钢隔震墩框架振动台试验研究

尚守平，罗惟贤，王振，肖逸夫

钢隔震墩框架振动台试验研究

尚守平，罗惟贤，王振，肖逸夫

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

针对广大村镇地区多层框架房屋抗震需求的现状，根据隔震理论，提出一种新型钢隔震墩。以2层钢筋混凝土框架结构为研究对象，采用新型钢隔震墩作为框架结构隔震装置，进行地震模拟振动台试验。通过在振动台台面及各层楼板布置拾振器测得各部分加速度及位移时程关系，分析上部框架结构地震反应及隔震墩的隔震性能。研究结果表明：在不同加速度峰值的地震波输入下，框架一层底板输出的加速度峰值较台面输入加速度峰值降低约50%~75%，2层顶板与1层底板的相对位移最大值为0.90 mm。向钢隔震墩内灌注沥青油膏后，上部框架层间位移进一步减小。钢隔震墩用于框架结构时隔震效果显著。

钢筋混凝土框架；钢隔震墩；地震模拟振动台试验；隔震效果

基础隔震是在基础上部与结构底部之间设置隔震装置，使结构自振周期增大，隔离地基向上部结构的地震能量的传输，从而降低结构的地震反应，达到保护结构安全的目的[1−4]。20世纪70年代Robinson等[5]针对结构抗震能力不足的问题，根据基础隔震理论，发明铅芯橡胶隔震支座。唐家祥 等[6]针对黏结型叠层橡胶隔震支座工艺复杂的问题，对工艺较为简单的无黏结型叠层橡胶隔震支座进行了可靠性试验研究，证明了其合理性。周锡元等[7]针对橡胶支座发生大变形失稳破坏的问题，发展了滑动橡胶隔震体系。张文芳等[8]为探究基础滑移体系隔震效果，对采用滑动橡胶支座隔震砖房进行振动台试验研究，证明了基础滑移体系具有良好隔震效果。Ceccoli等[9]对高阻尼橡胶隔震支座框架结构进行地震反应分析，证明了高阻尼橡胶隔震支座适用于框架结构。从当前理论及运用情况分 析[10]，叠层橡胶隔震支座作为基础隔震体系运用最为广泛，但其较为高昂的造价不适宜于在我国农村地区的大量推广。尚守平等[11−12]针对此不足，提出了一种适用于农村低层房屋的钢筋−沥青隔震层技术，进行足尺隔震砌体结构振动台试验[13]，并已成功运用于实际工程[14]。为将此技术运用于框架结构[15]。根据框架结构的特点，提出一种适用于框架结构隔震的新型钢隔震墩。在振动台面和上部框架柱底部之间设置此钢隔震墩作为基础隔震层，并制作2层单开间钢筋混凝土框架模型，框架的底层地面标高制作1层楼板，按照几何尺寸1:2进行缩尺，进行地震模拟振动台试验。通过地震模拟振动台输入不同工况地震波，分析各层楼板输出加速度峰值与位移峰值，了解钢隔震墩运用于框架的隔震效果。向隔震墩中灌入沥青油膏[16]，对比分析有无沥青油膏时上部框架位移反应，了解沥青油膏的阻尼及对上部框架的限位作用。

1 钢隔震墩构造及隔震机理

钢隔震墩骨架由上下钢板，隔震竖向钢筋通过榫锚焊接构成，设置于框架柱底部与基础之间，隔震竖向钢筋是钢隔震墩的主要受力部件，其竖向刚度远大于水平刚度。利用此特点制成竖向承载力大且水平刚度小的钢隔震墩，作为框架结构隔震装置，使结构的自振周期增大，减小上部结构地震反应。实际应用时，可在钢隔震墩四周捆绑木模板，灌注沥青油膏，起到防止隔震竖向钢筋生锈及提供一定阻尼的作用。钢隔震墩构造图如图1所示。

