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

摘要：通過振動(dòng)臺(tái)地震模擬試驗(yàn)，以砂與橡膠顆粒混合墊層為研究對(duì)象，分析二層簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)在不同橡膠顆粒含量下的隔震性能，研究了橡膠粒含量對(duì)減震率的影響。結(jié)果表明：隨著橡膠顆粒含量的增加，結(jié)構(gòu)各層的最大加速度呈減小趨勢(shì)；當(dāng)橡膠顆粒體積含量小于50%時(shí)，45%的橡膠顆粒體積含量配比為最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：減震；滑移隔震；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2015）01-0016-03

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(gè)隔震層，使結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震時(shí)相對(duì)于基礎(chǔ)作整體的水平滑動(dòng)，通過相對(duì)滑動(dòng)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(jià)格低廉、 取材廣泛的特點(diǎn)， 是目前國(guó)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(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注與研究。 文獻(xiàn)[1]通過砂墊層隔震性能的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，證實(shí)隨著砂墊層密實(shí)度的增加，減振效果有所減小。輸入El-Centro波時(shí)，砂墊層厚度增加，減振效果增強(qiáng)；輸入正弦波時(shí)，厚度對(duì)減振效果影響不大。文獻(xiàn)[2]也在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，單一粒徑的隔震效果相對(duì)連續(xù)級(jí)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(duì)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(jìn)一步改良砂墊層的隔震性能，使隔震墊層在地震時(shí)很快的進(jìn)入工作狀態(tài)。橡膠粒的彈性變形能力強(qiáng)，外力移除時(shí)能恢復(fù)變形。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3]提出將橡膠粒作為一種隔震材料，并對(duì)橡膠顆粒-砂混合物的動(dòng)剪切模量進(jìn)行了試驗(yàn)，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(dòng)剪模量。文獻(xiàn)[4]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)砂與橡膠粒隔震層的隔震性能進(jìn)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)在不同橡膠顆粒含量下的混合墊層的隔振減震性能進(jìn)行研究，為砂與橡膠顆粒混合墊層的實(shí)際推廣應(yīng)用提供一些參考。

1振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

11試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)研究對(duì)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(jìn)行混合，材料體積用量筒測(cè)量。

隔震墊層底座采用砂箱模擬。砂箱共兩個(gè)，尺寸均為700 mm×200 mm×150 mm，由2 mm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(dòng)臺(tái)進(jìn)行連接，將砂箱固定在振動(dòng)臺(tái)上。

試驗(yàn)所用簡(jiǎn)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02 m，樓板平面尺寸03m×02m，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02m×01m。

12試驗(yàn)設(shè)備

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

試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

臺(tái)面尺寸/m最大載荷重量/kg工作頻率/Hz最大激振力/kN最大加速度/g振幅/mm

0.8×0.62000.01～50170.4100

表2壓電式傳感器主要參數(shù)

靈敏度/（pC·ms2）頻響/kHz質(zhì)量/g諧振頻率/kHz測(cè)量精度/%特性

500.2～1.55353 3單向測(cè)振

動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿B接的計(jì)算機(jī)內(nèi)，提供加速度波形圖。

試驗(yàn)時(shí)在結(jié)構(gòu)各層中央位置分別放置加速度傳感器，測(cè)定經(jīng)過砂與橡膠?；旌细粽饓|層后的加速度時(shí)程。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)準(zhǔn)備情況如圖1所示。

（a）試驗(yàn)?zāi)Ｐ?（b）試驗(yàn)裝置

圖1振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)準(zhǔn)備

13試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中砂與橡膠顆?；旌蠅|層厚度為6 mm，具體試驗(yàn)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(jìn)行加載試驗(yàn)。輸入EI-Centro波最大加速度為220 gal，持續(xù)時(shí)間為20 s，積分后的最大位移滿足振動(dòng)臺(tái)最大位移的要求。試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，正式進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)是不同橡膠粒含量條件下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，提取最大加速度值作分析對(duì)象，結(jié)構(gòu)各層的加速度反應(yīng)情況如圖2所示。

橡膠顆粒含量/%

1.二層樓板加速度反應(yīng)；2.底層樓板加速度反應(yīng)；3.一層樓板加速度反應(yīng)

圖2結(jié)構(gòu)各層樓板加速度反應(yīng)

從圖2中可以看出，砂與橡膠?；旌蠅|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(duì)結(jié)構(gòu)一層樓板的減震率進(jìn)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= S0-S1S0×100%，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。

橡膠顆粒含量/%

圖3不同橡膠顆粒含量下的減震率

由圖3可知，結(jié)構(gòu)減震率總體上呈上升趨勢(shì)，當(dāng)橡膠顆粒體積含量從40%增加到45%時(shí)，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(shì)，表明當(dāng)橡膠顆粒體積含量小于50%時(shí)，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） 砂與橡膠粒混合隔震墊層能夠減少結(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(shì)，砂與橡膠顆粒混合墊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(shí)，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(shí)，結(jié)構(gòu)減震率呈現(xiàn)反向下降趨勢(shì)，表明當(dāng)橡膠顆粒體積含量小于50%時(shí)，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。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]趙少偉，竇明遠(yuǎn)，郭蓉，等.基礎(chǔ)下砂墊層隔震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（2）：377-381.

[4]施建波，王晴晴，王夢(mèng)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.

（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）endprint