一种新型三维隔震墩隔震性能试验研究

尚守平,崔向龙

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙　410082)



一种新型三维隔震墩隔震性能试验研究

尚守平,崔向龙

(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙410082)

摘要:文章研究开发了一种性能优越、造价低廉、施工方便、适合农村民居使用的新型三维隔震墩,三维隔震墩以普通圆柱螺旋压缩弹簧为核心受力构件；介绍了隔震墩的工作原理、设计理论及制作方法,并进行了拟静力试验与竖向振动台试验。试验结果表明三维隔震墩竖向与水平向隔震性能十分优越,适合在高烈度农村地区推广使用。

关键词:三维隔震墩;隔震性能;弹簧;农村民居;隔震

0引言

基础隔震作为一种抵御地震的有效方法越来越得到人们的认可和重视,国内外专家对于基础隔震进行了大量的理论与试验研究,许多隔震装置已经进入了实际应用阶段,并且经受住了地震的考验,表现出了卓越的性能[1-3]。由于地震本身的多维特性,对于一些高烈度地区和震中附近的建筑,同时考虑竖向地震作用与水平地震作用是非常必要和重要的。

但是,国内外对于三维隔震的研究至今尚无实质性进展[4]。

传统观点认为,震中区的竖向地震很大。其实在非震中区,竖向地震的影响也不小。结构实际取用的水平与竖向地震影响系数对比图如图1所示。由于结构的水平刚度往往小于竖向刚度,因此结构的水平自振周期往往较大,实际取用的地震影响系数往往处于曲线下降段;结构的竖向刚度往往较大,因此结构的竖向自振周期往往较小,实际取用的地震影响系数往往处于最大值(水平线);竖向地震影响系数和水平地震影响系数往往都在一个差不多的水平。

图1　结构实际取用的水平与竖向地震影响系数对比图

在汶川、雅安等地震中,地震区的百姓反映地震来时如同“泥牛翻背”。这在侧面反映出地震区特别是高烈度区的竖向地震作用不容忽略。近年来,几次强震对我国人民生命财产造成严重破坏,这都是在竖向地震与水平地震的共同作用下造成的。因此,研究、开发能够同时隔离竖向地震和水平地震作用的三维隔震装置有着迫切的现实意义。目前,越来越多的专家学者投入到对竖向地震的研究中,对三维隔震进行了一些有益的探索,大部分研究尚未进入实际应用阶段。本文在原有钢筋沥青隔震层[5]和水平隔震墩[6]的基础上,提出了一种新型三维隔震墩,通过振动台试验测试了它在竖向及水平向的隔震效果。

1三维隔震墩的工作原理与设计理论

1.1三维隔震墩的工作原理

三维隔震墩由上、下混凝土墩块,隔震单元和沥青油膏组成。隔震单元为特种钢圆柱螺旋压缩弹簧,作为核心受力构件有效锚固于上、下混凝土墩块中。根据上部结构的荷载情况,改变弹簧的个数、自由高度、圈数、直径、丝径等相关参数来调整三维隔震墩的水平刚度及竖向刚度,获得合适的减震效果，如图2所示。

图2　三维隔震墩剖面图

在基本烈度地震作用下,隔震单元(弹簧)始终处于弹性状态,上部结构在三维隔震墩上做水平与竖向的小位移振动,主要变形集中在隔震墩组成的隔震层内。与不隔震的结构相比,上部结构地震响应明显减弱。地震作用结束时,由于隔震单元始终处于弹性状态,具有复位功能,上部结构恢复至初始位置或附近,实现“中震不坏”的抗震设防要求(设防目标提高了)。罕遇地震作用下,隔震单元发生较大变形,隔震弹簧在竖向地震与水平地震的耦合作用下屈服,三维隔震墩上墩块落在下墩块的墩壁上,由于上、下墩块间以及上墩块与墩壁间填充有沥青油膏,上部结构在墩壁上继续滑动,成为阻尼较大的滑动支座,仍然降低地震作用,实现“大震不倒”的抗震设防要求。上、下墩块间隙及中间槽的沥青油膏除保护隔震单元不受腐蚀以外,还提供一定的阻尼,达到耗能减震的效果。

1.2三维隔震墩的设计理论

隔震单元作为三维隔震墩的核心受力构件,每个隔震墩含有若干个隔震单元,在忽略钢筋初始缺陷及施工误差等因素的影响下,可以认为隔震墩各个隔震单元受力状态基本一致。根据上部荷载情况调整隔震单元的相关参数,从而达到三维隔震的效果。

确定隔震弹簧的竖向刚度和水平刚度是隔震单元设计的核心内容,本文用弹性力学的方法计算弹簧水平刚度,隔震单元受力简图如图3所示。

图3　隔震单元受力简图

本文关于弹簧水平刚度计算借鉴了车辆工程中普通圆柱螺旋弹簧横向刚度[7]的推导公式,弹簧的水平刚度与上部荷载及自身参数相关。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,kv为弹簧竖向刚度;kh为弹簧水平刚度,H为弹簧自由高度;D为弹簧大直径;d为弹簧丝直径;δv为弹簧竖向压缩量;G为弹簧剪切模量;n为弹簧圈数;P为轴向荷载；Pcr为临界荷载。

通过统计隔震层中隔震单元(弹簧)的个数,可以得到整个隔震层的竖向总刚度和水平总刚度,计算出隔震层的水平自振周期和竖向自振周期,从而进行三维隔震设计。

隔震层的水平总刚度为:

Kh=Nkh

(5)

隔震层的竖向总刚度为:

Kv=Nkv

(6)

