鋼隔震墩框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

尚守平，羅惟賢，王振，肖逸夫

鋼隔震墩框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

尚守平，羅惟賢，王振，肖逸夫

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

針對(duì)廣大村鎮(zhèn)地區(qū)多層框架房屋抗震需求的現(xiàn)狀，根據(jù)隔震理論，提出一種新型鋼隔震墩。以2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用新型鋼隔震墩作為框架結(jié)構(gòu)隔震裝置，進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面及各層樓板布置拾振器測(cè)得各部分加速度及位移時(shí)程關(guān)系，分析上部框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及隔震墩的隔震性能。研究結(jié)果表明：在不同加速度峰值的地震波輸入下，框架一層底板輸出的加速度峰值較臺(tái)面輸入加速度峰值降低約50%~75%，2層頂板與1層底板的相對(duì)位移最大值為0.90 mm。向鋼隔震墩內(nèi)灌注瀝青油膏后，上部框架層間位移進(jìn)一步減小。鋼隔震墩用于框架結(jié)構(gòu)時(shí)隔震效果顯著。

鋼筋混凝土框架；鋼隔震墩；地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；隔震效果

基礎(chǔ)隔震是在基礎(chǔ)上部與結(jié)構(gòu)底部之間設(shè)置隔震裝置，使結(jié)構(gòu)自振周期增大，隔離地基向上部結(jié)構(gòu)的地震能量的傳輸，從而降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)安全的目的[1?4]。20世紀(jì)70年代Robinson等[5]針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力不足的問(wèn)題，根據(jù)基礎(chǔ)隔震理論，發(fā)明鉛芯橡膠隔震支座。唐家祥 等[6]針對(duì)黏結(jié)型疊層橡膠隔震支座工藝復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)工藝較為簡(jiǎn)單的無(wú)黏結(jié)型疊層橡膠隔震支座進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)研究，證明了其合理性。周錫元等[7]針對(duì)橡膠支座發(fā)生大變形失穩(wěn)破壞的問(wèn)題，發(fā)展了滑動(dòng)橡膠隔震體系。張文芳等[8]為探究基礎(chǔ)滑移體系隔震效果，對(duì)采用滑動(dòng)橡膠支座隔震磚房進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，證明了基礎(chǔ)滑移體系具有良好隔震效果。Ceccoli等[9]對(duì)高阻尼橡膠隔震支座框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，證明了高阻尼橡膠隔震支座適用于框架結(jié)構(gòu)。從當(dāng)前理論及運(yùn)用情況分 析[10]，疊層橡膠隔震支座作為基礎(chǔ)隔震體系運(yùn)用最為廣泛，但其較為高昂的造價(jià)不適宜于在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的大量推廣。尚守平等[11?12]針對(duì)此不足，提出了一種適用于農(nóng)村低層房屋的鋼筋?瀝青隔震層技術(shù)，進(jìn)行足尺隔震砌體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[13]，并已成功運(yùn)用于實(shí)際工程[14]。為將此技術(shù)運(yùn)用于框架結(jié)構(gòu)[15]。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出一種適用于框架結(jié)構(gòu)隔震的新型鋼隔震墩。在振動(dòng)臺(tái)面和上部框架柱底部之間設(shè)置此鋼隔震墩作為基礎(chǔ)隔震層，并制作2層單開(kāi)間鋼筋混凝土框架模型，框架的底層地面標(biāo)高制作1層樓板，按照幾何尺寸1:2進(jìn)行縮尺，進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過(guò)地震模擬振動(dòng)臺(tái)輸入不同工況地震波，分析各層樓板輸出加速度峰值與位移峰值，了解鋼隔震墩運(yùn)用于框架的隔震效果。向隔震墩中灌入瀝青油膏[16]，對(duì)比分析有無(wú)瀝青油膏時(shí)上部框架位移反應(yīng)，了解瀝青油膏的阻尼及對(duì)上部框架的限位作用。

1 鋼隔震墩構(gòu)造及隔震機(jī)理

鋼隔震墩骨架由上下鋼板，隔震豎向鋼筋通過(guò)榫錨焊接構(gòu)成，設(shè)置于框架柱底部與基礎(chǔ)之間，隔震豎向鋼筋是鋼隔震墩的主要受力部件，其豎向剛度遠(yuǎn)大于水平剛度。利用此特點(diǎn)制成豎向承載力大且水平剛度小的鋼隔震墩，作為框架結(jié)構(gòu)隔震裝置，使結(jié)構(gòu)的自振周期增大，減小上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在鋼隔震墩四周捆綁木模板，灌注瀝青油膏，起到防止隔震豎向鋼筋生銹及提供一定阻尼的作用。鋼隔震墩構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 鋼隔震墩構(gòu)造圖

