橡胶砂垫层隔震效应振动台试验研究

郑森，陈浅然，刘华恩，李亚东

（广州大学土木工程学院广州510006）

0 引言

据“中国地震灾害信息系统”调查，地震发生时，受灾严重区主要是农村偏远地区。农村地区经济发展相对落后，在房屋建设时多未参照规范，对结构抗震考虑较少，因而进一步研究经济有效的隔震方法很有必要。砂与橡胶粒按一定比例混合的材料（橡胶砂），是一种新型且经济的隔震材料。其取材方便、施工简单，且具有动剪切模量低、阻尼比大等特性［1，2］。目前，国内外不少学者均开展了关于应用橡胶砂隔震技术的研究。Tsang 等人［3，4］对橡胶砂置换层进行数值模拟，得出橡胶砂对水平和竖向地震作用均有较好的隔震效果。岁小溪［5］利用振动台试验研究了橡胶颗粒含量和垫层厚度等，对橡胶砂垫层的隔震效果的影响，得出橡胶颗粒体积配合比应控制在35%左右。刘方成等人［6，7］提出改进的橡胶砂垫层：土工格室加筋与土工袋加筋橡胶砂垫层，并借助振动台试验研究了垫层厚度、有无加筋及铺设方式等对垫层隔震效果的影响。黄小霞［8］利用橡胶砂隔震振动台试验，发现砂和橡胶粒在1～1.5的粒径比内隔震效果较好。

本文以橡胶颗粒体积含量为30%的橡胶砂隔震垫层为研究对象，设计并制作了1∶10缩尺比例的框架模型，开展了自由场和橡胶砂隔震振动台试验。通过对比分析地基土与结构的加速度反应和结构沉降，对橡胶砂垫层的隔震效果进行了探讨。

1 试验装置

1.1 层状剪切箱

本试验在广州大学工程抗震研究中心的MTS振动台上进行。台面尺寸为3 000 mm×3 000 mm，最大负荷25 t，最大水平和竖向加速度分别为1g、2g。在土-结构作用振动台试验中，选择边界模拟效果良好的模型箱至关重要。本试验采用层状剪切箱，如图1a所示。模型箱尺寸为1 505 mm×2 000 mm（高度×内径），底板尺寸为3 000 mm×3 000 mm×30 mm。模型箱由12层环形钢框架堆叠形成，相邻框架通过螺杆连接，相邻框架接触面焊接具圆形凹槽的钢垫板，内置滚珠实现框架间的水平运动。借助ABAQUS 对剪切箱进行振型分析，如图1b所示。采用壳单元S4R、线性梁单元B31和三维实体单元C3D8R 分别模拟钢框架、螺杆和底板。框架与螺杆、最底层框架与底板均采用绑定连接，相邻框架间为面面接触。提取模型前10阶频率，得到剪切箱的基频X、Y向分别为3.87 Hz、3.79 Hz。

1.2 试验材料

试验中橡胶砂垫层由砂和橡胶颗粒混合而成，其中砂为广州河砂，橡胶颗粒为废弃轮胎经机械破碎得到。2种材料的级配曲线如图2所示，物理参数如表1所示。本试验将橡胶砂按体积进行配比，其中橡胶颗粒含量为30%。在自由场振动台试验中，将纯砂逐层倒入压实，使其达到一致的密实度。在橡胶砂隔震振动台试验中，将土体与上部结构接触处的地基（尺寸为800 mm×800 mm×200 mm），置换为橡胶砂混合物，并振密压实。

图1 层状剪切箱Fig.1 Laminar Shear Container

图2 砂和橡胶颗粒的级配曲线Fig.2 The Particle Size Distribution of Sand and Granulated Rubber

表1 试验用砂和橡胶颗粒的物理特性Tab.1 Physical Properties of Tested Sand and Rubber Particles

1.3 上部结构

试验以某农村3 层框架结构为研究对象，试验前对原型结构进行缩尺。本文将几何相似比n、密度相似比np和剪切波速相似比ne作为基本量纲，根据相似原理［9，10］推导出其他相似条件。综合考虑振动台及剪切箱的规格，确定上部结构的几何相似比n=1/10，试验中采用与原型相同的砂，即np=1，故根据文献［9］，得到ne=n0.5。基于上述相似比，推导出其他相似条件。利用ABAQUS 对上部结构进行设计。假设结构各层平面刚度无限大，将模型进行简化，采用钢板和钢筋分别代替楼板和柱，不考虑设置梁。控制缩尺模型频率与原型农村房屋的频率一致，确定模型为3层，层高0.3 m，首层楼板尺寸为600 mm×500 mm×12 mm，其余层楼板尺寸为 500 mm×400 mm×6 mm，柱直径 D=6 mm，柱长L=300 mm，上部结构如图3 所示。考虑到各类荷载因素，增设250 kg 配重块，经计算得上部结构加配重块产生的基底平均压力为10 kPa。

