尚守平，  易春榮

 （湖南大學土木工程學院，長沙410082）

[摘要]  介紹了鋼筋瀝青隔震層設計時應滿足的條件，并利用時程分析法中的Newmark-p法分析了地震動峰值、隔震層阻尼以及隔震層剛度等因素對鋼筋瀝青隔震結構隔震效果的影響。在實驗室進行了鋼框架模型振動臺試驗，研究上部鋼框架等效抗側剛度與隔震層抗側剛度之比對隔震效果的影響。結果表明，各種工況下的鋼框架等效抗側剛度與隔震層抗側剛度之比對隔震效果影響顯著；當抗側剛度比達到一定值時鋼筋瀝青隔震結構可以達到較好的隔震效果。這也證明鋼筋瀝青隔震技術是非常實用的隔震技術，所研究的結果可為編制有關規程提供參考。

[關鍵詞]  鋼筋瀝青隔震技術；Newmark-p法；剛度比；振動臺試驗；隔震效果

中圖分類號：TU352. 12 文章編號：1002-848X( 2016) 11-0091-05

0  前言

 基礎隔震利用隔震層較小的水平剛度，使得隔震結構的基本自振周期延長而遠離地震動的卓越周期，從而限制地震能量進入上部結構，達到隔震的效果。對于一般位于較硬場地上的中低層建筑，采用基礎隔震的隔震效果明顯；而對于高柔建筑或位于軟弱場地上的建筑，因高柔建筑的自振周期較大、軟弱場地卓越周期較長，此兩類建筑采用基礎隔震的隔震效果則不如位于較硬場地上的中低層建筑明顯。

 常見的基礎隔震方法主要有橡膠支座隔震、滾動隔震、搖擺支座隔震、摩擦滑移隔震等。本課題組致力于研究一種造價低廉并且施工簡便的基礎隔震技術，提出了鋼筋瀝青隔震技術，并通過試驗來證明此技術具有良好的隔震效果；本文在已有的科研基礎上，對影響此技術隔震效果的主要因素進行研究，為該隔震技術的進一步推廣提供參考依據。

1  隔震層設計

1.1鋼筋瀝青隔震技術的隔震原理

 鋼筋瀝青隔震技術利用隔震豎向鋼筋水平剛度小而豎向剛度較大的特點，從而延長結構自振周期，達到使上部結構的地震反應明顯減弱的目的。在正常使用狀態或小震作用下，隔震豎向鋼筋承受上部結構的豎向荷載以及風荷載、地震作用產生的水平力；在大震作用下，隔震豎向鋼筋可能產生彎曲和較大傾斜，使上部結構坐落在混凝土下墩或者填充在豎向鋼筋之間的磚墩上，接觸面之間產生較大摩擦以保證結構穩定不倒塌。鋼筋之間填充的瀝青油膏主要是為了防止鋼筋銹蝕，提高其耐久性，也可以直接在鋼筋表面涂刷防火防銹漆來實現上述目的。

 鋼筋瀝青隔震技術根據隔震層的做法不同分為鋼筋瀝青隔震墩（圖1）和鋼筋瀝青隔震層（圖2）兩種，兩者的構造分別見圖3和圖4，其工作原理。

 將隔震體系看作上部結構和隔震層兩部分，上部結構處于彈性階段，呈整體平動狀態，隔震層在地震作用下產生較大變形。根據達朗貝爾原理，在水平地震作用下，隔震結構的運動方程如下：

1.2計算假定

 作如下計算假定：1）假定隔震豎向鋼筋布置對稱，豎向荷載沿隔震層形心軸作用；2）假定隔震鋼筋處于線彈性范圍內，滿足胡克定律；3）隔震鋼筋無初始彎矩，上下兩端嵌固在混凝土中，牢固可靠。

