加筋橡膠砂復(fù)合墊層隔震性能試驗研究

劉方成， 吳孟桃,2， 景立平

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.天津大學(xué) 土木工程系，天津 300354；3. 中國地震局 工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗室，哈爾濱 150080)

在汶川地震、玉樹地震、雅安地震以及最近的國內(nèi)外多次地震中，以村鎮(zhèn)民居、學(xué)校、醫(yī)院、辦公樓建筑為代表的普通房屋建筑破壞嚴(yán)重，成為造成地震災(zāi)難的主要原因[1]。但現(xiàn)有的隔震方法往往造價昂貴，只在重要建筑中使用，在普通建筑中難以普及。研究能用于普通房屋建筑的廉價隔震方法已迫在眉睫。同時，隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展，如何處置大量的廢舊輪胎成為日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題[2]。已有研究表明，由廢舊輪胎經(jīng)機(jī)械破碎得到的橡膠顆?？勺鳛橐环N環(huán)保的工程材料，與天然砂按一定比例配合成的混合料(簡稱橡膠砂或RSM(Rubber Sand Mixture))具有模量低、彈性好、高耗能的特點(diǎn)，已被應(yīng)用于擋墻回填、路堤填筑等領(lǐng)域[3-4]，而近年來，關(guān)于將橡膠砂填料用于減隔震的研究備受關(guān)注。

眾所周知，現(xiàn)有的低成本隔震研究大多以滑移隔震為主[5-6]，但滿足要求的滑移材料往往不容易取得，在建筑使用年限內(nèi)長時間保存其材料的良好滑移性能也難以保證?；趯ο鹉z砂動力特性的研究和了解，Tsang 等[7-8]首先提出用RSM 換填低矮房屋基礎(chǔ)周圍的場地土，利用場地土-軟弱夾層-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)體系的動力相互作用效應(yīng)，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到隔震目的。這一隔震思路，既能大量消耗廢舊輪胎，又能大幅度降低建筑隔震的造價，可普遍應(yīng)用于廣大農(nóng)村地區(qū)的居民普通建筑結(jié)構(gòu)。歲小溪[9]通過振動臺試驗，研究了RSM 墊層的隔震效應(yīng)，結(jié)果表明橡膠顆粒質(zhì)量配合比為30% 的RSM具有明顯的隔震效果。Saman等[10-13]也相繼對橡膠砂墊層的隔震效應(yīng)與可行性進(jìn)行了深入研究，表明其確實(shí)是一種可行的隔震方法。但試驗研究亦發(fā)現(xiàn)，由于橡膠砂墊層宏觀上屬于各向同性材料，其在水平方向具有較小的剪切模量的同時，豎向的壓縮模量也比較小[14]，從而在水平地震作用下容易使上部結(jié)構(gòu)的搖擺運(yùn)動分量增大，并且對其基礎(chǔ)穩(wěn)定性具有不利影響。為此，作者提出用土工加筋的方法對橡膠砂墊層進(jìn)行改進(jìn)，以期得到更好的隔震效果。

圖1 Tsang等研究的橡膠砂墊層隔震示意圖Fig. 1 Seismic isolation schematic diagram of RSM cushion

本文利用土工格室的網(wǎng)兜效應(yīng)[15]和土工格柵與土的摩擦嵌鎖作用[16]加筋橡膠砂形成復(fù)合墊層，對該墊層的隔震效應(yīng)進(jìn)行振動臺試驗，研究地震波下不同輸入加速度、不同上部配重下墊層的隔震性能，為其在工程上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

加筋橡膠砂墊層是由土工材料(格室+格柵)、橡膠砂組合的復(fù)合墊層，試驗橡膠砂為由廢舊輪胎橡膠顆粒與天然河砂混合得到的混合料。廢舊橡膠顆粒從專業(yè)分解廢舊橡膠的廠家購買，試驗用砂為兩種級配不同的普通建筑河砂。混合前后的橡膠顆粒和砂如圖2所示。材料的顆粒特征如表1所示，級配曲線如圖3所示。本文選用質(zhì)量配比為30%的橡膠砂為隔震墊層的填料，即橡膠顆粒與砂的質(zhì)量比為3 ∶7。

