三维复合隔震墩试验研究*1

尚守平，苏　俊,崔向龙

(湖南大学 土木工程学院 湖南 长沙　410082)



三维复合隔震墩试验研究*1

尚守平†，苏俊,崔向龙

(湖南大学 土木工程学院 湖南 长沙410082)

针对国内现有隔震装置在竖向隔震的空白，以基础隔震原理为依据，在钢筋沥青复合隔震层的基础上，提出并开发了一种新型三维隔震装置——三维复合隔震墩，在减轻水平地震的同时也能有效地进行竖向隔震，并介绍了其构成及工作原理．用刚体质量块作为上部结构，对三维复合隔震墩进行振动台模拟试验.结果表明，该三维复合隔震装置竖向及水平向隔震效果均显著，还具有造价低廉、构造简单等特点，十分适用于我国村镇地区.

竖向隔震；三维复合隔震墩；振动台试验；隔震效果

随着建筑结构的不断发展，基础隔震已经完成了从理论再到实践的过程，取得了巨大的进步．在人们的观念中水平地震作用占据了主导地位，在以往的地震研究中，大部分结构只考虑了水平地震作用，认为竖向地震作用在大部分情况下可不予考虑.然而，地震运动实际上是三维的，不仅具有水平向的运动而且还具有竖向的运动．随着地震领域研究中测震技术的深入发展，在近年来的一些强烈地震中，也获得了很多关于竖向地震的记录，如1999年台湾Chi-Chi地震和2008年汶川地震，这些数据都显示了竖向地震的影响很大，不容忽视[1].由地震反应谱曲线可知，由于结构竖向刚度较大，结构竖向周期较小，因此地震影响系数都较大[2-4].因此，研究开发具有抵御竖向地震和水平地震的低成本三维隔震技术具有迫切的现实意义.

本文针对竖向地震不容忽略的情况提出了一种三向隔震装置——三维复合隔震墩，它以钢筋沥青复合隔震层[5-7]为基础，在考虑竖向隔震的同时兼顾水平隔震.为了更好地了解三维复合隔震墩的性能，在理论研究基础上，进行了振动台试验，以检验其实际隔震效果.

1　三维复合隔震墩构造

三维复合隔震墩由4个方面组成，分别为上墩块、下墩块、隔震单元以及沥青油膏.三维复合隔震墩设置在上部结构与基础之间作为隔震层，依据工程具体情况确定三维复合隔震墩的数量.隔震单元由一定数量的弹簧与钢筋笼组成，弹簧通过钢筋笼锚固在上墩块与下墩块上，依据三维隔震体系竖向振动的振幅来确定上墩块底面和下墩块两侧的护板顶面的间隙，同时护板的总承载力不应小于隔震单元中所能承受承载力的2倍，以确保其可作为隔震层的第二道防线.沥青油膏作为防锈与阻尼材料，可在上下墩块之间进行填充，可以保护隔震单元中钢筋与弹簧不锈蚀，提高耐久性的同时也作为阻尼材料，消耗一定的地震能量，为满足上述要求`沥青油膏需要具备冬天不结硬、夏天不流淌的特性[8].三维复合隔震墩构造如图1所示.

图1　三维复合隔震墩示意图Fig.1　Sketch of three-dimensional composite isolation pier

三维复合隔震墩中隔震单元是隔震体系中最为关键的部分，在隔震单元中，弹簧既作为水平隔震构件，又作为竖向隔震构件，通过调整弹簧的数量，直径和圈数等来确定适宜的水平刚度和竖向刚度，使弹簧在水平向及竖向都具有较小的刚度，这样隔震层在整个隔震体系中刚度较小，从而延长了结构的自振周期，使地震时位移集中在隔震层，从而达到减弱和隔离地震的作用.