2 隔震墩設(shè)計(jì)理論

2.1 第1類穩(wěn)定設(shè)計(jì)

不發(fā)生地震時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)僅承受豎向重力荷載，隔震鋼筋可簡(jiǎn)化為軸心受壓的構(gòu)件計(jì)算，由靜力壓桿穩(wěn)定歐拉公式，其臨界失穩(wěn)荷載計(jì)算如式(1)所示[13]。

式中：為隔震豎向鋼筋彈性模量；為鋼筋截面慣性矩；為隔震墩隔震豎向鋼筋有效高度；為單根鋼筋所承受上部重力荷載設(shè)計(jì)值作用下的豎向力；為計(jì)算單元上結(jié)構(gòu)重力荷載設(shè)計(jì)值；為計(jì)算單元內(nèi)隔震豎向鋼筋根數(shù)。

由式(1)，(2)和(3)可確定隔震墩在重力荷載作用下所需最少隔震豎向鋼筋數(shù)量為

式中：為計(jì)算單元內(nèi)隔震豎向鋼筋直徑。

2.2 第2類穩(wěn)定設(shè)計(jì)

發(fā)生地震時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)將承受豎向重力作用與水平地震作用的共同作用，此時(shí)的荷載情況為偶然荷載作用情況，采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值與材料標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行驗(yàn)算。

隔震墩隔震豎向鋼筋在豎向荷載與水平地震作用共同作用時(shí)，隔震豎向鋼筋彈塑性穩(wěn)定應(yīng)滿足如下表達(dá)式，已編入《多層房屋鋼筋瀝青基礎(chǔ)隔震技術(shù)規(guī)程》[17]修訂版：

式中：P為上部結(jié)構(gòu)重力荷載代表值；f為豎向隔震鋼筋抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；為隔震結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)；和為穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)，按表1取用。

表1 計(jì)算參數(shù)表

注：括號(hào)數(shù)值分別用于設(shè)計(jì)基本加速度為0.15和0.30的地區(qū)。

最終隔震豎向鋼筋數(shù)量按彈性穩(wěn)定計(jì)算的鋼筋根數(shù)和彈塑性穩(wěn)定驗(yàn)算式(5)算出的鋼筋數(shù)量，取二者較大值采用。

3 隔震框架地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

3.1 振動(dòng)臺(tái)及隔震墩參數(shù)

本試驗(yàn)在山東建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，振動(dòng)臺(tái)具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 振動(dòng)臺(tái)參數(shù)表

鋼隔震墩上下鋼板長(zhǎng)度及寬度應(yīng)略小于框架柱長(zhǎng)及柱寬，使隔震豎向鋼筋全部位于框架柱之下，保證每根鋼筋受力均勻。為保證隔震豎向鋼筋與鋼板可靠連接，其每端榫錨焊接長(zhǎng)度不應(yīng)小于20 mm，鋼板厚度應(yīng)不小于30 mm。本試驗(yàn)中隔震墩采用尺寸為180 mm×180 mm×30 mm的上下鋼板。按設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類設(shè)計(jì)，隔震豎向鋼筋根數(shù)由第2部分計(jì)算得出，本試驗(yàn)共采用32根HRB400級(jí)鋼筋作為隔震豎向鋼筋，鋼筋標(biāo)稱直徑10 mm，每根鋼筋在上下鋼板間的凈長(zhǎng)度300 mm，通過(guò)榫錨焊接與上下鋼板連接。4個(gè)框架柱底部各布置1個(gè)隔震墩，每個(gè)隔震墩布置8根鋼筋。隔震墩立面圖、剖面圖和實(shí)物圖，分別如圖2，圖3與圖4所示。

單位：mm

單位：mm

圖4 隔震墩實(shí)物圖

3.2 框架模型參數(shù)及量測(cè)內(nèi)容

因地震模擬振動(dòng)臺(tái)有效負(fù)荷限制，需控制試驗(yàn)結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量在10 t以內(nèi)，經(jīng)計(jì)算采用幾何尺寸1:2進(jìn)行結(jié)構(gòu)縮尺，模型采用C30混凝土，HRB400受力鋼筋，HPB300箍筋。為了更好使模型與原型在地震作用下的動(dòng)力特性保持一致，通過(guò)調(diào)整層高使模型的自振頻率與原型的自振頻率相近。模型與原型參數(shù)如表3所示。

表3 框架原型與模型參數(shù)表

框架模型平面圖和剖面圖見(jiàn)圖5和圖6，施工完后模型實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