加筋用土工格室為高強(qiáng)焊接型HDPE格室，格室片抗拉強(qiáng)度≥18 MPa，焊接處抗拉強(qiáng)度≥100 N/cm，格室高度200 mm，焊點(diǎn)間距400 mm，格室片厚度1 mm。加筋用土工格柵為玻璃纖維材質(zhì)的雙向土工格柵，其延伸率≤3%，網(wǎng)格尺寸12.7 mm×12.7 mm，縱向抗拉強(qiáng)度60 kN/m，橫向抗拉強(qiáng)度60 kN/m。

圖2 試驗用橡膠顆粒、砂顆粒和混合后的橡膠砂Fig. 2 Photos of rubber particles, sand particles and rubber sand mixtures

試驗材料比重Gs粒徑范圍/mm平均粒徑D50不均勻系數(shù)Cu廢橡膠顆粒1.210.5～5.01.501.43粗砂2.650.05～5.01.025.36細(xì)砂2.690.05～1.50.252.12

圖3 橡膠和砂的顆粒級配曲線Fig. 3 Grading curves of rubber particles and sand

1.2 試驗裝置

試驗裝置為基于課題組自行研制的大型循環(huán)單剪儀[17]改造的水平單向液壓伺服振動臺，臺面尺寸2 m×2 m，振動頻率范圍0.01～50.00 Hz，最大荷載重量10 t。本試驗中，振動臺單向輸入正弦波和El Centro波，正弦波為等頻加載，即振動臺起振后3～5 s達(dá)到最大頻率(此時臺面加速度幅值也最大)，此后為等頻振動并持續(xù)到結(jié)束，持續(xù)時間為 60 s；El Centro波按記錄的實(shí)測數(shù)據(jù)輸入，加載方式見表 2。試驗裝置及試樣如圖4所示。

表2 加載方式Tab.2 Application of loading types

考慮到地震區(qū)的村鎮(zhèn)房屋大多為低層建筑，在隔震研究中可以近似用剛性塊體代替。試驗所用質(zhì)量塊如圖5所示?；炷临|(zhì)量塊尺寸2.0 m×1.6 m×0.25 m，重量約18 kN。質(zhì)量塊上端設(shè)計有4個尺寸為305 mm×305 mm的方形凹孔，下端設(shè)計有4個尺寸為300 mm×300 mm的方形凸腳，以保證上下質(zhì)量塊嵌套在一起共同工作。每個質(zhì)量塊對地面產(chǎn)生的壓力為50 kPa，本試驗所研究的基底壓力范圍為50～150 kPa，與農(nóng)村房屋實(shí)際情況相符。

圖4 試驗裝置及加筋橡膠砂復(fù)合墊層Fig.4 Test equipment and reinforced rubber-sand mixture cushion

圖5 質(zhì)量塊Fig. 5 Mass block

1.3 試驗工況

加筋橡膠砂復(fù)合墊層制作方法如下：①將工廠購買的土工格室切割至由4個單孔格室組成的方形格室，其尺寸約為330 mm×330 mm×200 mm，并將土工格柵裁剪至與單孔格室大小相等的若干個格柵網(wǎng)；②將烘干的河砂和風(fēng)干的橡膠顆粒按照質(zhì)量比拌合均勻，測定兩種不同粒徑橡膠砂的最大干密度和最小干密度，按同一相對密度確定試樣控制密度，根據(jù)控制密度和格室容積稱取裝樣質(zhì)量；③將準(zhǔn)備好的4個方形格室按預(yù)定位置固定在振動臺板上，每個格室中分3層裝入橡膠砂，為保證壓實(shí)度，每填筑一層橡膠砂后均用5 Hz的正弦波對其進(jìn)行緩沖振密；④在格室內(nèi)部的1/3和2/3位置處分別放置4個格柵網(wǎng)，形成由1個土工格室、8個土工格柵網(wǎng)、橡膠砂構(gòu)成的復(fù)合隔震墊層。墊層填筑過程和完工效果如圖4所示。試驗工況見表3。