1.3隔震結構抗傾覆穩定性條件

 (1)隔震層一側邊緣的隔震豎向鋼筋不應產生軸向拉力。隔震豎向鋼筋受拉對其下端的錨固會產生影響，因此，要求上部結構高寬比宜小于4，且平面布置宜規則、簡單、對稱，并符合《建筑抗震設計規范》( GB 50011-2010)的相關規定。

 (2)隔震層另一側邊緣的隔震豎向鋼筋最大壓應力不超過其抗壓強度設計值。

1.4隔震層鋼筋的計算

 在鋼筋瀝青隔震技術中隔震豎向鋼筋是主要受力構件，提供豎向承載力和水平剛度。地震作用時，水平地震作用主要由隔震豎向鋼筋承受，由于上部結構剛度相對隔震層剛度來說較大，因此結構主要變形集中發生在隔震豎向鋼筋上。根據計算假定3)，隔震豎向鋼筋可簡化為兩端固接，受到豎向荷載和水平力共同作用。鋼筋瀝青隔震結構中隔震豎向鋼筋根數的確定應根據強度和穩定計算結果的最不利情況判定。

 (1)按強度計算結構的隔震豎向鋼筋

隔震豎向鋼筋的強度應滿足下式要求：

式中：N為由上部結構傳至隔震豎向鋼筋的豎向荷載設計值；n為隔震豎向鋼筋總根數；d為隔震豎向鋼筋直徑；f y為隔震豎向鋼筋抗壓強度設計值，當鋼筋抗壓強度設計值不小于500MPa時，取500MPa。

 考慮水平地震作用組合時隔震豎向鋼筋強度應滿足下式要求：

 (2)按穩定計算結構的隔震豎向鋼筋

 隔震豎向鋼筋為壓彎受力構件，考慮隔震豎向鋼筋在水平地震作用和豎向荷載作用下的重力二階效應，隔震豎向鋼筋最終變形可以看作初始變形和一系列附加變形相疊加的結果，經過一系列的理論和計算分析并總結得到，隔震豎向鋼筋穩定應滿足下式要求：

2  影響隔震效果的因素

 本節利用MATLAB編制時程分析程序，應用時程分析法中的Newmark-β法分析影響隔震效果的主要因素，考慮三類不同地基土場地，三類場地土分別為：硬土（對應I0，I1類場地）、中硬土（對應Ⅱ，Ⅲ類場地）和軟土（對應Ⅳ類場地），為尋求一般規律，每一類場地土采用三條不同的地震波記錄，將三條地震波下的加速度幅值比求平均值得到代表這一類場地土的加速度幅值比。

2.1地震動強度的影響

 該隔震結構在不同地基土上，β隨水平地震動加速度峰值的變化如圖5所示。

2.2隔震層阻尼比的影響

 基于2.1節的結構，通過僅改變隔震層阻尼比（阻尼比從0. 01~0.1逐漸變化）來研究隔震層阻尼比對隔震效果的影響，將三類不同場地土的地震波的加速度幅值均調整為3 m/s2作為隔震結構的地震激勵輸入，得到β隨阻尼比的變化如圖6所示。

2.3隔震層剛度的影響

 從圖5～7中可以看出，硬土地基上的結構的隔震效果明顯比其他類型場地土的結構的隔震效果好，軟土地基上的隔震結構由于結構的基頻與相應輸入的地震激勵的主頻非常接近，因而隔震效果表現得很差；當隔震層剛度逐漸減小，軟土地基上的隔震結構只有當其自振周期避開場地特征周期時才表現出一定的隔震效果；總之鋼筋瀝青隔震技術對于軟土地基上的建筑物的適用性比其他類型的場地土上的建筑物的差一些。

3  試驗研究與分析

 《建筑抗震設計規范》( GB  50011-2010)規定隔震結構宜選擇穩定性較好的場地，由2.1節可知，鋼筋瀝青隔震技術適用于中硬土場地（Ⅱ，Ⅲ類場地）與硬土場地（I類場地），本試驗針對建筑在較常見的中硬土場地上（Ⅱ，Ⅲ類場地）的鋼筋瀝青隔震結構，分析其隔震效果與剛度比的關系。

