砂-橡膠粒復(fù)合墊層抗剪性能研究

馮先超 孫建剛 崔利富 許啟鏗 呂遠(yuǎn)

（1.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南鄭州 450001 2.大連民族大學(xué)土木工程學(xué)院 遼寧大連 116650 3.大連海事大學(xué)道路與橋梁研究所 遼寧 大連 116026）

摩擦滑移隔震技術(shù)是在地基和基礎(chǔ)之間鋪設(shè)摩擦滑移隔震層，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)的變形由隔震層承擔(dān)，極大程度的減輕上部結(jié)構(gòu)受到的地震的危害。而砂墊層隔震技術(shù)則是摩擦滑移隔震中最常見(jiàn)的類型，采用砂墊層充當(dāng)摩擦材料作為滑動(dòng)層。砂墊層隔震原理主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①由于砂墊層抗剪剛度較小，與地震作用通過(guò)砂墊層向上部結(jié)構(gòu)傳遞受到阻礙，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，砂墊層較容易發(fā)生剪切或滑移，結(jié)構(gòu)的自振周期增大，更加遠(yuǎn)離場(chǎng)地的卓越周期；②在地震過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)相對(duì)于基礎(chǔ)可能做整體水平滑動(dòng)，在接觸面處發(fā)生相對(duì)摩擦，較好的消耗地震能量，起到很好的隔震減震效果。

早在1970年，我國(guó)李立教授便對(duì)砂墊層隔震做了全面的研究，包括理論和試驗(yàn)研究，后來(lái)李立自主主持設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)第一例運(yùn)用砂墊層隔震技術(shù)的隔震建筑。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞以下幾個(gè)方面對(duì)砂墊層隔震效果展開(kāi)研究：①砂的極配的影響；②砂墊層的厚度及含水率的影響；③砂墊層計(jì)算模型的分析[1]。2001年，趙少偉教授[2]作了不同顆粒極配下砂墊層的隔震試驗(yàn)，證明當(dāng)砂顆粒粒徑單一時(shí)隔震減震效果較好。2005年，竇遠(yuǎn)明教授[3]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明當(dāng)砂墊層密實(shí)度越小時(shí)，砂墊層隔震減震效果越好。2003年，劉稚媛[4]對(duì)砂墊層的減震性能進(jìn)行了研究，不僅進(jìn)行了理論上的分析計(jì)算，還進(jìn)行了室內(nèi)砂箱的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，證明了砂墊層的減震性能受多因素影響，包括砂墊層的剛度、厚度、輸入的地震波等。2013年，吳延輝[5]做了砂和橡膠顆粒復(fù)合隔震材料的直剪試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，證明了砂和橡膠粒復(fù)合隔震墊層在對(duì)上部結(jié)構(gòu)發(fā)揮隔震減震作用方面有很好的效果。2014年，施建波[6]對(duì)采用砂和橡膠粒復(fù)合墊層的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，證明了復(fù)合墊層厚度、橡膠粒所占比例以及石英砂的粒徑對(duì)上部結(jié)構(gòu)各層加速度的影響規(guī)律。2015年，王晴晴、鄭威等[7]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究建立在砂和橡膠粒隔震墊層上的簡(jiǎn)化模型的地震響應(yīng)，證明當(dāng)橡膠粒含量為45%時(shí)，上部結(jié)構(gòu)減震效果最好。

本文在總結(jié)前人研究進(jìn)展下，進(jìn)行了砂和橡膠粒復(fù)合材料的壓剪試驗(yàn)，得出影響復(fù)合墊層抗剪性能的因素，并且得出復(fù)合材料剪切過(guò)程中的等效剛度，得出應(yīng)用于隔震墊層的最優(yōu)配比。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)是在大連民族大學(xué)土木學(xué)院試驗(yàn)結(jié)構(gòu)大廳內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)主要使用的大型微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)是由濟(jì)南時(shí)代試金有限公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)研發(fā)的，該試驗(yàn)裝置主要構(gòu)成部分：微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)、專用F020測(cè)控軟件、水平剪切小車、三層剪切鐵箱，滾動(dòng)剪切鐵箱尺寸為790mm×790mm×120mm，所用材料為45號(hào)鋼，鋼板厚均為10mm，共三層；滾球裝置凹槽R=55mm，滾球r=10mm，滾動(dòng)裝置的存在能夠?yàn)樯?橡膠粒復(fù)合墊層剪切提供剪切面。

通過(guò)本次試驗(yàn)，旨在得出在不同豎向壓力時(shí)，由不同橡膠粒含量、不同粒徑砂組成的復(fù)合隔震墊層的抗剪強(qiáng)度和等效剛度。本試驗(yàn)所用砂根據(jù)粒徑分為細(xì)砂、中砂和粗砂，細(xì)砂粒徑為0.05～0.35mm，中砂粒徑為0.35～0.5mm，粗砂粒徑為0.5～2mm，橡膠粒由廢舊輪胎剪碎而成，粒徑為2～4mm。橡膠粒和砂按照體積比分別為0%、25%、50%、75%、100%配比而成，一共配比得到13種試樣。