伺服系統(tǒng)調(diào)試完畢后，按表3所示的試驗工況進(jìn)行振動臺試驗。試驗使用中國地震局工程力學(xué)研究所的941B型拾振器，記錄各通道試驗數(shù)據(jù)后存入計算機(jī)進(jìn)一步處理。輸入加速度由振動臺板上的加速度拾振器采集，輸出加速度由配重質(zhì)量塊上的加速度拾振器采集。采用動態(tài)信號調(diào)理及采集系統(tǒng)，采樣頻率為2 k Hz，采用時間激發(fā)模式，在激發(fā)時間范圍內(nèi)進(jìn)行采樣。

表3 試驗工況Tab.3 Test condition

2 試驗結(jié)果

2.1 加速度時程

圖6和圖7分別給出了加筋橡膠砂復(fù)合墊層A和墊層B的輸入、輸出加速度時程曲線，每種墊層下，均給出了三種基底壓力、三種El Centro波的試驗結(jié)果。由圖可見：①在各種工況下，輸出加速度時程曲線幅值明顯小于輸入加速度時程曲線，且輸入加速度幅值越大，輸出加速度幅值相對于輸入加速度幅值的降低越顯著；②比較50 kPa, 100 kPa, 150 kPa三種基底壓力(上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量配重不同)的影響，基底壓力越大，輸出加速度幅值越?。虎郾容^兩種加筋橡膠砂復(fù)合墊層的影響，墊層A的輸出加速度幅值更小。

2.2 隔震效果

定義減震系數(shù)Ra表示墊層的隔震效果

Ra=|aout|max/|ain|max

(1)

式中：|aout|max為輸出加速度的峰值；|ain|max為輸入加速度的峰值。試驗得到的不同工況下的Ra計算值見表4，可見，在各種工況下減震系數(shù)Ra最大值為0.574，表明采用格室+格柵加筋橡膠砂復(fù)合墊層具有較好的隔震效應(yīng)。

圖8給出了兩種加筋橡膠砂復(fù)合墊層下，減震系數(shù)Ra隨輸入加速度峰值的變化曲線。由圖可見：①兩種復(fù)合墊層下，隨著輸入加速度峰值的增大，減震系數(shù)均逐漸減??；②隨著基底壓力增大，減震系數(shù)減小。說明加筋橡膠砂復(fù)合墊層具有較好的隔震效應(yīng)，且隨著上部自重的增加和地震劇烈程度的增大，隔震效果更為明顯。這與歲小溪和Xiong等研究的分析結(jié)果一致，即在一定深度范圍內(nèi)，隔震墊層埋深越大，隔震性能越好。比較不同加筋橡膠砂墊層的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：墊層A的減震系數(shù)明顯小于墊層B，墊層A的Ra值范圍0.359～0.501，墊層B的Ra值范圍0.465～0.574，且基底壓力的增大對墊層A減震系數(shù)變化的影響更大。說明砂粒徑大的隔震墊層的隔震效果更好，這與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果一致，即在一定粒徑范圍內(nèi)，粗砂更宜用于隔震，后續(xù)研究可基于大量試驗得到一個最優(yōu)的橡膠顆粒粒徑、砂粒徑或它們的粒徑之比。

圖6 加筋橡膠砂墊層A(粗砂)的試驗結(jié)果Fig. 6 Test results of and reinforced rubber-sand mixture cushion A

圖7 加筋橡膠砂墊層B(細(xì)砂)的試驗結(jié)果Fig.7 Test results of and reinforced rubber-sand mixture cushion B

