橡膠砂墊層隔震效應(yīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

鄭森，陳淺然，劉華恩，李亞?wèn)|

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院廣州510006）

0 引言

據(jù)“中國(guó)地震災(zāi)害信息系統(tǒng)”調(diào)查，地震發(fā)生時(shí)，受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)主要是農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)。農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，在房屋建設(shè)時(shí)多未參照規(guī)范，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震考慮較少，因而進(jìn)一步研究經(jīng)濟(jì)有效的隔震方法很有必要。砂與橡膠粒按一定比例混合的材料（橡膠砂），是一種新型且經(jīng)濟(jì)的隔震材料。其取材方便、施工簡(jiǎn)單，且具有動(dòng)剪切模量低、阻尼比大等特性［1，2］。目前，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者均開(kāi)展了關(guān)于應(yīng)用橡膠砂隔震技術(shù)的研究。Tsang 等人［3，4］對(duì)橡膠砂置換層進(jìn)行數(shù)值模擬，得出橡膠砂對(duì)水平和豎向地震作用均有較好的隔震效果。歲小溪［5］利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了橡膠顆粒含量和墊層厚度等，對(duì)橡膠砂墊層的隔震效果的影響，得出橡膠顆粒體積配合比應(yīng)控制在35%左右。劉方成等人［6，7］提出改進(jìn)的橡膠砂墊層：土工格室加筋與土工袋加筋橡膠砂墊層，并借助振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了墊層厚度、有無(wú)加筋及鋪設(shè)方式等對(duì)墊層隔震效果的影響。黃小霞［8］利用橡膠砂隔震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂和橡膠粒在1～1.5的粒徑比內(nèi)隔震效果較好。

本文以橡膠顆粒體積含量為30%的橡膠砂隔震墊層為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并制作了1∶10縮尺比例的框架模型，開(kāi)展了自由場(chǎng)和橡膠砂隔震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比分析地基土與結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)和結(jié)構(gòu)沉降，對(duì)橡膠砂墊層的隔震效果進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 層狀剪切箱

本試驗(yàn)在廣州大學(xué)工程抗震研究中心的MTS振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行。臺(tái)面尺寸為3 000 mm×3 000 mm，最大負(fù)荷25 t，最大水平和豎向加速度分別為1g、2g。在土-結(jié)構(gòu)作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，選擇邊界模擬效果良好的模型箱至關(guān)重要。本試驗(yàn)采用層狀剪切箱，如圖1a所示。模型箱尺寸為1 505 mm×2 000 mm（高度×內(nèi)徑），底板尺寸為3 000 mm×3 000 mm×30 mm。模型箱由12層環(huán)形鋼框架堆疊形成，相鄰框架通過(guò)螺桿連接，相鄰框架接觸面焊接具圓形凹槽的鋼墊板，內(nèi)置滾珠實(shí)現(xiàn)框架間的水平運(yùn)動(dòng)。借助ABAQUS 對(duì)剪切箱進(jìn)行振型分析，如圖1b所示。采用殼單元S4R、線性梁?jiǎn)卧狟31和三維實(shí)體單元C3D8R 分別模擬鋼框架、螺桿和底板?？蚣芘c螺桿、最底層框架與底板均采用綁定連接，相鄰框架間為面面接觸。提取模型前10階頻率，得到剪切箱的基頻X、Y向分別為3.87 Hz、3.79 Hz。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中橡膠砂墊層由砂和橡膠顆?；旌隙?，其中砂為廣州河砂，橡膠顆粒為廢棄輪胎經(jīng)機(jī)械破碎得到。2種材料的級(jí)配曲線如圖2所示，物理參數(shù)如表1所示。本試驗(yàn)將橡膠砂按體積進(jìn)行配比，其中橡膠顆粒含量為30%。在自由場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，將純砂逐層倒入壓實(shí)，使其達(dá)到一致的密實(shí)度。在橡膠砂隔震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，將土體與上部結(jié)構(gòu)接觸處的地基（尺寸為800 mm×800 mm×200 mm），置換為橡膠砂混合物，并振密壓實(shí)。