图1 钢隔震墩构造图

2 隔震墩设计理论

2.1 第1类稳定设计

不发生地震时，隔震结构仅承受竖向重力荷载，隔震钢筋可简化为轴心受压的构件计算，由静力压杆稳定欧拉公式，其临界失稳荷载计算如式(1)所示[13]。

式中：为隔震竖向钢筋弹性模量；为钢筋截面惯性矩；为隔震墩隔震竖向钢筋有效高度；为单根钢筋所承受上部重力荷载设计值作用下的竖向力；为计算单元上结构重力荷载设计值；为计算单元内隔震竖向钢筋根数。

由式(1)，(2)和(3)可确定隔震墩在重力荷载作用下所需最少隔震竖向钢筋数量为

式中：为计算单元内隔震竖向钢筋直径。

2.2 第2类稳定设计

发生地震时，隔震结构将承受竖向重力作用与水平地震作用的共同作用，此时的荷载情况为偶然荷载作用情况，采用荷载标准值与材料标准值进行验算。

隔震墩隔震竖向钢筋在竖向荷载与水平地震作用共同作用时，隔震竖向钢筋弹塑性稳定应满足如下表达式，已编入《多层房屋钢筋沥青基础隔震技术规程》[17]修订版：

式中：P为上部结构重力荷载代表值；f为竖向隔震钢筋抗压强度标准值；为隔震结构的水平地震影响系数；和为稳定计算参数，按表1取用。

表1 计算参数表

注：括号数值分别用于设计基本加速度为0.15和0.30的地区。

最终隔震竖向钢筋数量按弹性稳定计算的钢筋根数和弹塑性稳定验算式(5)算出的钢筋数量，取二者较大值采用。

3 隔震框架地震模拟振动台试验

3.1 振动台及隔震墩参数

本试验在山东建筑大学工程结构与防灾减灾实验室进行，使用地震模拟振动台进行试验，振动台具体参数见表2。

表2 振动台参数表

钢隔震墩上下钢板长度及宽度应略小于框架柱长及柱宽，使隔震竖向钢筋全部位于框架柱之下，保证每根钢筋受力均匀。为保证隔震竖向钢筋与钢板可靠连接，其每端榫锚焊接长度不应小于20 mm，钢板厚度应不小于30 mm。本试验中隔震墩采用尺寸为180 mm×180 mm×30 mm的上下钢板。按设防烈度为8度，场地土类别为Ⅱ类设计，隔震竖向钢筋根数由第2部分计算得出，本试验共采用32根HRB400级钢筋作为隔震竖向钢筋，钢筋标称直径10 mm，每根钢筋在上下钢板间的净长度300 mm，通过榫锚焊接与上下钢板连接。4个框架柱底部各布置1个隔震墩，每个隔震墩布置8根钢筋。隔震墩立面图、剖面图和实物图，分别如图2，图3与图4所示。

单位：mm

单位：mm

图4 隔震墩实物图

3.2 框架模型参数及量测内容

因地震模拟振动台有效负荷限制，需控制试验结构整体质量在10 t以内，经计算采用几何尺寸1:2进行结构缩尺，模型采用C30混凝土，HRB400受力钢筋，HPB300箍筋。为了更好使模型与原型在地震作用下的动力特性保持一致，通过调整层高使模型的自振频率与原型的自振频率相近。模型与原型参数如表3所示。

表3 框架原型与模型参数表

框架模型平面图和剖面图见图5和图6，施工完后模型实物图见图7。

单位：mm

单位：mm

图7 框架模型实物图

试验中采用中国地震局工程力学研究所941B型拾振器在测量振动台面、1层底板、2层底板及2层顶板各布置2枚，分别测得各层的加速度和位移反应，在整个试验过程中实现加速度和位移同步记录，对于测得的位移反应可用测得的加速度积分进行验证。

3.3 试验工况

试验采用2008年“卧龙波(S-N)”和1952年“Taft波(N21E)”作为地震模拟振动台台面输入波，选取“卧龙波”和“Taft波”的原因在于此2条地震波是实测地震波，数据真实且可靠，根据输入地震动的傅氏谱，“卧龙波”频谱较窄，“Taft波”频谱较宽，2条波频谱组成具有代表性。通过台面输入0.05和0.1的峰值加速度的卧龙波和Taft波，模拟7度及8度多遇地震的情形。试验工况如表4 所示。

