杜志超1，  田  杰2，  錢國楨3，  曾德民1

（1中國建筑標準設計研究院有限公司，北京100048;2北京工業大學建筑工程學院，北京100124：3杭州天元建筑設計研究院有限公司，杭州311201）

[摘要] SBS瀝青阻尼隔震墊是由SBS改性瀝青防水卷材與鋼絲網交替疊置組合而成的。在BS隔震墊的基礎上改用SBS瀝青阻尼隔震墊進行了試驗研究。試驗結果表明，SBS瀝青阻尼隔震墊具有較高的承壓強度和很大的阻尼比，其水平剪切剛度隨著剪應變的增加而下降，具有明顯的軟化特性。同時，為考察新型隔震墊的隔震效果，運用有限元軟件ABAQUS對采用SBS瀝青阻尼隔震墊的隔震建筑物進行數值模擬分析。結果表明，隔震結構頂層的加速度響應減小了40%~ 50%。

[關鍵詞] SBS瀝青阻尼隔震墊；阻尼比；水平等效剛度；數值模擬

中圖分類號：TU352. 12  文章編號：1002-848X( 2016) 11-0102-05

0  引言

 隔震結構體系經過幾十年的應用，經歷了實際地震的檢驗，證明是當前一種較為理想的減輕地震災害的新型結構體系。目前較為流行的隔震裝置包括疊層橡膠支座、天然橡膠隔震支座與阻尼器組合的隔震體系、高阻尼橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座、金屬彈簧隔震器等。由于橡膠隔震支座受到天然橡膠、鋼板、鉛芯等原材料的價格影響，生產成本較高，根據支座直徑大小，每個支座價格在幾千元到幾萬元不等。對于村鎮建筑而言，投入成本較低，不可能使用橡膠隔震支座。因此，選用一種造價低、適用于村鎮建筑、具有一定隔震能力的隔震裝置成為本文的主要研究內容。

 新型瀝青阻尼隔震墊（BS隔震墊）是由拉力材料、阻尼材料和塑料薄膜構成，結構如圖1所示。其中，拉力材料可根據受力大小分別采用石棉布、玻璃纖維布、麻布、金屬網片等，阻尼材料由改性瀝青、滑石粉、廢橡膠粉及各種化學添加劑混煉組成，應用于隔震、隔聲時可單層使用，也可疊層使用。因為BS隔震墊具有較高的承壓強度、很大的阻尼比、較低的價格、較方便的生產施工技術，因此在很多領域有廣闊的應用前景，已經應用于機器基礎隔震、建筑基礎隔震，并作為釋放房屋面板的溫度收縮應力的軟支座得到應用，且已通過浙江省省級鑒定，較適合在低烈度地區和村鎮建筑中推廣應用。

 由于按照BS墊的生產要求，要加入很多外加劑，且需要專門生產，數量少則廠家不愿生產；又由于BS隔震墊本身較厚，地震作用下容易被擠出，從而失去隔震作用。因此，本文在BS隔震墊的基礎上改用SBS瀝青阻尼隔震墊（簡稱SBS隔震墊），并對其進行試驗研究。SBS隔震墊與BS隔震墊成本價均為15~20元/m2，相對于橡膠隔震支座具有較好的社會效益和經濟效益。

1  SBS隔震墊的構造與隔震機理

1.1 SBS隔震墊的構造

 SBS隔震墊是采用SBS改性瀝青防水卷材與鋼絲網交替疊置組合而成的隔震墊，其中，SBS改性瀝青防水卷材每層厚度為3mm，鋼絲網片的鋼絲直徑為1mm、間距為3mm。SBS隔震墊直徑為250mm。具體結構參數見表1，SBS隔震墊構造如圖2所示。

1.2  SBS隔震墊的隔震機理

 小震時SBS隔震墊在隔震層中產生剪切變形，可降低結構自振周期，減小地震響應。大震時瀝青因吸收地震能量而受熱軟化呈全塑性狀，因而阻斷了傳給上部結構的水平地震作用，這時它相當于一個滑移隔震層，使建筑自振周期延長，地震響應也得到進一步衰減，起到了