圖1 層狀剪切箱Fig.1 Laminar Shear Container

圖2 砂和橡膠顆粒的級(jí)配曲線Fig.2 The Particle Size Distribution of Sand and Granulated Rubber

表1 試驗(yàn)用砂和橡膠顆粒的物理特性Tab.1 Physical Properties of Tested Sand and Rubber Particles

1.3 上部結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)以某農(nóng)村3 層框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，試驗(yàn)前對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮尺。本文將幾何相似比n、密度相似比np和剪切波速相似比ne作為基本量綱，根據(jù)相似原理［9，10］推導(dǎo)出其他相似條件。綜合考慮振動(dòng)臺(tái)及剪切箱的規(guī)格，確定上部結(jié)構(gòu)的幾何相似比n=1/10，試驗(yàn)中采用與原型相同的砂，即np=1，故根據(jù)文獻(xiàn)［9］，得到ne=n0.5?；谏鲜鱿嗨票龋茖?dǎo)出其他相似條件。利用ABAQUS 對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。假設(shè)結(jié)構(gòu)各層平面剛度無(wú)限大，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用鋼板和鋼筋分別代替樓板和柱，不考慮設(shè)置梁?？刂瓶s尺模型頻率與原型農(nóng)村房屋的頻率一致，確定模型為3層，層高0.3 m，首層樓板尺寸為600 mm×500 mm×12 mm，其余層樓板尺寸為 500 mm×400 mm×6 mm，柱直徑 D=6 mm，柱長(zhǎng)L=300 mm，上部結(jié)構(gòu)如圖3 所示?？紤]到各類荷載因素，增設(shè)250 kg 配重塊，經(jīng)計(jì)算得上部結(jié)構(gòu)加配重塊產(chǎn)生的基底平均壓力為10 kPa。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Test Equipment

2 試驗(yàn)加載概況

2.1 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段包含5個(gè)工況，如表2所示。階段1是自由場(chǎng)試驗(yàn)，用來(lái)研究模型箱的邊界效應(yīng)，驗(yàn)證其是否會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生干擾。階段2、階段3分別是無(wú)橡膠砂墊層和有橡膠砂墊層的模型試驗(yàn)，用來(lái)研究橡膠砂墊層的隔震效果。選擇加速度分別為0.1g、0.2g和0.4g的El Centro波作為輸入波，輸入El Centro波前后，均進(jìn)行白噪聲掃頻，測(cè)量模型系統(tǒng)的頻率。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Test Cases

2.2 傳感器布置

在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中采用了4381V 型傳感器記錄加速度，24M-W100 激光位移傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)沉降。階段2和階段3傳感器布置相同，故只給出了階段1和階段3 的布置圖（見(jiàn)圖4、圖5）。字母A 和D 分別代表加速度計(jì)和位移計(jì)，數(shù)字代表傳感器編號(hào)。

3 自由場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)白噪聲掃頻得到箱內(nèi)土體的基頻為X向8.62 Hz，Y 向?yàn)?.06 Hz。根據(jù)上文空箱的基頻得知，模型箱基頻遠(yuǎn)低于箱內(nèi)土的基頻，其不會(huì)對(duì)箱內(nèi)土體的地震反應(yīng)產(chǎn)生不良影響，模型箱的自振頻率滿足試驗(yàn)要求。