單位：mm

單位：mm

圖7 框架模型實(shí)物圖

試驗(yàn)中采用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所941B型拾振器在測(cè)量振動(dòng)臺(tái)面、1層底板、2層底板及2層頂板各布置2枚，分別測(cè)得各層的加速度和位移反應(yīng)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)加速度和位移同步記錄，對(duì)于測(cè)得的位移反應(yīng)可用測(cè)得的加速度積分進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用2008年“臥龍波(S-N)”和1952年“Taft波(N21E)”作為地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入波，選取“臥龍波”和“Taft波”的原因在于此2條地震波是實(shí)測(cè)地震波，數(shù)據(jù)真實(shí)且可靠，根據(jù)輸入地震動(dòng)的傅氏譜，“臥龍波”頻譜較窄，“Taft波”頻譜較寬，2條波頻譜組成具有代表性。通過(guò)臺(tái)面輸入0.05和0.1的峰值加速度的臥龍波和Taft波，模擬7度及8度多遇地震的情形。試驗(yàn)工況如表4 所示。

表4 試驗(yàn)工況表

3.4 試驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

將試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣艿跹b至振動(dòng)臺(tái)，通過(guò)臺(tái)面上的螺栓孔固定隔震墩下部鋼板，將整個(gè)隔震框架模型與振動(dòng)臺(tái)面相連。啟動(dòng)地震模擬振動(dòng)臺(tái)，進(jìn)行機(jī)器預(yù)熱，通過(guò)向振動(dòng)臺(tái)載入表4所示工況的地震波數(shù)據(jù)，獲得不同的臺(tái)面加速度輸出。臺(tái)面輸入加速度峰值0.05的地震波時(shí)隔震墩鋼筋只出現(xiàn)輕微晃動(dòng)，模型整體晃動(dòng)不明顯，隨著振動(dòng)臺(tái)面輸入加速度峰值加大到0.1，隔震墩晃動(dòng)加大，模型整體晃動(dòng)較明顯；依次完成4個(gè)工況的試驗(yàn)過(guò)后，隔震墩隔震鋼筋均能良好復(fù)位，上部框架未出現(xiàn)明顯變形與破壞特征。再將鋼隔震墩四周捆綁木模板，并開(kāi)出斜向?qū)Я骺?，將瀝青油膏倒入熔爐，熔成膠狀，加入一定質(zhì)量比的雙飛粉，沿導(dǎo)流口將瀝青油膏灌入鋼隔震墩。待瀝青油膏冷卻，依次向振動(dòng)臺(tái)載入表4所示工況的地震波數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)同工況下較之前無(wú)瀝青油膏時(shí)，有瀝青油膏的隔震墩晃動(dòng)減小，模型整體晃動(dòng)不明顯。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 加速度反應(yīng)分析

為分析不同工況下每層樓板加速度反應(yīng)，定義加速度衰減系數(shù)[18]為：

式中：0為振動(dòng)臺(tái)面輸入峰值加速度；a為各層樓板輸出峰值加速度，=1, 2, 3分別代表1層底板、2層底板、2層頂板。

將試驗(yàn)分析得到各加速度及加速度衰減系數(shù)見(jiàn)表5。

表 5 加速度試驗(yàn)結(jié)果匯總

從表5及圖8可知，隨著臺(tái)面輸入加速度峰值的提高，上部框架的地震反應(yīng)也隨之增大，但是上部框架各層樓板的加速度反應(yīng)始終被折減。從加速度時(shí)程曲線可知，隔震框架的各層加速度反應(yīng)較為緩和，整個(gè)地震作用持時(shí)內(nèi)基本維持在臺(tái)面輸入加速度峰值的30%以內(nèi)波動(dòng)。在不同地震作用下，隔震墩水平方向上隔震效果明顯，隔震層的加速度衰減系數(shù)約為0.25~0.50，即一層底板的最大反應(yīng)加速度可衰減到振動(dòng)臺(tái)板輸入峰值加速度的50%以下。其中0.1臥龍波工況下，減震效果最佳，1層底板加速度衰減系數(shù)為0.245，2層頂板加速度衰減系數(shù)為0.306。隨著樓層增加，輸出峰值加速度增大，2層頂板的加速度衰減系數(shù)約為0.30~0.70，仍然具有良好的隔震效果。

向鋼隔震墩中灌注瀝青油膏后測(cè)得隔震層加速度衰減系數(shù)，并與未灌注瀝青油膏的加速度折減系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)列于表6。從表6可知，鋼隔震墩添加瀝青油膏后，隔震層的加速度衰減系數(shù)一般略有加大，原因在于灌注瀝青油膏后，瀝青油膏對(duì)于豎向隔震鋼筋的往復(fù)運(yùn)動(dòng)有所限制，使得鋼隔震墩水平剛度有所增加。隔震層的加速度衰減系數(shù)約為0.25~0.58，較未灌注瀝青油膏時(shí)的加速度衰減系數(shù)增幅較小，故鋼隔震墩灌注瀝青油膏后仍具有良好隔震效果。