很好的隔震效果。此外，SBS隔震墊的阻尼比很大，一般可達0. 25~0. 38，為鋼筋混凝土

結構的數倍，可大大削減反應譜峰值。

2  SBS隔震墊的物理力學性能

2.1豎向性能試驗

 按照表2的設計參數分別做了四種隔震墊的水平性能試驗。豎向性能試驗結果見表2。測得在同樣的設計壓應力(2MPa)作用下，SBS隔震墊的豎向變形量均在1mm以內，最大抗壓強度均在7MPa以上，對于村鎮房屋而言，完全滿足設計壓應力2MPa以下的工作條件，而且是安全的。達到極限荷載時，SBS隔震墊向四周擠出較明顯。此外，從試驗結果還可看出，SBS隔震墊越薄其抗壓強度越高，性價比越高，更有利于推廣應用。SBS隔震墊豎向性能試驗后的形態如圖3所示。

2.2水平性能試驗

 通過水平性能試驗，得到了四種SBS隔震墊在不同加載頻率、不同剪應變和不同豎向荷載下的剪切變形滯回曲線、等效水平剛度、等效阻尼比。以11mm厚的SBS隔震墊的試驗結果為例，數據見表

3，剪切滯回曲線見圖4。

3  算例分析

3.1模擬建筑物概況

 模擬以三層磚混結構住宅為對象，其基礎為鋼筋混凝土條形基礎，樓面為現澆板，屋面為不上人屋面，墻均采用厚240mm的KP1型黏土磚。首層層高3. 4m，二層、三層層高均為3.2m，抗震設防烈度為7度，設計基本加速度值為0.15g，設計地震分組為第一組，Ⅱ類場地。

 在結構底部圈梁與條形基礎之間設置瀝青隔震層，SBS隔震墊鋪在基礎之上，平面布置見圖5。采用SBS-11隔震墊的參數：設計壓應力2MPa、剪應變y= 100%（水平剪切位移為11mm）、水平等效剛度1.500kN/mm、等效阻尼比0.339。

3.2模型單元

 采用ABAQUS有限元軟件對以SBS改性瀝青為隔震層的隔震結構模型進行模擬分析。在分析計算中，墻體、屋頂、樓地面均采用Shell單元，圈梁采用梁單元，基礎梁和隔震墊采用實體建模，隔震墊的材料屬性按照超彈性來進行定義。輸入El Centro波、Taft波和人工波對建筑物進行地震波激勵，分析該建筑物的相關反應。隔震模型如圖6所示。

 Bouc-Wen滯回模型包含了非線性阻尼和非線性剛度，對各種光滑的滯回曲線都能較好地近似描述，在工程中得到了廣泛應用。在不同參數下，Bouc-Wen滯回模型使系統具有軟或硬式響應特性，導致系統有非線性振動特性。

 本文基于ABAQUS程序采用Bouc-Wen滯回模型來模擬瀝青阻尼隔震墊的水平恢復力模型，通過調節各個參數可以得到不同形狀的滯回環。

Bouc -Wen滯回模型的振動微分方程為：

 非線性滯回體系恢復力F的特性取決于材料特性、響應幅值和結構特性，符合SBS隔震墊的滯回特性。本例中，經過對曲線的模擬分析，取A=1，y=0.5，n=1，β=0.5，如圖7所示，其中K y為屈服后剛度，F y為屈服水平剪力。

3.3隔震結構在地震波激勵下的地震響應

 輸入Taft，El Centro地震波和一條人工波，通過調整峰值加速度以滿足7度(0.15g)對應的小震和大震要求：沿X向輸入峰值加速度分別為0.55，3.10m／s2的地震波。經有限元計算，隔震前后模型結構的地震反應結果見圖8（以El Centro波為例）和表4，5。

 從圖8和表4，5中可以得出，隔震結構頂層的加速度響應較輸入峰值加速度減小了40%~

50%；隔震結構的底層和上部各層的絕對位移基本相同，雖然隔震結構上部各層的絕對位移大于傳統抗震結構上部相應各層的絕對位移，但是其層間相對位移卻接近于零，主要是由于上部結構的層間剛度遠遠大于隔震層的水平剛度。因此設計時，只要隔震層的位移在許可的變形范圍內就不會出現因為上部結構層間變形太大而導致結構破壞的現象。