圖4 自由場(chǎng)試驗(yàn)的傳感器布置Fig.4 Instrumentation Layouts for Free-field Test

圖5 模型試驗(yàn)的傳感器布置Fig.5 Instrumentation Layouts for Model Test

通過(guò)比較等高度處模型土從中心測(cè)點(diǎn)到箱邊界處測(cè)點(diǎn)的地震動(dòng)特性，來(lái)評(píng)估剪切箱的邊界效應(yīng)。圖6 為Y 向輸入加速度為 0.4g 的 El Centro 波時(shí)，在相同高度處距箱壁不同位置處測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程及其反應(yīng)譜，為顯示清晰，只取了5～6 s 內(nèi)的時(shí)程圖。分析發(fā)現(xiàn)，同高度處測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程及反應(yīng)譜重合得很好，只有A9 的反應(yīng)譜值在低周期處略高于同高度處其余測(cè)點(diǎn)。已知A9 位于箱壁附近，其幅值增大可以歸因?yàn)椋合浔诟浇嬖诘耐馏w壓實(shí)不均，和砂與箱壁接觸處產(chǎn)生的反射波干擾?？傮w來(lái)看，同高度處測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程和反應(yīng)譜重合得非常好，這說(shuō)明試驗(yàn)使用的模型箱能夠很好地解決平面內(nèi)的邊界效應(yīng)問(wèn)題，對(duì)后面的橡膠砂隔震試驗(yàn)無(wú)干擾。

圖6 Y向輸入PGA為0.4g的壓縮El Centro波時(shí)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程及其反應(yīng)譜Fig.6 Acceleration Time-history and Their Response Spectra at Observation Points under Scaled El Centro Earthquake with 0.4g of PGA in Y-direction

4 模型試驗(yàn)結(jié)果

4.1 加速度時(shí)程

本文僅對(duì)輸入峰值加速度為0.2g 和0.4g 的El Centro 波工況進(jìn)行分析。圖7 分別比較了2 種工況下有無(wú)RSM 墊層時(shí)的加速度時(shí)程曲線。在對(duì)比試驗(yàn)的基底輸入波幅值控制一致的前提下，得到：①輸入峰值加速度為0.2g 和0.4g 時(shí)，有RSM 墊層情況下，結(jié)構(gòu)底板下方的地基土測(cè)點(diǎn)（A4）幅值小于無(wú)RSM 墊層的情況；②輸入2 種幅值加速度工況時(shí)，有RSM 墊層的情況下，結(jié)構(gòu)首層及頂層（A7和A12）的加速度幅值均小于無(wú)RSM 墊層的情況；③有RSM 墊層的情況下，輸入幅值加速度為0.4g 時(shí)，上部結(jié)構(gòu)加速度的減小程度要大于輸入0.2g時(shí)。

圖7 輸入壓縮的El Centro波時(shí)，有RSM墊層和無(wú)RSM隔震層加速度對(duì)比Fig.7 Comparison of Acceleration Time Histories with/out RSM Isolation Cushion under Scaled El Centro Earthquake

4.2 沉降

圖8給出了輸入幅值為0.2g和0.4g的El Centro波時(shí)，有無(wú)RSM 墊層情況下的結(jié)構(gòu)底板D1 的沉降。由圖8a 可知，輸入幅值為0.2g 時(shí)，無(wú)RSM 墊層時(shí)結(jié)構(gòu)的沉降量為0.3 mm，有墊層時(shí)為0.9 mm；由圖8b可知，輸入幅值為0.4g，無(wú)RSM 墊層時(shí)結(jié)構(gòu)沉降量為1.8 mm，有墊層時(shí)為3.9 mm。由此可知，結(jié)構(gòu)的沉降量隨輸入加速度幅值的增加而增加，且有RSM墊層的情況下要大于無(wú)RSM墊層的情況。

圖8 結(jié)構(gòu)的沉降Fig.8 The Settlement of Structure

5 結(jié)論

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外橡膠砂隔震研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了自由場(chǎng)地振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和橡膠砂隔震墊層的對(duì)比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

⑴ 采用的層狀剪切箱較好地解決了平面內(nèi)的邊界效應(yīng)問(wèn)題，能較理想地模擬真實(shí)場(chǎng)地在平面內(nèi)的邊界條件。

⑵ RSM墊層具有較好的隔震效果。有RSM墊層時(shí)，地基土和結(jié)構(gòu)的加速度幅值均小于無(wú)RSM墊層時(shí)，且其隔震效果隨著輸入加速度幅值的增加而增加。

⑶ 有RSM 墊層的情況下，結(jié)構(gòu)的沉降要大于無(wú)RSM墊層的情況。