(a), (b) 輸入加速度峰值0.05g的臥龍波；(c), (d) 輸入加速度峰值0.1g的臥龍波；(e), (f) 輸入加速度峰值0.05g的Taft波；(g), (h) 輸入加速度峰值0.1g的Taft波

表 6 隔震層加速度衰減系數(shù)

4.2 位移反應(yīng)分析

將試驗(yàn)測(cè)得各部分位移時(shí)程曲關(guān)系，分析得到各工況下結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)見(jiàn)表7。

從表7及圖9可知，輸入地震波波形相同時(shí)，隨著輸入加速度峰值增大，隔震層相對(duì)振動(dòng)臺(tái)面位移增大，最大值為3.61 mm。各工況下，對(duì)于上部框架，2層頂板與1層底板的相對(duì)位移非常小，最大值為0.90 mm，所以上部框架幾乎為整體平動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)變形集中在隔震層，隔震層通過(guò)自身變形吸收大部分地震能量，有效阻隔地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞。鋼隔震墩添加瀝青油膏后，較隔震墩未添加瀝青油膏時(shí)，上部框架2層頂板與1層底板的相對(duì)位移顯著減小，輸入加速度峰值0.05的臥龍波時(shí)，減少61%，輸入加速度峰值0.1的臥龍波時(shí)，減少69%，輸入加速度峰值0.05的Taft波時(shí)，減少83%，輸入加速度峰值0.1的Taft波時(shí)，減少81%。說(shuō)明瀝青油膏使隔震層阻尼增大，有顯著耗能作用，在鋼筋隔震的基礎(chǔ)上再吸收一部分地震能量，進(jìn)一步減少能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞從而減小上部結(jié)構(gòu)水平地震位移反應(yīng)。

表7 位移試驗(yàn)結(jié)果匯總

注：=0，1，2，3分別代表振動(dòng)臺(tái)板、1層底板、2層底板、2層頂板。

圖9 結(jié)構(gòu)相對(duì)振動(dòng)臺(tái)面位移圖

5 結(jié)論

1) 由于鋼筋隔震墩具有彈性恢復(fù)力，在7度及8度多遇地震作用下隔震層復(fù)位良好，上部框架未出現(xiàn)明顯變形與破壞特征，在框架柱底部設(shè)置鋼筋隔震墩能適用于框架結(jié)構(gòu)的隔震。

2) 在不同峰值的地震波輸入下，框架一層底板輸出的加速度峰值較臺(tái)面輸入加速度峰值降低約50%~75%，隔震層運(yùn)用于框架具有顯著的的減震效果，具有良好的發(fā)展前景。

3) 地震發(fā)生時(shí)，設(shè)置鋼隔震墩的上部框架結(jié)構(gòu)幾乎保持整體平動(dòng)，層間位移非常小，表明：隔震層吸收了大部分地震能量，有效阻止了地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，有利于保持上部結(jié)構(gòu)完好性。

4) 鋼隔震墩構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在隔震墩側(cè)壁綁扎木模板，灌注瀝青油膏，瀝青油膏起到增加阻尼作用的同時(shí)可以包裹豎向隔震鋼筋，防止隔震鋼筋生銹。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，未考慮瀝青油膏阻尼作用。

5) 鋼隔震墩灌注瀝青油膏后，上部框架二層頂板與一層底板的相對(duì)位移減少約為60%~80%。證明瀝青油膏起到增加阻尼的作用，進(jìn)一步減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)有限位作用。

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Shaking table experimental research on steel isolation pier in frame

SHANG Shouping, LUO Weixian, WANG Zhen, XIAO Yifu

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

In view of the demand of seismic capacity of multi-layer frame houses in village areas. A new type of steel isolation pier was proposed according to the theory of isolation. This article took a two-layer reinforced concrete frame as the research objectand adopted the new steel isolation pier as the isolation layer in the shaking table test. The acceleration and displacement amplitudes of each part which were used to analyze the structural response and the isolation performance of the isolation pier were measured by sensors on shaking table and each floor. The results show that under the input of seismic waves with different peak acceleration, the peak output acceleration of the first floor is reduced by about 50%~75% compared with the peak input acceleration of the shaking table. The maximum displacement of the second floor and the first floor is 0.90 mm. After the asphalt ointment is poured into steel isolation piers, the displacement between the upper frame layers is further reduced. When steel isolation piers are used for the frame structure, the vibration isolation effect is remarkable.

reinforced concrete frame; steel isolation pier; shaking table test; isolation effect

TU352

A

1672 ? 7029(2019)08? 2043 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.022

2018?10?29

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAL03B01)

尚守平(1953?)，男，山東黃縣人，教授，博士，從事土?結(jié)構(gòu)相互作用、結(jié)構(gòu)抗震和加固研究；E?mail：sps@hnu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)