当装有三维复合隔震墩的隔震建筑处于多遇地震状态时，上部建筑在3个方向上作弹性往复运动，隔震单元处于弹性状态，同时由于隔震墩的减震作用，上部结构的运动加速度大大减小，基本不会受到地震破坏，而隔震墩也在震后复位，达到“中震不坏”的设防要求.而在遭遇罕遇地震时，隔震墩中弹簧在三向振动中受力会超过屈服强度，出现塑性变形，当塑性变形到一定程度时，隔震单元失去承载能力，在设计隔震单元时，确保隔震弹簧不会断裂，只在罕遇地震下达到屈服，不再承重，这时上部结构会落在隔震墩下墩块的护板上，护板强度经过验算，由护板承受上部荷载，保持一定的减小加速度的作用，防止上部结构倒塌，达到“大震不倒”的目的.

2　隔震单元减震设计

2.1弹簧竖向刚度

弹簧竖向刚度kv作为弹簧的主要参数之一，由式(1)求得：

(1)

式中：G为切变模量;d为弹簧丝径;C为弹簧旋绕比;n为弹簧有效圈数.

因此隔震层内N根弹簧的竖向刚度为Kv：

(2)

2.2弹簧水平刚度

由于弹簧水平刚度的计算一直没有一个精确的定论，参考文献[9-10]，则单根弹簧水平刚度kh为：

(3)

(4)

(5)

H=H0-λ-d.

(6)

式中:P为弹簧所承受的上部荷载;B为弹簧等效弯曲刚度;S为弹簧等效剪切刚度;E为弹性模量;G为剪切模量;D为弹簧中径;H0为弹簧有效高度;H为弹簧计算高度;λ为弹簧压缩量;d为弹簧丝径.

因此隔震层内N根弹簧的水平刚度为Kh：

Kh=Nkh.

(7)

2.3减震设计

根据《建筑抗震设计规范》求出三维复合隔震墩竖向自振周期和水平自振周期：

(8)

(9)

式中:GGEk为上部结构重力荷载代表值.

得到自振周期后，通过反应谱得到加速度影响系数α1v与α1h，由于在对地震力的计算中采取等效重力荷载与加速度影响系数的乘积形式，为了更加方便直观地体现隔震体系的隔震效果，本文定义了三维复合隔震墩中的水平减震系数βh和竖向减震系数βv:

(10)

(11)

由于农村民居多为砌体结构，刚度较大，周期较短，因此α2h取水平加速度影响系数的最大值，α2v取竖向加速度影响系数的最大值.

3　三维复合隔震墩振动台试验设计

3.1试验模型制作

本试验采用的三维复合隔震墩是根据上部质量采用2t重力块的振动台试验进行设计的.通过地震作用以及上部结构承受的重力荷载来确定弹簧的受力情况，以此确定弹簧的数量、外径、圈数等参数.下墩块两侧护板的总承载力不应小于两倍的上部重力荷载，确保在弹簧失效以后，上部结构落在护板上，避免倒塌发生.

在试验中设计隔震墩高为400mm，采用C30混凝土，钢筋笼为HRB400钢筋，直径为8mm，设计每个隔震墩包含3个隔震单元，弹簧中径为40mm，弹簧丝径为8mm，高度为280mm，其中上下两端各有60mm埋入墩块内，具体尺寸见图2，由于考虑到本试验时间不长，不考虑三维复合隔震墩中的防水防锈要求，因此在本次试验中未填充沥青油膏，三维复合隔震墩实物如图3所示.

图2　三维复合隔震墩尺寸图(mm)Fig.2　Size of three-dimensionalcomposite isolation pier(mm)

图3　三维复合隔震墩实物图Fig.3　Real object

3.2试验设备及测点布置

试验在湖南大学工程结构综合防护实验室中进行，振动台采用某机械厂制作的ZP1.2×1.4振动台，台面尺寸为1.2m×1.4m,最大负载为3t，可输出三向正弦波，频率可在5～20Hz之间调节(通过水平振动台测试，这种弹簧隔震墩消减地震作用效果极好；故在有限条件下用三维输出正弦波的振动台来考察弹簧隔震墩的竖向隔震效果也是具有参考价值的)，通过台面螺栓孔与三维复合隔震墩相连接，由于农村房屋多为砌体结构，刚度较大，因此用2t重的钢筋混凝土试块代表上部结构进行试验.由于需要测量振动台输入加速度与上部结构输出加速度，因此试验采用中国工程力学研究所开发的拾振器(941B型)，测点布置如图4所示，测点1,2,3及4,5,6分别表示测量竖向、水平X方向和水平Y方向的加速度.

