三維復合隔震墩試驗研究

尚守平+蘇俊+崔向龍

摘 要：針對國內現有隔震裝置在豎向隔震的空白，以基礎隔震原理為依據，在鋼筋瀝青復合隔震層的基礎上，提出并開發了一種新型三維隔震裝置——三維復合隔震墩，在減輕水平地震的同時也能有效地進行豎向隔震，并介紹了其構成及工作原理.用剛體質量塊作為上部結構，對三維復合隔震墩進行振動臺模擬試驗.結果表明，該三維復合隔震裝置豎向及水平向隔震效果均顯著，還具有造價低廉、構造簡單等特點，十分適用于我國村鎮地區.

關鍵詞：豎向隔震；三維復合隔震墩；振動臺試驗；隔震效果

中圖分類號：TU352.1；TU318文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0039-05

Abstract：According to the structural properties and basic isolation theory， a new three-dimensional composite isolation pier was developed， which can effectively reduce the horizontal and vertical loads due to earthquake. This study introduced the isolation device configuration， work principle， and design theory. To evaluate the structural performance of the three-dimensional composite isolation pier， shaking table test of the rigid body mass was carried out. The test results show that the composite isolation device exhibites superb isolation performance. Furthermore， the proposed composite isolation device improved the cost-effectiveness and constructability， which can be used for the practical engineering in the Chinese rural area.

Key words：vertical isolation； three-dimensional composite isolation pier； shaking table test； isolation effect

隨著建筑結構的不斷發展，基礎隔震已經完成了從理論再到實踐的過程，取得了巨大的進步.在人們的觀念中水平地震作用占據了主導地位，在以往的地震研究中，大部分結構只考慮了水平地震作用，認為豎向地震作用在大部分情況下可不予考慮.然而，地震運動實際上是三維的，不僅具有水平向的運動而且還具有豎向的運動.隨著地震領域研究中測震技術的深入發展，在近年來的一些強烈地震中，也獲得了很多關于豎向地震的記錄，如1999年臺灣Chi-Chi地震和2008年汶川地震，這些數據都顯示了豎向地震的影響很大，不容忽視[[1].由地震反應譜曲線可知，由于結構豎向剛度較大，結構豎向周期較小，因此地震影響系數都較大[[2-4].因此，研究開發具有抵御豎向地震和水平地震的低成本三維隔震技術具有迫切的現實意義.

本文針對豎向地震不容忽略的情況提出了一種三向隔震裝置——三維復合隔震墩，它以鋼筋瀝青復合隔震層[[5-7]為基礎，在考慮豎向隔震的同時兼顧水平隔震.為了更好地了解三維復合隔震墩的性能，在理論研究基礎上，進行了振動臺試驗，以檢驗其實際隔震效果.

1 三維復合隔震墩構造

三維復合隔震墩由4個方面組成，分別為上墩塊、下墩塊、隔震單元以及瀝青油膏.三維復合隔震墩設置在上部結構與基礎之間作為隔震層，依據工程具體情況確定三維復合隔震墩的數量.隔震單元由一定數量的彈簧與鋼筋籠組成，彈簧通過鋼筋籠錨固在上墩塊與下墩塊上，依據三維隔震體系豎向振動的振幅來確定上墩塊底面和下墩塊兩側的護板頂面的間隙，同時護板的總承載力不應小于隔震單元中所能承受承載力的2倍，以確保其可作為隔震層的第二道防線.瀝青油膏作為防銹與阻尼材料，可在上下墩塊之間進行填充，可以保護隔震單元中鋼筋與彈簧不銹蝕，提高耐久性的同時也作為阻尼材料，消耗一定的地震能量，為滿足上述要求`瀝青油膏需要具備冬天不結硬、夏天不流淌的特性[[8].三維復合隔震墩構造如圖1所示.

三維復合隔震墩中隔震單元是隔震體系中最為關鍵的部分，在隔震單元中，彈簧既作為水平隔震構件，又作為豎向隔震構件，通過調整彈簧的數量，直徑和圈數等來確定適宜的水平剛度和豎向剛度，使彈簧在水平向及豎向都具有較小的剛度，這樣隔震層在整個隔震體系中剛度較小，從而延長了結構的自振周期，使地震時位移集中在隔震層，從而達到減弱和隔離地震的作用.

當裝有三維復合隔震墩的隔震建筑處于多遇地震狀態時，上部建筑在3個方向上作彈性往復運動，隔震單元處于彈性狀態，同時由于隔震墩的減震作用，上部結構的運動加速度大大減小，基本不會受到地震破壞，而隔震墩也在震后復位，達到“中震不壞”的設防要求.而在遭遇罕遇地震時，隔震墩中彈簧在三向振動中受力會超過屈服強度，出現塑性變形，當塑性變形到一定程度時，隔震單元失去承載能力，在設計隔震單元時，確保隔震彈簧不會斷裂，只在罕遇地震下達到屈服，不再承重，這時上部結構會落在隔震墩下墩塊的護板上，護板強度經過驗算，由護板承受上部荷載，保持一定的減小加速度的作用，防止上部結構倒塌，達到“大震不倒”的目的.

由于農村民居多為砌體結構，剛度較大，周期較短，因此α2h取水平加速度影響系數的最大值，α2v取豎向加速度影響系數的最大值.