 表4和表5中大震與小震下的加速度及位移數值模擬結果表明，小震下的隔震效果不如大震下的隔震效果明顯，但是SBS隔震墊在大震與小震下的隔震效果都很理想，這是由隔震墊本身的性質所決定的，即相對砌體結構而言，改性瀝青隔震墊的彈性模量更小、抗剪強度更低，具有更大的阻尼。小震時隔震層中產生剪切變形，從而減小了地震響應。大震時瀝青因受熱軟化呈全塑性狀，阻斷了水平地震作用向上部結構傳遞，因而產生了較好的隔震效果。

4  SBS隔震墊與BS隔震墊性能比較

 通過試驗，本文提出的SBS隔震墊的豎向剛度要比BS隔震墊的豎向剛度提高30%~50%(表6)，兩者的水平性能基本相當（圖9，10），說明SBS隔震墊有效限制了瀝青的側向擠出，提高了隔震墊的豎向剛度，這對于保障低造價隔震材料的支座在長期荷載作用下的安全等方面均具有重要的作用。

5  SBS隔震墊與橡膠隔震支座的比較

 本文所研究的SBS隔震墊適用于三層及以下的村鎮砌體結構建筑，由于其隔震原理與橡膠支座不同，主要隔震效果體現在大震下隔震建筑不倒塌。而橡膠隔震支座由于造價及力學性能特性決定了其應用于中高層建筑中較有優勢。

 由SBS隔震墊的性能試驗可知，其力學性能類似于鉛芯橡膠隔震支座，豎向承載能力滿足村鎮三層砌體建筑的要求，同時具有一定的水平剪切剛度和較大阻尼比，能夠保證其隔震減震能力。

 在隔震支座設計方面，SBS隔震墊由于適用于低層村鎮建筑，同時其高度也比較低，僅有十幾毫米，制作比較簡單，施工也非常方便，不需要工廠加工。橡膠隔震支座考慮在水平方向上要有較大變形，依據不同建筑要求，其直徑、高度有較大變化，而且對于原材料的選擇、生產工藝等均有較高要求。兩種隔震墊的設計思路不同，橡膠隔震支座需要一定的高度，是為了保證足夠的水平剛度以保證隔震效果，而SBS隔震墊主要靠改性瀝青在吸收地震能后軟化而成為滑移層，從而起到隔震效果，隔震墊層數少而強度高、價格低，性價比高。這更有利于在村鎮建筑中推廣應用。

 針對本文所研究的SBS隔震墊，可通過在基礎與底圈梁之間設置連接鋼筋（圖11）來實現地震時建筑物發生相對位移后進行自行復位的功能。

6  結論

 (1) SBS隔震墊具有很大的阻尼比，可以明顯地減小地震響應。

 (2) SBS隔震墊等效水平剛度在經過多次剪切加載循環后，呈遞減趨勢；等效阻尼比呈遞增趨勢。

 (3)從SBS隔震墊在恒定壓力下的水平荷載一位移滯回曲線可知，其重復性尚佳，性能較穩定。同BS隔震墊相比，阻尼比和等效剛度相差不大，豎向剛度有所提高。

 (4) SBS隔震墊的受剪壓破壞形式為瀝青制品向四周擠出，但因加有鋼絲網片，與BS隔震墊相比，SBS隔震墊的瀝青不易被擠出，且強度也有所提高。

 (5)采用SBS隔震墊的建筑物上部結構在地震力的作用下近似做整體平動，其頂層加速度降低到輸入峰值加速度的一半左右。

 (6)應用于農村低矮房屋時，SBS隔震墊總厚度僅十幾毫米，且均勻地滿鋪在底圈梁下，在較均勻的垂直荷載作用下，地震時建筑物發生滑移，SBS隔震墊不會產生突變和傾斜，是一種安全的隔震墊。在模擬算例分析中，隔震墊大震下的位移為11mm，對于村鎮三層及以下房屋，可以不考慮其復位的情況，僅在構造上設置限位鋼筋已足夠。