砂與橡膠粒隔震墊層最優(yōu)配比的研究

王晴晴，鄭 威，施建波，李玉榮

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

基礎(chǔ)滑移隔震是指在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置一個隔震層，使結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時相對于基礎(chǔ)作整體的水平滑動，通過相對滑動和摩擦耗能，有效的限制了能量向上部傳遞和向下部反饋，減小了建筑物的地震反應(yīng)。

砂具有價格低廉、取材廣泛的特點，是目前國內(nèi)經(jīng)常采用的一種滑移隔震材料。近年來，砂墊層隔震法得到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注與研究。文獻［1］通過砂墊層隔震性能的振動臺試驗研究，證實隨著砂墊層密實度的增加，減振效果有所減小。輸入El－Centro 波時，砂墊層厚度增加，減振效果增強;輸入正弦波時，厚度對減振效果影響不大。文獻［2］也在振動臺試驗研究中發(fā)現(xiàn)，單一粒徑的隔震效果相對連續(xù)級配的要好，無論何種粒徑，隨著厚度的增加，減振率有所增加。但采用砂墊層后，建筑物的地震反應(yīng)并不能消除，只是減小或不放大，仍對建筑物產(chǎn)生影響，且砂墊層沒有復(fù)位功能，地震后殘余位移量較大。

由于橡膠具有較好的彈性性能和抗疲勞性能，與純砂墊層相比，橡膠粒的加入能夠進一步改良砂墊層的隔震性能，使隔震墊層在地震時很快的進入工作狀態(tài)。橡膠粒的彈性變形能力強，外力移除時能恢復(fù)變形。在此基礎(chǔ)上，文獻［3］提出將橡膠粒作為一種隔震材料，并對橡膠顆粒－砂混合物的動剪切模量進行了試驗，研究表明橡膠顆粒的存在可以有效地降低橡膠顆粒－砂混合物的動剪模量。文獻［4］通過振動臺試驗對砂與橡膠粒隔震層的隔震性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)粒徑大的石英砂，其混合墊層隔震效果較好。本文作者通過振動臺試驗，對在不同橡膠顆粒含量下的混合墊層的隔振減震性能進行研究，為砂與橡膠顆粒混合墊層的實際推廣應(yīng)用提供一些參考。

1 振動臺試驗

1.1 試驗材料

本試驗研究對象為砂與橡膠顆?；旌蠅|層，其中砂為普通石英砂，粒徑為6 mm;橡膠顆粒是通過各種廢舊橡膠原料加工生產(chǎn)而來，粒徑為2～4 mm。砂和橡膠粒按照一定的體積進行混合，材料體積用量筒測量。

隔震墊層底座采用砂箱模擬。砂箱共兩個，尺寸均為700mm×200mm×150mm，由2mm 厚的鋼板軋制而成，砂箱底部預(yù)留孔徑為15 mm 的螺孔，用螺栓與振動臺進行連接，將砂箱固定在振動臺上。

試驗所用簡化模型以農(nóng)村自建的二層單跨混凝土框架結(jié)構(gòu)為原型，結(jié)構(gòu)層數(shù)為2 層，層高為0.2 m，樓板平面尺寸0.3m ×0.2m，高寬比為2。假設(shè)結(jié)構(gòu)各層平面剛度無限大，用5 mm 厚的鋼板代替結(jié)構(gòu)各層的樓板，不考慮梁的設(shè)置，用螺栓半剛性連接。結(jié)構(gòu)底層用兩塊不相連的鋼板代替，尺寸均為0.2m×0.1m。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要有振動臺、加速度傳感器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀。振動臺為杭州邦威儀器廠的ES－E20 單自由度電動伺服振動臺，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗使用北京波普公司的BZ1110 壓電式傳感器，主要參數(shù)如表2所示。

表1 振動臺主要技術(shù)參數(shù)

表2 壓電式傳感器主要參數(shù)

動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀為北京波普公司的WS－5923型綜合數(shù)據(jù)采集儀，將采集到的各通道試驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿B接的計算機內(nèi)，提供加速度波形圖。

試驗時在結(jié)構(gòu)各層中央位置分別放置加速度傳感器，測定經(jīng)過砂與橡膠粒混合隔震墊層后的加速度時程。振動臺試驗準(zhǔn)備情況如圖1所示。

1.3 試驗方案

試驗中砂與橡膠顆?；旌蠅|層厚度為6 mm，具體試驗加載工況:在橡膠顆粒含量分別為0%、30%、35%、40%、45%、50% 條件下，輸入正弦波過濾將墊層振密，然后輸入EI－Centro 波進行加載試驗。輸入EI－Centro 波最大加速度為220 gal，持續(xù)時間為20 s，積分后的最大位移滿足振動臺最大位移的要求。試驗系統(tǒng)經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，正式進行振動臺試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

本次試驗是不同橡膠粒含量條件下的振動臺試驗，將采集到的試驗數(shù)據(jù)進行過濾，提取最大加速度值作分析對象，結(jié)構(gòu)各層的加速度反應(yīng)情況如圖2所示。

從圖2 中可以看出，砂與橡膠粒混合墊層相比，純砂墊層的結(jié)構(gòu)最大加速度反應(yīng)值要小，說明橡膠顆粒的摻入可以有效地增加結(jié)構(gòu)的減震隔震效果。隨著墊層中橡膠顆粒體積含量的增大，結(jié)構(gòu)各層的最大加速度反應(yīng)值均逐漸減小，減震效果較為明顯。

對結(jié)構(gòu)一層樓板的減震率進行分析，其在不同橡膠粒含量下的變化情況如圖3所示，減震率公式:減震率=，其中S0為純砂墊層的輸出加速度，S1為砂與橡膠?；旌细粽饓|層的輸出加速度。

由圖3 可知，結(jié)構(gòu)減震率總體上呈上升趨勢，當(dāng)橡膠顆粒體積含量從40%增加到45%時，結(jié)構(gòu)減震率上升較快，結(jié)構(gòu)的隔震效果增加明顯。當(dāng)橡膠顆粒含量從45%增加到50%，結(jié)構(gòu)減震率呈現(xiàn)反向下降趨勢，表明當(dāng)橡膠顆粒體積含量小于50%時，45%的橡膠顆粒體積含量配比為最優(yōu)，混合墊層的隔震效果最佳。

3 結(jié)論

1)砂與橡膠?；旌细粽饓|層能夠減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度反應(yīng)。

2)隨著混合墊層中橡膠顆粒體積含量的增加，結(jié)構(gòu)各層的最大加速度值呈減小趨勢，砂與橡膠顆?；旌蠅|層的隔震效果逐漸增大。

3)當(dāng)橡膠顆粒體積含量從0%增加到45%時，結(jié)構(gòu)減震率逐漸增大，當(dāng)橡膠顆粒含量從45%增加到50%時，結(jié)構(gòu)減震率呈現(xiàn)反向下降趨勢，表明當(dāng)橡膠顆粒體積含量小于50%時，45%的橡膠顆粒體積含量配比為最優(yōu)，砂與橡膠?；旌蠅|層的隔震效果最佳。

［1］竇遠明，劉曉立，趙少偉，等.砂墊層隔震性能的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，26(1):125－128.

［2］趙少偉，竇明遠，郭蓉，等.基礎(chǔ)下砂墊層隔震性能振動臺試驗研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(3):92－97.

［3］尚守平，歲小溪，周志錦，等.橡膠顆粒－砂混合物剪切模量的試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(2):377－381.

［4］施建波，王晴晴，王夢圓，等.砂與橡膠粒隔震墊層的地震響應(yīng)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(6):90－92.