图4　拾振器测点布置图Fig.4　Sketch of the arrangement of the transducers

3.3试验方案

采用ZP1.2X1.4振动台进行三向试验，由以往经验可知，竖向地震的卓越频率较小，在6.7～10Hz之间，因此试验选取了6～9Hz的工况进行试验.振动台三向输出正弦波，正弦波持续时间为30s，振动平台在起振3～4s后正弦波输出达到最大功率，同时加速度幅值达到最大值，此后持续等幅振动直至结束.在振动台面上布置拾振器测量隔震输入加速度，在刚体块顶面上布置拾振器测量隔震输出加速度，由加速度时程获得加速度折减系数，振动台试验装置见图5.

以一种含半乳甘露聚糖的天然植物胶为原料，在强碱条件下，采用活性物质对其进行醚化(见式(1)与式(2))，然后再加入一种低黏疏水性物质，充分搅拌，使改性后的植物胶表面通过物理黏附一定量的疏水性物质，最终得到一种黏稠状(黏度60～90 mPa·s)的复合改性植物胶作为胶塞稠化剂。该稠化剂在常温下的水溶性较差，分散性好，但随着温度的升高，水溶性急剧增大。

4　试验结果及分析

4.1试验结果

为了更加直观地了解三维复合隔震墩的隔震效果，本文定义三维复合隔震墩减震系数β为：

(12)

式中:α1为台面输入时的最大加速度;α2为隔震后输出的最大加速度;若加速度折减系数β越小，则表明减震效果越好.试验选取振动频率为8Hz，台面输入和隔震输出的加速度时程曲线如图6所示.

图5　振动台试验装置图Fig.5　Shaking table test device

t/s(a)竖向加速度时程曲线

t/s(b)水平X方向加速度时程曲线

t/s(c)水平Y方向加速度时程曲线图6　加速度时程曲线Fig.6　Time-histories of acceleration

4.2试验分析

由表1可以看出，在通过三维复合隔震墩进行隔震后，竖向减震系数达到0.3左右，同时也保证了水平减震效果，减震系数保持在0.2左右，说明三维复合隔震墩具有良好的复合隔震能力，能有效地减小加速度向上部结构的传递，并且在振动台振动结束后，上部结构回到初始位置附近，说明隔震墩具有良好的恢复力.

表1　加速度幅值对比Tab．1　Comparison between the peak values of acceleration

5　结　论

1)在振动平台进行竖向振动和水平振动时，三维复合隔震墩能明显地减弱上部结构竖向及水平向的加速度，具有良好的隔震效果；

2)三维复合隔震墩具有良好的恢复原位性能；

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Research on Three-dimensional Composite Isolation Pier

SHANG Shou-ping†，SU Jun，CUI Xiang-long

(College of Civil Engineering，Hunan Univ，Changsha, Hunan410082，China)

According to the structural properties and basic isolation theory, a new three-dimensional composite isolation pier was developed, which can effectively reduce the horizontal and vertical loads due to earthquake. This study introduced the isolation device configuration, work principle, and design theory. To evaluate the structural performance of the three-dimensional composite isolation pier, shaking table test of the rigid body mass was carried out. The test results show that the composite isolation device exhibites superb isolation performance. Furthermore, the proposed composite isolation device improved the cost-effectiveness and constructability, which can be used for the practical engineering in the Chinese rural area.

vertical isolation; three-dimensional composite isolation pier; shaking table test; isolation effect

1674-2974(2016)05-0039-05

2015-05-05

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAJ08800)；湖南省科技计划重点项目(06SK4057)

尚守平(1953-)，男，山东黄县人，湖南大学教授，博士生导师

†通讯联系人，E-mail: sps@hnu.edu.cn

TU352.1；TU318

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