加筋橡胶砂复合垫层隔震性能试验研究

刘方成， 吴孟桃,2， 景立平

(1.湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2.天津大学 土木工程系，天津 300354；3. 中国地震局 工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨 150080)

在汶川地震、玉树地震、雅安地震以及最近的国内外多次地震中，以村镇民居、学校、医院、办公楼建筑为代表的普通房屋建筑破坏严重，成为造成地震灾难的主要原因[1]。但现有的隔震方法往往造价昂贵，只在重要建筑中使用，在普通建筑中难以普及。研究能用于普通房屋建筑的廉价隔震方法已迫在眉睫。同时，随着全球汽车工业的发展，如何处置大量的废旧轮胎成为日益严峻的环境问题[2]。已有研究表明，由废旧轮胎经机械破碎得到的橡胶颗粒可作为一种环保的工程材料，与天然砂按一定比例配合成的混合料(简称橡胶砂或RSM(Rubber Sand Mixture))具有模量低、弹性好、高耗能的特点，已被应用于挡墙回填、路堤填筑等领域[3-4]，而近年来，关于将橡胶砂填料用于减隔震的研究备受关注。

众所周知，现有的低成本隔震研究大多以滑移隔震为主[5-6]，但满足要求的滑移材料往往不容易取得，在建筑使用年限内长时间保存其材料的良好滑移性能也难以保证。基于对橡胶砂动力特性的研究和了解，Tsang 等[7-8]首先提出用RSM 换填低矮房屋基础周围的场地土，利用场地土-软弱夹层-基础-上部结构体系的动力相互作用效应，降低上部结构的地震反应，达到隔震目的。这一隔震思路，既能大量消耗废旧轮胎，又能大幅度降低建筑隔震的造价，可普遍应用于广大农村地区的居民普通建筑结构。岁小溪[9]通过振动台试验，研究了RSM 垫层的隔震效应，结果表明橡胶颗粒质量配合比为30% 的RSM具有明显的隔震效果。Saman等[10-13]也相继对橡胶砂垫层的隔震效应与可行性进行了深入研究，表明其确实是一种可行的隔震方法。但试验研究亦发现，由于橡胶砂垫层宏观上属于各向同性材料，其在水平方向具有较小的剪切模量的同时，竖向的压缩模量也比较小[14]，从而在水平地震作用下容易使上部结构的摇摆运动分量增大，并且对其基础稳定性具有不利影响。为此，作者提出用土工加筋的方法对橡胶砂垫层进行改进，以期得到更好的隔震效果。

图1 Tsang等研究的橡胶砂垫层隔震示意图Fig. 1 Seismic isolation schematic diagram of RSM cushion

本文利用土工格室的网兜效应[15]和土工格栅与土的摩擦嵌锁作用[16]加筋橡胶砂形成复合垫层，对该垫层的隔震效应进行振动台试验，研究地震波下不同输入加速度、不同上部配重下垫层的隔震性能，为其在工程上的应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

加筋橡胶砂垫层是由土工材料(格室+格栅)、橡胶砂组合的复合垫层，试验橡胶砂为由废旧轮胎橡胶颗粒与天然河砂混合得到的混合料。废旧橡胶颗粒从专业分解废旧橡胶的厂家购买，试验用砂为两种级配不同的普通建筑河砂。混合前后的橡胶颗粒和砂如图2所示。材料的颗粒特征如表1所示，级配曲线如图3所示。本文选用质量配比为30%的橡胶砂为隔震垫层的填料，即橡胶颗粒与砂的质量比为3 ∶7。

加筋用土工格室为高强焊接型HDPE格室，格室片抗拉强度≥18 MPa，焊接处抗拉强度≥100 N/cm，格室高度200 mm，焊点间距400 mm，格室片厚度1 mm。加筋用土工格栅为玻璃纤维材质的双向土工格栅，其延伸率≤3%，网格尺寸12.7 mm×12.7 mm，纵向抗拉强度60 kN/m，横向抗拉强度60 kN/m。

图2 试验用橡胶颗粒、砂颗粒和混合后的橡胶砂Fig. 2 Photos of rubber particles, sand particles and rubber sand mixtures

试验材料比重Gs粒径范围/mm平均粒径D50不均匀系数Cu废橡胶颗粒1.210.5～5.01.501.43粗砂2.650.05～5.01.025.36细砂2.690.05～1.50.252.12

