废旧轮胎隔震砌体结构仿真分析

陈 文，熊 峰

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳621000；2.四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)

2008年的汶川大地震给人民生命财产带来了惨重的损失，特别是抗震设防工作比较薄弱的农村地区，农村砌体房屋造价较低，基本上没有抗震设防措施，一旦发生地震，农村砌体房屋倒塌最多，人员伤亡最重。提高农村砌体结构房屋的抗震性能迫在眉睫，基础隔震技术是一种提高房屋抗震性能的有效方法。其中基于叠层橡胶支座隔震技术应用最为广泛[1]。但叠层橡胶隔震支座自重大，制作工艺复杂，造价高，很难在我国农村房屋中推广使用。

作者研究开发的低造价新型基础隔震装置——废旧轮胎隔震垫(STP)由切割成块的废旧汽车轮胎胎冠相互叠合构成，具有造价低廉、制作简单、自重轻、利于环保等优点[2]。作者对STP隔震支座的力学性能进行了试验研究，得到了竖向极限承载力、竖向刚度、水平刚度和等效阻尼比等参数，验证了STP隔震支座是一种有效的基础隔震装置[3]。在此基础上，本文运用有限元软件ANSYS建立采用STP隔震支座的农村砌体房屋模型与同比例的非隔震砌体房屋模型，并对两种模型进行了模态分析和非线性时程分析，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块的废旧汽车轮胎胎冠相互叠合而成并设置在上部结构与基础之间的隔震装置，其结构和布置如图1和图2所示。轮胎胎冠是由薄橡胶层和高强度钢丝网经高温，加压并硫化制作而成。因为橡胶的弹性模量很小，受压时薄橡胶层会向侧向变形，但由于受到内部钢丝网的约束，以及橡胶材料的近似非压缩特性，在橡胶层中心形成三向受压状态，受压时竖向变形非常小，具有足够的竖向刚度和竖向承载能力[4]。STP隔震支座竖向极限承载能力取决于内部钢丝网的极限抗拉强度以及橡胶层和钢丝网之间的粘结强度的较小值。力学试验结果表明，STP隔震支座竖向承载力达到11.42MPa，能够承担2～3层农村砌体结构房屋的重量且具有足够的竖向刚度[3]。STP隔震支座水平刚度小(为竖向刚度的1/65～1/95)，且STP隔震支座水平刚度随着剪切应变的增大而降低[3]。

图1 STP隔震支座结构

图2 STP隔震支座布置

2 有限元分析模型

以四川省阿坝州茂县渭门乡椒元村窄溪组某2层砌体房屋为例，运用有限元软件ANSYS建立分析模型，对非隔震砌体房屋模型和采用STP隔震支座的砌体房屋模型进行模态分析和非线性时程分析，对比研究STP隔震支座的隔震效果。

该2层砌体房屋开间分别为3.6m，3.9m，3.6m，进深为6.0m，层高为3.0m，墙厚为0.24m，楼板厚为0.10m。混凝土强度等级为C30，砖强度等级为MU15，砂浆强度等级为M7.5，Ⅱ类场地土，特征周期0.35s。

2.1 非隔震砌体房屋模型

砖墙和混凝土楼板采用Shell181单元，地圈梁采用Beam4。上部结构总质量为2.2×105kg。非隔震砌体房屋模型如图3所示。

图3 非隔震砌体房屋模型

2.2 采用STP隔震支座的砌体房屋模型

上部结构模型与非隔震砌体房屋模型相同，隔震层由12个STP支座组成，STP支座平面布置如图4所示。STP隔震支座采用两个水平向非线性弹簧单元Combin40和一个竖向线性弹簧单元Combin14模拟。上部结构恢复力模型采用弹性模型，隔震层采用由STP隔震支座水平力学性能试验得到的修正双线性恢复力模型如图5所示。

3 数值计算结果分析

本文数值计算中沿X向与Y向分别输入代表Ⅱ类场地特点的ElCentro波、Taft波和Lanzhou波三条地震波。地震波加速度峰值(PGA)取70gal和400gal(分别对应于茂县地区8度多遇烈度和罕遇烈度时地面运动加速度峰值)。

图4 STP隔震支座平面布置

图5 STP隔震支座恢复力模型

3.1 模态分析

非隔震和隔震结构前5阶自振周期见表1，从表1可以看出：采用废旧轮胎隔震垫隔震技术后，隔震结构的周期延长了7倍左右，避开了场地的卓越周期，降低了水平地震作用。

表1 隔震和非隔震结构自振周期

3.2 基底总剪力分析

用APDL语言编制后处理程序对计算结果进行处理，得到隔震和非隔震结构在多遇地震作用下沿X向与沿Y向的基底总剪力。表2为隔震和非隔震结构在3种地震波作用下基底总剪力对比。隔震结构在3种地震波作用下的基底总剪力均小于非隔震结构，隔震结构是非隔震结构的0.381～0.689，表明STP隔震支座能够降低水平地震作用，体现了良好的隔震效果。

表2 地震作用下结构基底总剪力(PGA=70 gal)

3.3 位移反应分析

图6为Lanzhou地震波(PGA=400gal)分别沿X向和Y向输入时隔震和非隔震结构各位移参数曲线图，图7为不同加速度峰值、不同地震波作用下隔震结构层间位移折线图。从图中可以看出：相对于非隔震结构，由于隔震层发生较大的水平位移(图6(a))，隔震结构相对于地面位移较大(图6(c))，但上部楼层层间位移显著减小(图6(b))，其最大值为0.76mm(图7)，楼层位移和结构变形主要集中在隔震层，上部结构几乎“整体平动”且变形很小(图6(d))。表明地震能量主要由隔震层吸收，有效地隔离地震运动向上部结构的传递，隔震效果显著，保障了上部结构在地震下的安全。

(a)隔震层绝对位移时程曲线

(b)顶层层间位移时程曲线

(c)楼层绝对位移包络图

(d)楼层层间位移包络图图6 Lanzhou地震波分别沿X向和Y向输入时各位移参数曲线图(PGA=400 gal)

图7 隔震结构上部楼层层间位移折线

4 结论

通过对采用废旧轮胎隔震垫的农村砌体房屋模型和非隔震砌体房屋模型的ANSYS有限元非线性分析，得出结论如下：

(1)采用废旧轮胎隔震垫隔震技术后，隔震结构的周期比非隔震结构的周期延长了7倍左右。

(2)在3种地震波(PGA=70gal)作用下，采用废旧轮胎隔震垫隔震技术后，隔震结构的基底总剪力均小于非隔震结构，隔震结构与非隔震结构的基底总剪力比值为0.381～0.689。

(3)废旧轮胎隔震垫隔震技术能够显著减小上部楼层层间位移，控制结构内力和变形，降低结构地震反应，具有较好的隔震效果。

[1] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997

[2] 陈文, 熊峰.利用废旧轮胎的农居砌体结构房屋隔震系统[J].四川建筑，2012，(1):113-115

[3] 陈文,熊峰.废旧轮胎隔震垫力学性能试验研究[J].贵州师范大学学报：自然科学版，2014,32(4):1-5

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