SBS改性瀝青隔震支座性能及其應(yīng)用研究

付 杰， 熊世樹， 楊華榮

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 中信建筑設(shè)計研究總院， 湖北 武漢 430014)

隔震技術(shù)是一種經(jīng)濟有效的結(jié)構(gòu)抗震措施[1]，其概念最早由日本學(xué)者河合浩藏于1881年提出。20世紀60年代以后隔震技術(shù)在日本、美國和新西蘭等多個國家被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也取得了豐碩的成果[2]。實踐表明，基礎(chǔ)隔震具備幾個方面的優(yōu)勢：效果明顯、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、可降低建筑成本、修復(fù)方便。然而，以橡膠隔震支座為代表的隔震裝置由于價格等因素制約，較難在普通村鎮(zhèn)民居建筑中推廣使用?；谶@一考慮，本文提出在村鎮(zhèn)民居建筑底層設(shè)置SBS改性瀝青隔震支座(層)，以期能成為一種價格低廉、施工方便，有一定應(yīng)用價值的新型隔震裝置。

曹萬林[3]等學(xué)者已經(jīng)進行過村鎮(zhèn)民宅的隔震研究，其隔震層由“石墨-玻璃絲布板-石墨”復(fù)合而成；尚守平[4]等針對村鎮(zhèn)民宅也提出了“鋼筋-瀝青”復(fù)合隔震層的思路，其豎向力主要由鋼筋承擔。而SBS改性瀝青現(xiàn)在主要被應(yīng)用于防水和路面材料中[5，6]，尚未出現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隔震方面的研究，其本身具有一定的豎向承載能力，不需要另外設(shè)置鋼筋。本文通過實驗測定了SBS改性瀝青隔震支座的相關(guān)力學(xué)性能，并利用實驗結(jié)果對一棟實際村鎮(zhèn)民居建筑進行隔震設(shè)計和隔震效果分析，研究SBS改性瀝青隔震支座的隔震效果。

1 試驗研究對象

SBS改性瀝青是在瀝青中加入一定比例的SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性劑，利用其良好的物理性能對瀝青做改性處理。本文采用某SBS改性瀝青防水卷材，其胎基為聚酯氈，表面為聚乙烯膜。用SBS改性瀝青防水卷材制作成五種規(guī)格的隔震支座，隔震支座的具體規(guī)格如表1。

表1 隔震支座尺寸

2 隔震支座的性能試驗

2.1 豎向性能

選用編號為S240-5的隔震支座進行豎向加載，其力-位移曲線如圖1所示。

當荷載達到172.8 kN(3 MPa)時隔震支座無異常變化，并且當豎向荷載小于460.8 kN(8 MPa)時隔震支座依然處于彈性變化階段，大于該荷載時力-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。因此，可以認為8 MPa為該支座的極限壓應(yīng)力?？紤]到隔震支座在地震作用下發(fā)生的變形將使其有效承壓面積減小20%(若隔震支座厚度為20 mm，極限剪切變形為50 mm)，同時按樁基保留一倍的安全儲備考慮，本文認為SBS隔震支座的豎向設(shè)計壓應(yīng)力為2 MPa。

參照橡膠支座的豎向剛度測試方法[7]，以設(shè)計壓應(yīng)力(σ0=2 MPa)為中心在±30%之間循環(huán)加載5次，取第三次循環(huán)的讀數(shù)按公式(1)計算豎向剛度。

(1)

式中，KV為支座的豎向剛度；P1為1.3倍設(shè)計壓應(yīng)力對應(yīng)的豎向荷載；P2為0.7倍設(shè)計壓應(yīng)力對應(yīng)的豎向荷載；Δ1為豎向荷載等于P1時的豎向位移；Δ2為豎向荷載等于P2時的豎向位移。

每種型號的隔震支座各取三個樣本，分別編號1#～3#，豎向剛度的測試結(jié)果見表2。普通民宅高寬比較小，隔震支座不會出現(xiàn)受拉情況，故不考慮SBS隔震支座的豎向受拉性能。

表2 隔震支座豎向剛度和100%水平剪切性能

2.2 水平性能

在壓剪試驗機上測試隔震支座100%水平剪切性能，滯回曲線如圖2。

圖2 S240-5-1#隔震支座100%水平剪切滯回曲線

考慮到實際應(yīng)用中，隔震支座的最大水平滑移量為50 mm，因此進一步測試其250%的水平剪切性能，滯回曲線如圖3。從圖可見，SBS改性瀝青隔震支座的滯回曲線與鉛芯橡膠隔震支座的類似，水平性能參數(shù)見表2、表3。

圖3 S240-7-2#隔震支座250%水平剪切滯回曲線

樣本編號等效剛度(kN/mm)等效阻尼比屈服后剛度(kN/mm)屈服力(kN)240-3-1#1.1030.3280.7865.627240-3-2#0.8920.3820.55110.925240-3-3#0.8560.3610.4999.875240-5-1#0.3600.3930.18211.334240-5-2#0.4550.3850.22613.776240-5-3#0.3390.3800.17013.252240-7-1#0.3060.4280.12913.631240-7-2#0.2930.3990.13711.894240-7-3#0.2940.3970.13611.804300-5-1#0.5840.3870.29418.122300-5-2#0.5980.3800.29918.143300-5-3#0.5860.3870.29718.076370-5-1#0.8880.3650.44825.963370-5-2#0.8610.3730.44325.626370-5-3#0.8340.3750.43325.130