图3 橡胶和砂的颗粒级配曲线Fig. 3 Grading curves of rubber particles and sand

1.2 试验装置

试验装置为基于课题组自行研制的大型循环单剪仪[17]改造的水平单向液压伺服振动台，台面尺寸2 m×2 m，振动频率范围0.01～50.00 Hz，最大荷载重量10 t。本试验中，振动台单向输入正弦波和El Centro波，正弦波为等频加载，即振动台起振后3～5 s达到最大频率(此时台面加速度幅值也最大)，此后为等频振动并持续到结束，持续时间为 60 s；El Centro波按记录的实测数据输入，加载方式见表 2。试验装置及试样如图4所示。

表2 加载方式Tab.2 Application of loading types

考虑到地震区的村镇房屋大多为低层建筑，在隔震研究中可以近似用刚性块体代替。试验所用质量块如图5所示。混凝土质量块尺寸2.0 m×1.6 m×0.25 m，重量约18 kN。质量块上端设计有4个尺寸为305 mm×305 mm的方形凹孔，下端设计有4个尺寸为300 mm×300 mm的方形凸脚，以保证上下质量块嵌套在一起共同工作。每个质量块对地面产生的压力为50 kPa，本试验所研究的基底压力范围为50～150 kPa，与农村房屋实际情况相符。

图4 试验装置及加筋橡胶砂复合垫层Fig.4 Test equipment and reinforced rubber-sand mixture cushion

图5 质量块Fig. 5 Mass block

1.3 试验工况

加筋橡胶砂复合垫层制作方法如下：①将工厂购买的土工格室切割至由4个单孔格室组成的方形格室，其尺寸约为330 mm×330 mm×200 mm，并将土工格栅裁剪至与单孔格室大小相等的若干个格栅网；②将烘干的河砂和风干的橡胶颗粒按照质量比拌合均匀，测定两种不同粒径橡胶砂的最大干密度和最小干密度，按同一相对密度确定试样控制密度，根据控制密度和格室容积称取装样质量；③将准备好的4个方形格室按预定位置固定在振动台板上，每个格室中分3层装入橡胶砂，为保证压实度，每填筑一层橡胶砂后均用5 Hz的正弦波对其进行缓冲振密；④在格室内部的1/3和2/3位置处分别放置4个格栅网，形成由1个土工格室、8个土工格栅网、橡胶砂构成的复合隔震垫层。垫层填筑过程和完工效果如图4所示。试验工况见表3。

伺服系统调试完毕后，按表3所示的试验工况进行振动台试验。试验使用中国地震局工程力学研究所的941B型拾振器，记录各通道试验数据后存入计算机进一步处理。输入加速度由振动台板上的加速度拾振器采集，输出加速度由配重质量块上的加速度拾振器采集。采用动态信号调理及采集系统，采样频率为2 k Hz，采用时间激发模式，在激发时间范围内进行采样。

表3 试验工况Tab.3 Test condition

2 试验结果

2.1 加速度时程

图6和图7分别给出了加筋橡胶砂复合垫层A和垫层B的输入、输出加速度时程曲线，每种垫层下，均给出了三种基底压力、三种El Centro波的试验结果。由图可见：①在各种工况下，输出加速度时程曲线幅值明显小于输入加速度时程曲线，且输入加速度幅值越大，输出加速度幅值相对于输入加速度幅值的降低越显著；②比较50 kPa, 100 kPa, 150 kPa三种基底压力(上部结构质量配重不同)的影响，基底压力越大，输出加速度幅值越小；③比较两种加筋橡胶砂复合垫层的影响，垫层A的输出加速度幅值更小。

2.2 隔震效果

定义减震系数Ra表示垫层的隔震效果

Ra=|aout|max/|ain|max

(1)

式中：|aout|max为输出加速度的峰值；|ain|max为输入加速度的峰值。试验得到的不同工况下的Ra计算值见表4，可见，在各种工况下减震系数Ra最大值为0.574，表明采用格室+格栅加筋橡胶砂复合垫层具有较好的隔震效应。