試驗(yàn)過(guò)程中，每種試樣依次施加三種豎向壓應(yīng)力，分別為75437Pa、125663Pa、226111Pa，三種豎向壓應(yīng)力是依據(jù)15萬(wàn)方浮頂儲(chǔ)罐1/4罐、1/2罐和滿罐時(shí)儲(chǔ)罐的總質(zhì)量而定，共39種工況。

2 試驗(yàn)步驟

按照要求配比試樣，將配好的試樣放在實(shí)驗(yàn)室干燥36h；沿導(dǎo)軌拉出水平臺(tái)面，將配好的混合試樣裝入鐵箱內(nèi)，分層擊實(shí)；然后在上部放置3cm厚鋼板，用來(lái)施加均勻面荷載，鋼板上部放置橡膠墊，增大鋼板與上部?jī)x器摩擦力，以防剪切過(guò)程中發(fā)生滑動(dòng)，然后將臺(tái)面推到指定工作位置，準(zhǔn)備就緒；壓實(shí)混合材料。打開(kāi)微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)專用測(cè)控軟件，啟動(dòng)主油泵、副油泵、浮動(dòng)油泵，在專用測(cè)控軟件中輸入相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)動(dòng)剪切小車，上升臺(tái)面，使臺(tái)面脫離軌道，到合適位置，用螺栓將剪切小車與臺(tái)面連接起來(lái)。落下豎向加載頂板，通過(guò)鋼板施加在試樣上表面，保持豎向壓應(yīng)力為200kPa，觀察測(cè)控軟件顯示的垂向位移，當(dāng)垂向位移保持為恒定值時(shí)，表明材料已被壓實(shí)；調(diào)整為試驗(yàn)所需的豎向壓應(yīng)力，待測(cè)控軟件上顯示豎向位移穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始剪切；水平方向采用位移控制，剪切板以2mm/min的速度運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到裝置的最大位移45mm，然后以-2mm/min的速度卸載，直到軟件顯示水平力為0kN；拔掉剪切小車與剪切臺(tái)面之間的螺栓，降下臺(tái)面，退出小車。裝置上配置的測(cè)量傳感器負(fù)責(zé)感應(yīng)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)保存數(shù)據(jù)，得到裝置剪切過(guò)程的力和位移曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本文在總結(jié)前人研究進(jìn)展下，進(jìn)行了砂和橡膠粒復(fù)合材料的壓剪試驗(yàn)，得出影響復(fù)合墊層抗剪性能的因素，并且得出復(fù)合材料剪切過(guò)程中的等效剛度，得出應(yīng)用于隔震墊層的最優(yōu)配比。

根據(jù)試驗(yàn)，得出各試樣在不同豎向壓應(yīng)力作用下的水平力和位移曲線，得出砂顆粒的粒徑、橡膠粒的含量和豎向壓應(yīng)力對(duì)組合隔震裝置抗剪性能的影響規(guī)律，得出復(fù)合隔震層的抗剪強(qiáng)度和等效剛度。

（1）當(dāng)施加在橡膠粒-砂復(fù)合材料上方的豎向壓應(yīng)力越大時(shí)，砂-橡膠粒復(fù)合材料也就具有越強(qiáng)的抗剪性能；

（2）在相同的豎向壓應(yīng)力下，當(dāng)砂所占配比為75%時(shí)，混合材料的抗剪性能最強(qiáng)；而當(dāng)砂選用粗砂時(shí)，在相同的豎向壓應(yīng)力下，粗砂所占配比為100%時(shí)，復(fù)合材料的抗剪性能最強(qiáng)；

（3）橡膠粒的存在能夠有效降低砂墊層的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)橡膠粒所占比例越大時(shí)，復(fù)合墊層的抗剪強(qiáng)度越低。當(dāng)橡膠粒占比為100%時(shí)，復(fù)合墊層隔震效果最佳。橡膠粒占比為100%為隔震層復(fù)合材料最優(yōu)配比。

[1]DOUYuanming,LIUXiyuan，LIYanming，ShakingTableTestingofVibrationReductionofSandCushion[J].Beijing：安全與環(huán)境學(xué)報(bào)雜志社，2004：703.

[2]趙少偉，竇遠(yuǎn)明，郭蓉，蔡秀艷.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)，2005：96～97.

[3]竇遠(yuǎn)明，劉曉立，趙少偉，劉稚媛.砂墊層隔震性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005：56～59.

[4]劉稚媛.砂墊層減震性能研究[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2003.

[5]吳延輝.砂與橡膠粒復(fù)合隔震墊層分析研究[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2013.

[6]施建波.砂與橡膠粒隔震墊層的地震響應(yīng)分析[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2014.

[7]王晴晴，鄭威，施建波，李玉榮.砂與橡膠粒隔震墊層最優(yōu)配比的研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015：1～3.