图3 实验装置Fig.3 Test Equipment

2 试验加载概况

2.1 试验工况

本试验分3个阶段进行，每个阶段包含5个工况，如表2所示。阶段1是自由场试验，用来研究模型箱的边界效应，验证其是否会对试验产生干扰。阶段2、阶段3分别是无橡胶砂垫层和有橡胶砂垫层的模型试验，用来研究橡胶砂垫层的隔震效果。选择加速度分别为0.1g、0.2g和0.4g的El Centro波作为输入波，输入El Centro波前后，均进行白噪声扫频，测量模型系统的频率。

表2 试验工况Tab.2 Test Cases

2.2 传感器布置

在振动台试验中采用了4381V 型传感器记录加速度，24M-W100 激光位移传感器检测结构沉降。阶段2和阶段3传感器布置相同，故只给出了阶段1和阶段3 的布置图（见图4、图5）。字母A 和D 分别代表加速度计和位移计，数字代表传感器编号。

3 自由场试验结果

经白噪声扫频得到箱内土体的基频为X向8.62 Hz，Y 向为9.06 Hz。根据上文空箱的基频得知，模型箱基频远低于箱内土的基频，其不会对箱内土体的地震反应产生不良影响，模型箱的自振频率满足试验要求。

图4 自由场试验的传感器布置Fig.4 Instrumentation Layouts for Free-field Test

图5 模型试验的传感器布置Fig.5 Instrumentation Layouts for Model Test

通过比较等高度处模型土从中心测点到箱边界处测点的地震动特性，来评估剪切箱的边界效应。图6 为Y 向输入加速度为 0.4g 的 El Centro 波时，在相同高度处距箱壁不同位置处测点的加速度时程及其反应谱，为显示清晰，只取了5～6 s 内的时程图。分析发现，同高度处测点的加速度时程及反应谱重合得很好，只有A9 的反应谱值在低周期处略高于同高度处其余测点。已知A9 位于箱壁附近，其幅值增大可以归因为：箱壁附近存在的土体压实不均，和砂与箱壁接触处产生的反射波干扰。总体来看，同高度处测点的加速度时程和反应谱重合得非常好，这说明试验使用的模型箱能够很好地解决平面内的边界效应问题，对后面的橡胶砂隔震试验无干扰。

图6 Y向输入PGA为0.4g的压缩El Centro波时测点的加速度时程及其反应谱Fig.6 Acceleration Time-history and Their Response Spectra at Observation Points under Scaled El Centro Earthquake with 0.4g of PGA in Y-direction

4 模型试验结果

4.1 加速度时程

本文仅对输入峰值加速度为0.2g 和0.4g 的El Centro 波工况进行分析。图7 分别比较了2 种工况下有无RSM 垫层时的加速度时程曲线。在对比试验的基底输入波幅值控制一致的前提下，得到：①输入峰值加速度为0.2g 和0.4g 时，有RSM 垫层情况下，结构底板下方的地基土测点（A4）幅值小于无RSM 垫层的情况；②输入2 种幅值加速度工况时，有RSM 垫层的情况下，结构首层及顶层（A7和A12）的加速度幅值均小于无RSM 垫层的情况；③有RSM 垫层的情况下，输入幅值加速度为0.4g 时，上部结构加速度的减小程度要大于输入0.2g时。

图7 输入压缩的El Centro波时，有RSM垫层和无RSM隔震层加速度对比Fig.7 Comparison of Acceleration Time Histories with/out RSM Isolation Cushion under Scaled El Centro Earthquake

4.2 沉降

图8给出了输入幅值为0.2g和0.4g的El Centro波时，有无RSM 垫层情况下的结构底板D1 的沉降。由图8a 可知，输入幅值为0.2g 时，无RSM 垫层时结构的沉降量为0.3 mm，有垫层时为0.9 mm；由图8b可知，输入幅值为0.4g，无RSM 垫层时结构沉降量为1.8 mm，有垫层时为3.9 mm。由此可知，结构的沉降量随输入加速度幅值的增加而增加，且有RSM垫层的情况下要大于无RSM垫层的情况。

图8 结构的沉降Fig.8 The Settlement of Structure

5 结论

本文在总结国内外橡胶砂隔震研究的基础上，开展了自由场地振动台试验和橡胶砂隔震垫层的对比振动台试验，得到如下结论：

⑴ 采用的层状剪切箱较好地解决了平面内的边界效应问题，能较理想地模拟真实场地在平面内的边界条件。

⑵ RSM垫层具有较好的隔震效果。有RSM垫层时，地基土和结构的加速度幅值均小于无RSM垫层时，且其隔震效果随着输入加速度幅值的增加而增加。

⑶ 有RSM 垫层的情况下，结构的沉降要大于无RSM垫层的情况。