表4 试验工况表

3.4 试验步骤及现象

将试验模型框架吊装至振动台，通过台面上的螺栓孔固定隔震墩下部钢板，将整个隔震框架模型与振动台面相连。启动地震模拟振动台，进行机器预热，通过向振动台载入表4所示工况的地震波数据，获得不同的台面加速度输出。台面输入加速度峰值0.05的地震波时隔震墩钢筋只出现轻微晃动，模型整体晃动不明显，随着振动台面输入加速度峰值加大到0.1，隔震墩晃动加大，模型整体晃动较明显；依次完成4个工况的试验过后，隔震墩隔震钢筋均能良好复位，上部框架未出现明显变形与破坏特征。再将钢隔震墩四周捆绑木模板，并开出斜向导流口，将沥青油膏倒入熔炉，熔成胶状，加入一定质量比的双飞粉，沿导流口将沥青油膏灌入钢隔震墩。待沥青油膏冷却，依次向振动台载入表4所示工况的地震波数据。发现同工况下较之前无沥青油膏时，有沥青油膏的隔震墩晃动减小，模型整体晃动不明显。

4 试验结果分析

4.1 加速度反应分析

为分析不同工况下每层楼板加速度反应，定义加速度衰减系数[18]为：

式中：0为振动台面输入峰值加速度；a为各层楼板输出峰值加速度，=1, 2, 3分别代表1层底板、2层底板、2层顶板。

将试验分析得到各加速度及加速度衰减系数见表5。

表 5 加速度试验结果汇总

从表5及图8可知，随着台面输入加速度峰值的提高，上部框架的地震反应也随之增大，但是上部框架各层楼板的加速度反应始终被折减。从加速度时程曲线可知，隔震框架的各层加速度反应较为缓和，整个地震作用持时内基本维持在台面输入加速度峰值的30%以内波动。在不同地震作用下，隔震墩水平方向上隔震效果明显，隔震层的加速度衰减系数约为0.25~0.50，即一层底板的最大反应加速度可衰减到振动台板输入峰值加速度的50%以下。其中0.1卧龙波工况下，减震效果最佳，1层底板加速度衰减系数为0.245，2层顶板加速度衰减系数为0.306。随着楼层增加，输出峰值加速度增大，2层顶板的加速度衰减系数约为0.30~0.70，仍然具有良好的隔震效果。

向钢隔震墩中灌注沥青油膏后测得隔震层加速度衰减系数，并与未灌注沥青油膏的加速度折减系数进行对比，数据列于表6。从表6可知，钢隔震墩添加沥青油膏后，隔震层的加速度衰减系数一般略有加大，原因在于灌注沥青油膏后，沥青油膏对于竖向隔震钢筋的往复运动有所限制，使得钢隔震墩水平刚度有所增加。隔震层的加速度衰减系数约为0.25~0.58，较未灌注沥青油膏时的加速度衰减系数增幅较小，故钢隔震墩灌注沥青油膏后仍具有良好隔震效果。

(a), (b) 输入加速度峰值0.05g的卧龙波；(c), (d) 输入加速度峰值0.1g的卧龙波；(e), (f) 输入加速度峰值0.05g的Taft波；(g), (h) 输入加速度峰值0.1g的Taft波

表 6 隔震层加速度衰减系数

4.2 位移反应分析

将试验测得各部分位移时程曲关系，分析得到各工况下结构位移反应见表7。

从表7及图9可知，输入地震波波形相同时，随着输入加速度峰值增大，隔震层相对振动台面位移增大，最大值为3.61 mm。各工况下，对于上部框架，2层顶板与1层底板的相对位移非常小，最大值为0.90 mm，所以上部框架几乎为整体平动。整体结构变形集中在隔震层，隔震层通过自身变形吸收大部分地震能量，有效阻隔地震能量向上部结构传递。钢隔震墩添加沥青油膏后，较隔震墩未添加沥青油膏时，上部框架2层顶板与1层底板的相对位移显著减小，输入加速度峰值0.05的卧龙波时，减少61%，输入加速度峰值0.1的卧龙波时，减少69%，输入加速度峰值0.05的Taft波时，减少83%，输入加速度峰值0.1的Taft波时，减少81%。说明沥青油膏使隔震层阻尼增大，有显著耗能作用，在钢筋隔震的基础上再吸收一部分地震能量，进一步减少能量向上部结构传递从而减小上部结构水平地震位移反应。

