基础隔震结构的抗倾覆性研究

王梦圆++郑威++施建波++李玉荣

摘 要：为了了解砂与橡胶粒隔震垫层下隔震结构的抗倾覆特性，以砂与橡胶粒混合隔震垫层、纯砂隔震垫层、非隔震三种情况作为研究对象，建立4组高宽比为1.0，2.0，3.0，4.0的框架结构模型。通过抗倾覆性振动台试验，分析在不同垫层类型、垫层厚度、加速度峰值条件下的上部结构的抗倾覆性能。试验结果表明：结构的抗倾覆性能在砂与橡胶粒隔震垫层下要优于纯砂隔震垫层，非隔震情况下的抗倾覆性能最弱；当加速度峰值加大时，结构的抗倾覆性能随之降低。

关键词：振动台试验；隔震垫层；抗倾覆性

中图分类号：TU352.1 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2015）02-0032-05

（School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

Abstract：Taking sand and rubber particle hybrid isolation cushion and pure sand isolation cushion and non-isolated as the research object， 4 groups of frame structure models with length-width ratio of 1.0， 2.0， 3.0， 4.0 were established respectively. The anti-overturning performance of the superstructure under different cushion types， cushion thickness and acceleration peak was analyzed with anti - overturning shaking table test. The experimental results showed that the structural anti-overturning performance of the sand and rubber particle hybrid isolation cushion is better than that of pure sand isolation cushion， and the structural anti-overturning performance of the non-isolated cushion is the weakest. With the increase of peak value of the acceleration， anti-overturning performance of the structure decreases.

Key words：shaking table test； vibration isolation cushion layer； anti-overturn performance

基础隔震技术是在基础与主体之间设置一道隔震层，将建筑物与基础隔开，依靠隔震层的变形吸收、消耗地震波传递的能量，减少震动对上部结构的作用或延长建筑物的基本周期，避免发生共振，从而达到隔震、减震的作用。文献[1]研究表明：橡胶粒的存在可以有效地降低橡胶粒-砂混合物的动剪切模量，使橡胶颗粒作为基础隔震体系成为可能。文献[2]中振动台试验研究数据更进一步证明了砂与橡胶粒混合隔震垫层有着较好的隔震效果，由于隔震垫层将隔震结构上、下断开，所以容易产生倾覆失稳问题，而高宽比比值是研究结构抗倾覆性能的关键影响因素，因此本文通过抗倾覆性振动台试验，研究砂与橡胶粒隔震垫层下隔震结构的抗倾覆特性。

1 基本假定

随着隔震技术研究的深入，基础隔震结构研究范围从低层建筑向多、高层建筑拓展。多、高层建筑采用隔震技术时，上部结构的抗倾覆特性成为关键问题。高宽比比值较大且水平刚度很小的建筑隔震结构，在地震作用下非常容易发生剪切破坏，在进行地震反应分析时应按多质点体系来研究，试验中将隔震体系上部结构简化为多质点剪切模型结构，为使试验结果更加合理，需对隔震体系上部结构作一些基本假定：

1） 模型结构的质心和刚心重合，忽略上部结构发生扭转效应；

2） 模型每层楼面平面内刚度无限大；

3） 结构的倾覆力矩大于抗倾覆力矩时，即认为结构处于倾覆状态。

结构的倾覆力矩计算公式为

式中：X ··i和Xi分别为结构第i楼层的加速度和位移； X ··g为地震加速度； hi为结构第i楼层的高度（楼面距隔震层底部的距离）； B为结构基础底部宽度[3]。

2 振动台试验

试验是以砂与橡胶粒混合隔震垫层、纯砂隔震垫层、非隔震情况作为研究对象，通过4组高宽比比值为10，20，30，40的框架结构模型，以系数β=抗倾覆力矩/倾覆力矩来表征结构的抗倾覆性，分析不同垫层类型、垫层厚度及加速度峰值条件下的高宽比变化对结构抗倾覆性的影响，探究砂与橡胶粒混合隔震垫层下的变高宽比结构的抗倾覆性能。

21 试验设备

1） 振动台。为杭州邦威仪器厂的ES-E20单自由度电动伺服振动台，其主要参数如表1所示。

数据采集仪。选用北京波普公司的WS-5923型综合数据采集仪，由电荷放大器、功率放大器、控制信号源和16路数据采集通道组成。

22 模型的选择

1） 试验用条形砂箱设计。为更真实的模拟单层、单跨建筑在地震作用下的反应，将单支点简化模型改进为多支点简化模型，采用双条形支座砂箱作为隔震垫层底座。endprint

条形砂箱的设计，根据台面尺寸以及所用材料用量的计算要求，选用2 mm厚的钢板轧制而成，长×宽×高=700 mm×150 mm×200 mm。为了使砂箱很好的固定在振动台台面上，防止其在振动台起振时发生滑移，通过螺母将砂箱与振动台台面紧固的连接在一起。