3.1試驗模型

 試驗主要設備有振動臺和941B拾振器，分別如圖8、圖9所示。數據采集系統采用941B型放大器、采集儀和DASP信號分析系統。

 本試驗主要針對中硬場地土，選擇相應的E1Centro和Taft地震波記錄，對鋼筋瀝青隔震層的隔震效果進行研究。振動臺臺面尺寸為1m×1m，難以在其上面做較大比例的模型試驗，利用現有的尺寸為1.5m×1.5m鋼框架，通過增減斜撐來模擬上部結構與鋼筋瀝青隔震層相對剛度的變化進行試驗，以獲取反映結構隔震效果的對比數據。本試驗所用的鋼筋瀝青隔震墩尺寸為200mm×240mm×500mm，通過試驗測得單個鋼筋瀝青隔震墩的抗側剛度為46. 8kN/m，本試驗采用了8個鋼筋瀝青隔震墩，則隔震層總剛度為374. 4kN/m。試驗中，調整El Centro波和Taft波加速度峰值均分別為70，125，220 cm／s2來模擬不同烈度下的地震作用。El Centro波和Taft波原始加速度時程曲線分別見圖10和圖11。試驗工況如表2所示，試驗模型如圖12所示。

3.2試驗結果

定義剛度比μ為：

式中：K*為隔震層上部結構等效抗側剛度；Kb為隔震層抗側剛度。

 本試驗是通過在頂點施加集中荷載F，測量頂點位移△，從而得到各工況下鋼框架模型的抗側剛度K= F/△，試驗如圖13所示。對于實際隔震層上部結構，用等效抗側剛度K*作為隔震層上部整個結構的抗側剛度的代表值。

 對于一個m層n跨的建筑結構，當頂層受到大小為F的水平力作用，其等效抗側剛度K*的計算公式推導過程如下：

 采集不同工況下El Centro波、Taft波加速度幅值均為70，125，220 cm／s2時的隔震層底部和隔震層上部的加速度幅值。以輸入El Centro波、Taft波加速度幅值均為220 cm／s2的情況為例進行分析，結果匯總于表3。

由表3可以看出，隨著支撐的改變，上部結構等效抗側剛度逐漸增大，而隔震層抗側剛度不變，即從工況1至工況6，剛度比隨著上部結構等效抗側剛度增大而增大，同時隨著剛度比的增大，隔震效果更明顯，當剛度比大于2.5時，加速度幅值比小于0.5。

 對加速度幅值比β取常用對數，其隨剛度比μ的變化規律見圖14。

 從表3及圖14可知，隨著剛度比的增加，加速度幅值比呈遞減規律；擬合得到的加速度幅值比β

關系。該直線近似通過點(1，0)，即當隔震層上部結構等效抗側剛度與隔震層抗側剛度相等時，加速度幅值比β=1，進一步說明剛度比要足夠大，鋼筋瀝青隔震結構才有隔震效果；同樣可以得到，當剛度比μ≥2.5時，加速度幅值比小于0.5。

4  結論

 (1)利用MATLAB編制時程分析程序，分析了地震動強度、隔震層阻尼比以及隔震層剛度對隔震效果的影響，對比發現鋼筋瀝青隔震技術應用于中硬土以及硬土場地上的建筑物時隔震效果較好，其中隔震層剛度對隔震效果的影響相對較大。

 (2)試驗研究結果表明，隔震層上部結構等效抗側剛度與隔震層抗側剛度的比值越大，隔震效果越明顯。

 (3)為保證鋼筋瀝青隔震結構取得理想的隔震效果，宜選擇中硬土場地（Ⅱ，Ⅲ類場地），甚至硬土場地（I類場地）；另外，剛度比盡可能大于2.5，從而使加速度幅值比小于0.5。