表7 位移试验结果汇总

注：=0，1，2，3分别代表振动台板、1层底板、2层底板、2层顶板。

图9 结构相对振动台面位移图

5 结论

1) 由于钢筋隔震墩具有弹性恢复力，在7度及8度多遇地震作用下隔震层复位良好，上部框架未出现明显变形与破坏特征，在框架柱底部设置钢筋隔震墩能适用于框架结构的隔震。

2) 在不同峰值的地震波输入下，框架一层底板输出的加速度峰值较台面输入加速度峰值降低约50%~75%，隔震层运用于框架具有显著的的减震效果，具有良好的发展前景。

3) 地震发生时，设置钢隔震墩的上部框架结构几乎保持整体平动，层间位移非常小，表明：隔震层吸收了大部分地震能量，有效阻止了地震能量向上部结构传递，有利于保持上部结构完好性。

4) 钢隔震墩构造简单，施工简便，价格低廉。实际应用时，可在隔震墩侧壁绑扎木模板，灌注沥青油膏，沥青油膏起到增加阻尼作用的同时可以包裹竖向隔震钢筋，防止隔震钢筋生锈。设计计算时，未考虑沥青油膏阻尼作用。

5) 钢隔震墩灌注沥青油膏后，上部框架二层顶板与一层底板的相对位移减少约为60%~80%。证明沥青油膏起到增加阻尼的作用，进一步减少地震能量向上部结构传递，对于上部结构有限位作用。

[1] Karayel V, Yuksel E, Gokce T, et al. Spring tube braces for seismic isolation of buildings[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2017, 16(1): 219−231.

[2] MA Chao, LU Dechun, DU Xiulia. Seismic performance upgrading for underground structures by introducing sliding isolation bearings[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 4(74): 1−9.

[3] SHI Zhifei, CHENG Zhibao, XIANG Hongjun. Seismic isolation foundations with effective attenuation zones[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014(57): 143−151.

[4] 尚守平, 崔向龙. 基础隔震研究与应用的新进展及问题[J]. 广西大学学报(自然科学版),2016, 41(1): 21−28. SHANG Shouping, CUI Xianglong. New progress and problems in research and application of base isolation[J]. Journal of Guangxi University (Nat Sci Ed),2016, 41(1): 21−28.

[5] Robinson W H, Tucker A G. A lead-rubber shear damper [J]. Bulletin of the New Zealand National Society for Earthquake Engineering, 1977, 10(3): 151−153.

[6] 唐家祥, 李黎, 李英杰, 等. 叠层橡胶基础隔震房屋结构设计与研究[J]. 建筑结构学报, 1996, 17(2): 37−47. TANG Jiaxiang, LI Li, LI Yingjie, et al. Design and building with research of base-Isolated laminated rubber bearings[J]. Journal of Building Structures, 1996, 17(2): 37−47.

[7] 周锡元, 韩淼, 曾德民, 等. 具有软着陆保护的橡胶支座隔震体系[J]. 建筑结构学报, 2000, 21(5): 2−10. ZHOU Xiyuan, HAN Miao, ZENG Demin, et al. Rubber bearing isoiation system with soft landing protection[J]. Journal of Building Structures, 2000, 21(5): 2−10.

[8] 张文芳, 程文襄, 李爱群, 等. 九层房屋基础滑移隔震的试验、分析及应用研究[J]. 建筑结构学报, 2000, 21(3): 60−68. ZHANG Wenfang, CHENG Wenrang, LI Aiqun, et al. Experiments, theoretical analyses and applied research on base sliding isolation of multi-story buildings[J]. Journal of Building Structures, 2000, 21(3): 60−68.

[9] Ceccoli C, Mazzotti C, Savoia M. Non‐linear seismic analysis of base‐isolated RC frame structures[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2015, 28(6): 633−653.

[10] 邵静, 姚菲, 徐玉华. 隔震支座技术的研究综述[J]. 四川建筑科学研究, 2014, 40(3): 176−179. SHAO Jing, YAO Fei, XU Yuhua. Summary of research on isolation bearing technology[J]. Sichuan Building Science, 2014, 40(3): 176−179.