對比橡膠隔震支座，SBS改性瀝青隔震支座層間約束更小，水平性能試驗過程中試件發(fā)生履帶式的整體滾動，這種變形形式使支座有效承壓面積減小得不多，比純剪切變形更利于支座的承載力和穩(wěn)定性。另外，多次循環(huán)加載結(jié)束后，由于隔震支座溫度升高，支座出現(xiàn)部分軟化，SBS卷材中間的瀝青有部分被擠出現(xiàn)象，卷材配方和結(jié)構(gòu)形式需要進行一定的改進。

圖4為50次循環(huán)加載試驗的滯回曲線，其形狀穩(wěn)定，說明支座在加載過程中發(fā)生的上述變化對其耗能性能基本無影響。

圖4 S240-3-1#隔震支座疲勞試驗滯回曲線

綜上所述，SBS改性瀝青隔震支座豎向極限承載力為2 MPa，水平滯回曲線飽滿，耗能能力強，其性能與鉛芯橡膠隔震支座類似，在進行數(shù)值分析時可以選取橡膠隔震支座對應(yīng)的單元模型。

3 隔震效果的數(shù)值分析

隔震分析對象為某三層村鎮(zhèn)住宅，抗震設(shè)防烈度為7度，Ⅱ類場地；該建筑為砌體結(jié)構(gòu)，采用MU10磚和M7.5砂漿砌筑，構(gòu)造柱及圈梁采用C20混凝土。隔震分析采用ETABS軟件，住宅的結(jié)構(gòu)模型如圖5。隔震支座布置方式如圖6。隔震支座選用Link1單元中的isolator1進行模擬，參數(shù)取上文試驗結(jié)果的平均值。按GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求選取三條地震波(El-Centro波、TAR-TARZANA-00-w波和人工波)進行驗算。

圖5 結(jié)構(gòu)模型

圖6 隔震支座布置

首先，對比隔震前后的結(jié)構(gòu)自振周期，見表4。結(jié)構(gòu)的前三階自振周期都有顯著延長，這初步表明了該隔震支座的效果。

表4 隔震前后結(jié)構(gòu)的自振周期 s

然后，在設(shè)防地震(峰值加速度1.0 m/s2)作用下對結(jié)構(gòu)進行時程分析驗算，橫向和縱向的層間剪力值見表5。減震系數(shù)最小值為0.35，最大值為0.98，說明該隔震支座在設(shè)防烈度地震作用下效果并不明顯,上部結(jié)構(gòu)仍然需要按當?shù)氐脑O(shè)防烈度進行設(shè)計。

最后，進行罕遇地震(峰值加速度2.2 m/s2)作用下的反應(yīng)分析。層間剪力見表6，剪力比最大值為0.84，最小值為0.38。相對多遇地震而言，罕遇地震作用下的減震效果有明顯提高。

另外，罕遇地震作用下位移響應(yīng)見表7，層間位移角最大值為0.26‰，小于使用階段層間位移角的極限值1‰，說明罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)依然處于彈性變形階段。同時，隔震支座的最大變形值為33 mm，考慮偶然偏心扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響，邊支座位移增大15%后為38 mm，小于隔震支座的允許位移50 mm。

表5 多遇地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力

表6 罕遇地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)橫向?qū)娱g剪力

在豎向承載力方面，分析結(jié)果顯示隔震支座豎向壓應(yīng)力最大、最小值分別為1.97 MPa和0.69 MPa，平均值為1.33 MPa，滿足隔震支座設(shè)計承載力(2 MPa)。同時，結(jié)構(gòu)水平方向風(fēng)荷載的標準值為112 kN，小于隔震層屈服力431 kN；彈性恢復(fù)力為684 kN，大于1.4倍的風(fēng)荷載標準值157 kN，說明隔震層的抗風(fēng)性能以及彈性恢復(fù)力均滿足要求。

表7 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的位移 mm

4 結(jié) 語

本文提出的SBS改性瀝青隔震支座具備一定的豎向承載能力，且水平滯回曲線飽滿。通過數(shù)值分析得知雖然在多遇地震作用下其隔震效果并不十分理想，但能顯著提高結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，結(jié)合其低廉的造價與方便的施工，該技術(shù)值得推廣應(yīng)用。

當然，SBS改性瀝青隔震支座在長期受壓情況下的耐久性還需要得到進一步的研究，隔震支座的實際效果也要通過振動臺實驗給予充分的說明，針對隔震的特殊需求優(yōu)化SBS改性瀝青的性能(如提高豎向極限承載力)也值得深入探討。本課題組正在進行相關(guān)的研究，將另行撰文說明情況。

[1] 黨 育,杜永峰,畢長松. 隔震建筑的經(jīng)濟性分析[J]. 工程抗震與加固改造, 2006, 28(4):37-40.

[2] 周錫元. 中國建筑結(jié)構(gòu)抗震研究和實踐六十年[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2009, 39(9):1-14.

[3] 曹萬林,周中一,王 卿,等. 農(nóng)村房屋新型隔震與抗震砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(11): 209-213.

[4] 尚守平,周志錦,劉 可,等. 一種鋼筋-瀝青復(fù)合隔震層的性能[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2009, 6(3):13-16.

[5] Xiang L，Tu J，Cheng J，et al. Outdoor aging of road asphalt and sbs modified asphalt[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering，2011，5(1)：35-42.

[6] Kang H W，Tan X Z，Ji X P. Aging equation of sbs modified asphalt and its application[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2011，33(5)：95-99.

[7] JG 118-2000，建筑隔震橡膠支座[S].