3 三維復合隔震墩振動臺試驗設計

3.1 試驗模型制作

本試驗采用的三維復合隔震墩是根據上部質量采用2 t重力塊的振動臺試驗進行設計的.通過地震作用以及上部結構承受的重力荷載來確定彈簧的受力情況，以此確定彈簧的數量、外徑、圈數等參數.下墩塊兩側護板的總承載力不應小于兩倍的上部重力荷載，確保在彈簧失效以后，上部結構落在護板上，避免倒塌發生.

在試驗中設計隔震墩高為400 mm，采用C30混凝土，鋼筋籠為HRB400鋼筋，直徑為8 mm，設計每個隔震墩包含3個隔震單元，彈簧中徑為40 mm，彈簧絲徑為8 mm，高度為280 mm，其中上下兩端各有60 mm埋入墩塊內，具體尺寸見圖2，由于考慮到本試驗時間不長，不考慮三維復合隔震墩中的防水防銹要求，因此在本次試驗中未填充瀝青油膏，三維復合隔震墩實物如圖3所示.

3.2 試驗設備及測點布置

試驗在湖南大學工程結構綜合防護實驗室中進行，振動臺采用某機械廠制作的ZP1.2×1.4振動臺，臺面尺寸為1.2 m×1.4 m，最大負載為3 t，可輸出三向正弦波，頻率可在5～20 Hz之間調節（通過水平振動臺測試，這種彈簧隔震墩消減地震作用效果極好；故在有限條件下用三維輸出正弦波的振動臺來考察彈簧隔震墩的豎向隔震效果也是具有參考價值的），通過臺面螺栓孔與三維復合隔震墩相連接，由于農村房屋多為砌體結構，剛度較大，因此用2 t重的鋼筋混凝土試塊代表上部結構進行試驗.由于需要測量振動臺輸入加速度與上部結構輸出加速度，因此試驗采用中國工程力學研究所開發的拾振器（941B型），測點布置如圖4所示，測點1，2，3及4，5，6分別表示測量豎向、水平X方向和水平Y方向的加速度.

3.3 試驗方案

采用ZP1.2 X 1.4振動臺進行三向試驗，由以往經驗可知，豎向地震的卓越頻率較小，在6.7～10 Hz之間，因此試驗選取了6～9 Hz的工況進行試驗.振動臺三向輸出正弦波，正弦波持續時間為30 s，振動平臺在起振3～4 s后正弦波輸出達到最大功率，同時加速度幅值達到最大值，此后持續等幅振動直至結束.在振動臺面上布置拾振器測量隔震輸入加速度，在剛體塊頂面上布置拾振器測量隔震輸出加速度，由加速度時程獲得加速度折減系數，振動臺試驗裝置見圖5.

4 試驗結果及分析

4.1 試驗結果

為了更加直觀地了解三維復合隔震墩的隔震效果，本文定義三維復合隔震墩減震系數β為：

試驗選取振動頻率為8 Hz，臺面輸入和隔震輸出的加速度時程曲線如圖6所示.

4.2 試驗分析

由表1可以看出，在通過三維復合隔震墩進行隔震后，豎向減震系數達到0.3左右，同時也保證了水平減震效果，減震系數保持在0.2左右，說明三維復合隔震墩具有良好的復合隔震能力，能有效地減小加速度向上部結構的傳遞，并且在振動臺振動結束后，上部結構回到初始位置附近，說明隔震墩具有良好的恢復力.

5 結 論

1）在振動平臺進行豎向振動和水平振動時，三維復合隔震墩能明顯地減弱上部結構豎向及水平向的加速度，具有良好的隔震效果；

2）三維復合隔震墩具有良好的恢復原位性能；

3）三維復合隔震墩是一種適合于多、底層房屋的價廉物美的隔震裝置.

參考文獻

[1] 賈俊峰，杜修力，韓強.近斷層地震動特性及其對工程結構影響的研究進展[J].建筑結構學報，2015，36（1）：1-12.

[2] 尚守平，周福霖. 結構抗震設計[M].北京：高等教育出版社，2003：5-10.

[3] GB 50011-2011 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2011：31-34.

[4] 李雄彥，薛素鐸.豎向隔震的機理研究和裝置設計[J].北京工業大學學報，2008，34（10）：1043-1047.

[5] 尚守平，劉可，周志錦.農村民居隔震技術[J].施工技術，2009，38（2）：97-99.

[6] 尚守平，姚菲，劉可.一種新型隔震層的構造及其振動臺試驗研究[J].土木工程學報，2011，44（2）：36-41.

[7] 尚守平，周浩，朱博聞，等.鋼筋瀝青隔震層實際應用與推廣[J]土木工程學報，2013，46（2）：7-12.

[8]尚守平，沈戎.砌體模型隔震試驗研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2012，39（9）：1-5.

[9] 米彩盈. 一種確定高圓簧橫向剛度的有效方法[J]. 西南交通大學學報， 1998， 33（3）： 294-298.

[10]陽光武， 肖守訥， 張衛華. 螺旋圓彈簧的橫向剛度分析[J]. 中國鐵道科學， 2010， 31（4）： 59-62.