图8给出了两种加筋橡胶砂复合垫层下，减震系数Ra随输入加速度峰值的变化曲线。由图可见：①两种复合垫层下，随着输入加速度峰值的增大，减震系数均逐渐减小；②随着基底压力增大，减震系数减小。说明加筋橡胶砂复合垫层具有较好的隔震效应，且随着上部自重的增加和地震剧烈程度的增大，隔震效果更为明显。这与岁小溪和Xiong等研究的分析结果一致，即在一定深度范围内，隔震垫层埋深越大，隔震性能越好。比较不同加筋橡胶砂垫层的试验结果发现：垫层A的减震系数明显小于垫层B，垫层A的Ra值范围0.359～0.501，垫层B的Ra值范围0.465～0.574，且基底压力的增大对垫层A减震系数变化的影响更大。说明砂粒径大的隔震垫层的隔震效果更好，这与文献[18]的研究结果一致，即在一定粒径范围内，粗砂更宜用于隔震，后续研究可基于大量试验得到一个最优的橡胶颗粒粒径、砂粒径或它们的粒径之比。

图6 加筋橡胶砂垫层A(粗砂)的试验结果Fig. 6 Test results of and reinforced rubber-sand mixture cushion A

图7 加筋橡胶砂垫层B(细砂)的试验结果Fig.7 Test results of and reinforced rubber-sand mixture cushion B

基底压力/kPa地震波形加筋橡胶砂垫层A|ain|max/(m·s-2)|aour|max/(m·s-2)β加筋橡胶砂垫层B|ain|max/(m·s-2)|aout|max/(m·s-2)β50EL波0.1g1.0240.5130.5010.963 0.553 0.574 EL波0.2g2.0611.0020.4862.035 1.0730.527 EL波0.3g2.9801.4300.4792.950 1.485 0.503 100EL波0.1g1.0400.5130.4931.047 0.5620.537 EL波0.2g2.0310.8990.4431.9601.0230.522EL波0.3g3.1541.3520.4292.9221.465 0.490 150EL波0.1g1.0650.5090.4771.036 0.5460.527 EL波0.2g1.9780.8020.4052.061 1.0290.499EL波0.3g3.1001.1120.3593.078 1.432 0.465

图8 减震系数随输入加速度峰值的变化Fig.8 Variation of isolation coefficient with input acceleration peak at different isolating cushion

设用以下函数表示减震系数与输入加速度幅值两者之间的关系

(2)

式中：aref为参考加速度，当输入加速度幅值达到参考加速度时，减震系数等于0.5；γ为衰减指数，γ越大，则减震系数衰减曲率越大，代表前期衰减迅速而后期衰减平缓。

用式(2)对本文试验所得的Ra～|ain|max关系进行拟合得到的平均衰减曲线如图9所示，得到相应的拟合参数为aref=1.43 m/s2，γ=0.25。由图可见，拟合曲线较好地描述了复合垫层的Ra随|ain|max衰减的规律。复合垫层的减震效应随着输入加速度幅值的增大而逐渐减小，当输入加速度幅值为2.0 m/s2(相当于8度设防的设计基本地震加速度)时，减震系数小于0.5，即可减震50%以上。

图10进一步给出了本试验加筋橡胶砂复合垫层与已有文献纯橡胶砂垫层的研究结果对比情况。由图可见：①将橡胶砂用于垫层隔震这一思路是可行的，相比于纯砂垫层，橡胶砂垫层具有更好的隔震效果，且两种隔震方式在参数变化规律性上具有一致性；②橡胶砂垫层在输入加速度较小时，减震系数相对较大，在输入加速度较大时(罕遇地震)才体现出理想的隔震效果，而加筋橡胶砂复合垫层在小震下仍可发挥较好的隔震效果；③加筋橡胶砂复合垫层改进了纯橡胶砂垫层竖向稳定性不足的缺点，提高了竖向模量和整体稳定性，使得该垫层的隔震效果整体优于纯橡胶砂垫层，为农村低层房屋的隔震提供了一种可行的方法。

图10 垫层隔震试验结果与文献对比Fig.10 Comparison of tested isolation effect between this study and reference

3 结 论

(1)加筋橡胶砂复合垫层具有良好的减震效果，厚度20 cm、橡胶质量配比30%的隔震垫层，在El Centro地震波作用下，其减震系数小于等于0.574，且减震系数随着输入加速度峰值的增大而减小，随着基底压力(上部结构质量配重)的增大而减小。

(2)砂粒径大的复合垫层隔震效果更好，减震系数受基底压力和输入加速度的影响更大，后续研究可基于大量试验得到一个最优的胶、砂粒径范围或它们的粒径之比。

(3)与已有研究的纯橡胶砂垫层对比发现，加筋橡胶砂复合垫层在输入加速度较小时仍可发挥较好的隔震效果，整体隔震性能优于纯橡胶砂垫层，可作为农村低层房屋隔震的一种可行方法。