试验所测得的房屋加速度时程曲线对比图，坐标轴中横坐标为时间（单位：ms），纵坐标为加速度（单位：m/s2），综合数据分析结果见表1和表2.

t/ms

（a） X方向 试验号1

t/ms

（b） X方向 试验号2

t/ms

（c） X方向 试验号3

t/ms

（d） X方向 试验号4

t/ms

（e） X方向 试验号5

t/ms

（f） Y方向 试验号1

t/ms

（g） Y方向 试验号2

t/ms

（h） Y方向 试验号3

图14 测试试验加速度时程曲线对比图

Fig.14 The timehistory curves of the acceleration

5 结 论

1）钢筋

沥青复合隔震层被成功应用于一幢农村民居中[7-9]，事实证明这种隔震层施工简单，取材方便，没有出现隔震层失稳破坏或强度破坏现象（图15）.

图15 结构完工后的隔震房屋

Fig.15 Building with isolation layer after construction

2）结构完工后检测结果表明，该隔震房屋在X方向的隔震系数为0.576（可以将地震作用加速度衰减为原来的57.6%），在Y方向的隔震系数为0.666（可以将地震作用加速度衰减为原来的66.6%），减震效果非常明显.

3）该隔震房屋的结构总体造价为38万元，与未设置隔震层的房屋相比并没有增加造价，适合在全国乃至全世界的村镇地区推广使用.

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