基底壓力/kPa地震波形加筋橡膠砂墊層A|ain|max/(m·s-2)|aour|max/(m·s-2)β加筋橡膠砂墊層B|ain|max/(m·s-2)|aout|max/(m·s-2)β50EL波0.1g1.0240.5130.5010.963 0.553 0.574 EL波0.2g2.0611.0020.4862.035 1.0730.527 EL波0.3g2.9801.4300.4792.950 1.485 0.503 100EL波0.1g1.0400.5130.4931.047 0.5620.537 EL波0.2g2.0310.8990.4431.9601.0230.522EL波0.3g3.1541.3520.4292.9221.465 0.490 150EL波0.1g1.0650.5090.4771.036 0.5460.527 EL波0.2g1.9780.8020.4052.061 1.0290.499EL波0.3g3.1001.1120.3593.078 1.432 0.465

圖8 減震系數(shù)隨輸入加速度峰值的變化Fig.8 Variation of isolation coefficient with input acceleration peak at different isolating cushion

設(shè)用以下函數(shù)表示減震系數(shù)與輸入加速度幅值兩者之間的關(guān)系

(2)

式中：aref為參考加速度，當(dāng)輸入加速度幅值達(dá)到參考加速度時，減震系數(shù)等于0.5；γ為衰減指數(shù)，γ越大，則減震系數(shù)衰減曲率越大，代表前期衰減迅速而后期衰減平緩。

用式(2)對本文試驗所得的Ra～|ain|max關(guān)系進(jìn)行擬合得到的平均衰減曲線如圖9所示，得到相應(yīng)的擬合參數(shù)為aref=1.43 m/s2，γ=0.25。由圖可見，擬合曲線較好地描述了復(fù)合墊層的Ra隨|ain|max衰減的規(guī)律。復(fù)合墊層的減震效應(yīng)隨著輸入加速度幅值的增大而逐漸減小，當(dāng)輸入加速度幅值為2.0 m/s2(相當(dāng)于8度設(shè)防的設(shè)計基本地震加速度)時，減震系數(shù)小于0.5，即可減震50%以上。

圖10進(jìn)一步給出了本試驗加筋橡膠砂復(fù)合墊層與已有文獻(xiàn)純橡膠砂墊層的研究結(jié)果對比情況。由圖可見：①將橡膠砂用于墊層隔震這一思路是可行的，相比于純砂墊層，橡膠砂墊層具有更好的隔震效果，且兩種隔震方式在參數(shù)變化規(guī)律性上具有一致性；②橡膠砂墊層在輸入加速度較小時，減震系數(shù)相對較大，在輸入加速度較大時(罕遇地震)才體現(xiàn)出理想的隔震效果，而加筋橡膠砂復(fù)合墊層在小震下仍可發(fā)揮較好的隔震效果；③加筋橡膠砂復(fù)合墊層改進(jìn)了純橡膠砂墊層豎向穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)，提高了豎向模量和整體穩(wěn)定性，使得該墊層的隔震效果整體優(yōu)于純橡膠砂墊層，為農(nóng)村低層房屋的隔震提供了一種可行的方法。

圖10 墊層隔震試驗結(jié)果與文獻(xiàn)對比Fig.10 Comparison of tested isolation effect between this study and reference

3 結(jié) 論

(1)加筋橡膠砂復(fù)合墊層具有良好的減震效果，厚度20 cm、橡膠質(zhì)量配比30%的隔震墊層，在El Centro地震波作用下，其減震系數(shù)小于等于0.574，且減震系數(shù)隨著輸入加速度峰值的增大而減小，隨著基底壓力(上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量配重)的增大而減小。

(2)砂粒徑大的復(fù)合墊層隔震效果更好，減震系數(shù)受基底壓力和輸入加速度的影響更大，后續(xù)研究可基于大量試驗得到一個最優(yōu)的膠、砂粒徑范圍或它們的粒徑之比。

(3)與已有研究的純橡膠砂墊層對比發(fā)現(xiàn)，加筋橡膠砂復(fù)合墊層在輸入加速度較小時仍可發(fā)揮較好的隔震效果，整體隔震性能優(yōu)于純橡膠砂墊層，可作為農(nóng)村低層房屋隔震的一種可行方法。