其中,N为隔震层中隔震单元的个数;Kh为隔震层水平总刚度;Kv为隔震层竖向总刚度。

2三维隔震墩设计制造及试验

2.1三维隔震墩设计

试验用三维隔震墩按上部重力荷载为2.0 t设计(4个隔震墩),每个隔震墩放置3个隔震单元,竖向弹簧采用普通圆柱螺旋压缩弹簧,中径D=40 mm,丝径d=8 mm,有效圈数n=10,自由高度H=160 mm。单根弹簧极限工作荷载p=2 626.2 N,弹簧竖向刚度理论值kv=63.2 N/mm,试验荷载压缩量h=26 mm,弹簧水平刚度理论值kh=15.01 N/mm,混凝土强度等级为C40。单个三维隔震墩竖向承载力理论值为7.878 kN,竖向刚度理论值为189.6 N/mm,水平刚度理论值为45.03 N/mm。试件尺寸为200 mm×240 mm×600 mm。

2.2三维隔震墩制作

将弹簧与钢筋笼固定好,统一放入钢模具中,浇筑成型并在湖南大学结构防灾减灾实验室养护到设计强度,三维隔震墩实物图如图5所示。

图4　三维隔震墩钢模板与内部构件

图5　三维隔震墩实物图

2.3试验及结果

拟静力试验在湖南大学力学试验室进行,单个三维隔震墩竖向承载力实测值为6.523 kN,竖向刚度实测值为173.3 N/mm,水平刚度实测值为39.6 N/mm。竖向振动试验在湖南大学结构防灾减灾试验室振动台上进行,振动台尺寸为1.2 m×1.4 m,最大负荷为4 t。试验用2 t刚体质量块代替刚度和重力较大的村镇低矮建筑。振动台面放置4个三维隔震墩,并用螺栓固定,用来支撑上部刚体质量块。振动台试验如图6所示。

试验采用中国地震局工程研究所生产的941B型拾振器进行加速度采集,分别采集水平X、Y和竖向Z 3个方向的振动台面输入加速度与刚体块顶部的输出加速度。在振动台台面与刚体块顶面分别对应放置3个方向的拾振器,为确保试验数据准确,每个方向布置3个拾振器,记录实验过程中的加速度数据。拾振器布置如图7所示。

图6　竖向振动台试验

图7　试验测点布置图

从现有的地震动观测记录来看,竖向地震动的卓越周期一般为0.1～0.15 s,即卓越周期在6.7～10 Hz间[8],本试验采用主频率为6、7、8 Hz的波模拟竖向地震作用,观测上部刚体块在3种工况下的地震反应,测试三维隔震墩的隔震性能,持续时间为30 s。3个方向上输入和输出的加速度时程曲线(以8 Hz为例)如图8所示。

图8　输入输出加速度时程曲线

因为弹簧的侧向刚度远小于钢筋的水平刚度,三维隔震墩的水平隔震效果比钢筋隔震层的效果更好,限于篇幅问题,不再赘述。

在振动台试验中,通过对3个方向输入和输出的加速度进行观察,发现三维隔震墩在三维振动下减震效果很好(减震系数大多在0.25以下),振动结束后,隔震单元基本恢复到原来位置,说明三维隔震墩具有很好的自动复位功能,实现了设计要求的“中震不坏,大震不倒”的功能。

3结论

(1)弹簧三维隔震墩适用于距离岩石断层10 km以内地区(潜在的震中区)或虽然距离岩石断层10 km以外但其重要性很强(例如文物保护建筑)的建筑。

(2)弹簧三维隔震墩在满足承载力的情况下,可以实现极佳的三维隔震的效果,设计理论值与试验实测值符合较好。

(3)弹簧三维隔震墩竖向与水平向地震作用衰减系数在0.3以下,表明该隔震墩减震效果十分优越。

(4)弹簧三维隔震墩竖向承载力有限,只用于1～3层的村镇建筑或文物保护建筑。

[参考文献]

[1]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997:28-32.

[2]Skinner R I,Robinson W H,McVery G H.工程隔震概论[M].谢礼立,周雍年,赵兴权,译.北京:地震出版社,1996:1-393.

[3]朱宏平,周方圆,袁涌.建筑隔震结构研究进展与分析[J].工程力学,2014,31(3):1-10.

[4]熊世树.三维基础隔震系统的理论与试验研究[D].武汉:华中科技大学,2004.

[5]尚守平，姚菲，刘可．一种新型隔震层的构造及其振动台试验研究[J].土木工程学报，2009，44(2):36-41．

[6]尚守平，郜志远，朱博闻，等.复合隔震墩隔震性能的振动台试验研究[J].地震工程与工程振动，2011,31(6):117-122.

[7]郭荣生.螺旋弹簧的横向弹性[J].铁道车辆,1974(4):7-17.

[8]李雄彦，薛素铎.竖向隔震的机理研究和装置设计[J].北京工业大学学报,2008,34(10):1043-1047.

(责任编辑张镅)

Experimental study of isolation performance of a new type of three-dimensional isolation pier

SHANG Shou-ping,CUI Xiang-long

(School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Abstract:This paper focuses on the development of a new three-dimensional isolation pier,which is applicable in rural residential areas,with superior performance,low cost and convenient installation.The three-dimensional isolation pier employs ordinary cylindrical helix compression spring as its core force component.The operating principle,design philosophy and manufacture methods of isolation pier are introduced.The quasi-static test and vertical shaking table test are also conducted,and the tests results show that the vertical and horizontal isolation performance of three-dimensional isolation pier is excellent for promoting in high intensity rural areas.

Key words:three-dimensional isolation pier;isolation performance;spring;rural residential area;isolation

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-10-12

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B02);湖南省科技重点资助项目(064SK4057)

作者简介：尚守平(1953-),男,山东黄县人,湖南大学教授,博士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.017

中图分类号:TU352.1

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0514-04