[11] 尚守平, 杨龙, 周方圆. 钢筋−沥青隔震层[J]. 地震工程与工程振动, 2014, 34(增1): 891−897. SHANG Shouping, YANG Long, ZHOU Fangyuan. The steel-asphalt isolation layer[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2014, 34(Suppl 1): 891−897.

[12] 尚守平, 周志锦, 刘可, 等. 一种钢筋−沥青复合隔震层的性能[J]. 铁道科学与工程学报, 2009, 6(3): 13−16. SHANG Shouping, ZHOU Zhijin, LIU Ke, et al. The research on the steel-asphalt isolation layer[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2009, 6(3): 13−16.

[13] 尚守平, 黄群堂, 沈戎, 等. 钢筋−沥青隔震墩砌体结构足尺模型试验研究[J].建筑结构学报, 2012, 33(3): 132−139. SHANG Shouping, HUANG Quntang, SHEN Rong, et al. Full-scale experimental research on steel asphalt isolation pier[J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(3): 13− 16.

[14] 尚守平, 周浩, 朱博闻, 等. 钢筋沥青隔震层实际工程应用与推广[J]. 土木工程学报, 2013, 46(增2): 7−12. SHANG Shouping, ZHOU Hao, ZHU Bowen, et al. Application and promotion of reinforced-asphalt seismic isolation layer[J]. China Civil Engineering Journal, 2013, 46(Suppl 2): 7−12.

[15] 李亚娥, 秦剑飞, 仵芳正, 等. 钢筋−沥青隔震墩技术在低层框架中的研究应用[J]. 甘肃科学学报, 2018, 30(1): 80−84. LI Yae, QIN Jianfei, WU Fangzheng, et al. Research and application of rebar-pitch isolation pier technique in lower level frame[J]. Journal of Gansu Sciences, 2018, 30(1): 80−84.

[16] 尚守平, 石宇峰, 熊伟, 等. 沥青油膏−双飞粉混合物动剪模量的试验[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2010, 35(1): 1−5. SHANG Shouping, SHI Yufeng, XIONG Wei, et al. Dynamic shear modulus of ointment-heavy calcium carbonate powder mixture[J]. Journal of Guangxi University (Nat Sci Ed), 2010, 35(1): 1−5.

[17] DBJ 43/T 304—2014, 多层房屋钢筋沥青基础隔震技术规程[S]. DBJ 43/T 304—2014, Technical specification for reinforced asphalt base isolation technology in multi- story building[S].

[18] 尚守平, 沈戎. 砌体模型隔震试验研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2012, 39(9): 1−5. SHANG Shouping, SHEN Rong. Research on isolation properties of masonry model[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2012, 39(9): 1−5.

Shaking table experimental research on steel isolation pier in frame

SHANG Shouping, LUO Weixian, WANG Zhen, XIAO Yifu

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

In view of the demand of seismic capacity of multi-layer frame houses in village areas. A new type of steel isolation pier was proposed according to the theory of isolation. This article took a two-layer reinforced concrete frame as the research objectand adopted the new steel isolation pier as the isolation layer in the shaking table test. The acceleration and displacement amplitudes of each part which were used to analyze the structural response and the isolation performance of the isolation pier were measured by sensors on shaking table and each floor. The results show that under the input of seismic waves with different peak acceleration, the peak output acceleration of the first floor is reduced by about 50%~75% compared with the peak input acceleration of the shaking table. The maximum displacement of the second floor and the first floor is 0.90 mm. After the asphalt ointment is poured into steel isolation piers, the displacement between the upper frame layers is further reduced. When steel isolation piers are used for the frame structure, the vibration isolation effect is remarkable.

reinforced concrete frame; steel isolation pier; shaking table test; isolation effect

TU352

A

1672 − 7029(2019)08− 2043 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.08.022

2018−10−29

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2015BAL03B01)

尚守平(1953−)，男，山东黄县人，教授，博士，从事土−结构相互作用、结构抗震和加固研究；E−mail：sps@hnu.edu.cn

(编辑 蒋学东)