2） 上部结构模型设计。试验采用不同高宽比比值的模型结构进行研究，经简化，假设结构楼面的平面内刚度无限大，而且质量中心和刚度中心重合，用厚5 mm的钢板来代替结构的每层楼板，节点处采用半刚性连接，上部结构模型的平面尺寸为30 mm×20 mm，层高为20 mm，通过改变层数来实现不同的高宽比比值。

23 试验方案

试验中所用材料：平均直径为5 mm的石英砂与平均直径为3 mm的橡胶粒。砂与橡胶粒（含量为50%）混合隔震垫层、纯砂隔震垫层均采用表3中垫层厚度为6 cm、12 cm、18 cm的试验方案，而非隔震的情况采用垫层厚度为0 cm，且不考虑上部结构与基础连接作用的试验方案。

24 试验加载方式

考虑单向水平地震作用，且加速度方向垂直于结构的长边及条形支座，检验在垂直波下，滑移隔震结构的抗倾覆性能。

试验采用EI-Centro波，通过滤波软件滤波后的地震波的最大加速度为220 cm/s2， 时间间隔为002 s，振动持续时间为20 s，积分后最大位移满足振动台最大位移的要求（50 mm），为研究不同加速度峰值条件下的结构的抗倾覆性能，采用加速度峰值为30 cm/s2、100 cm/s2、220 cm/s2。地震波的波形如图2所示。

图2 EI-Centro波的时程曲线3 抗倾覆性能分析

将采集的每组试验数据进行过滤，提取最大加速度值作为研究对象。通过得出的加速度值计算各个模型的倾覆力矩、抗倾覆力矩和表征系数，对比不同影响因素下变高宽比结构的抗倾覆性，从而证明高宽比限值的重要性，为下一步研究复合隔震垫层隔震结构的高宽比限值提供实验依据。

31 垫层厚度因素的影响

选用峰值加速度为220 cm/s2工况下的不同垫层厚度的结构抗倾覆性进行分析（见图3）。当取隔震垫层厚度为6 cm 时，同高宽比比值隔震结构的表征系数较小，说明其抗倾覆性较小，随着隔震垫层厚度增加至 18 cm，同高宽比比值隔震结构的表征系数增大，说明其抗倾覆性相对提高。随着高宽比比值的增大，隔震结构的抗倾覆性明显降低，而且垫层厚度对抗倾覆性的影响相对减小。随着垫层厚度的增加，隔震结构在砂与橡胶粒混合隔震垫层下整体的抗倾覆性均比纯砂垫层下的提高很多。因此垫层厚度对结构的抗倾覆性能是有益的，但并不是厚度越大抗倾覆性越好，最优厚度有待进一步研究。

图3 不同垫层厚度的抗倾覆性32 垫层类型因素的影响

选择垫层厚度为 12 cm，三种垫层工况下的各组试验数据作为分析对象，比较不同加速度峰值下的不同隔震垫层的表征系数（见图 4）。当隔震结构在高宽比比值较小时，表征系数较大，即表示结构的抗倾覆性强，随着比值的增加，结构的抗倾覆性呈下降趋势。隔震结构随着垫层类型的不同，结构的表征系数变化很大，说明结构的抗倾覆性能也相差很大。

图4 不同垫层类型的抗倾覆性

从图4中很明显的看出，结构在隔震的情况下的表征系数要比非隔震情况下提高很多，而砂与橡胶粒混合隔震垫层情况下的比纯砂隔震垫层情况略有提高，这说明结构在隔震情况下的抗倾覆性比非隔震情况下提高很多，而橡胶粒的掺加可以有利于改善结构的抗倾覆性。

33 加速度峰值因素的影响

在不同加速度峰值的条件下，选取砂与橡胶粒混合隔震垫层的不同厚度工况的试验数据进行分析，加速度峰值对变高宽比隔震结构抗倾覆性表征系数如图 5所示，在某一特定的隔震垫层厚度时，在结构同一高宽比比值的情况下，随着加速度峰值的增加，结构的抗倾覆表征系数呈降低的趋势，即隔震结构的抗倾覆性降低。随着垫层厚度的增加，加速度峰值的变化对隔震结构的抗倾覆性整体的影响趋势减小，并且随着高宽比比值的增大，减小程度越小。

图5 不同加速度峰值的抗倾覆性

4 结论

1） 随着垫层厚度的增加，隔震结构的抗倾覆性有所提高，表明垫层厚度的增加对提高结构的抗倾覆性是有益的，但并不是垫层厚度越厚，抗倾覆性越好，最优厚度有待于进一步研究。

2） 橡胶颗粒具有较好的弹性性能和抗疲劳性能，与纯砂垫层相比，橡胶粒的加入能够进一步改善砂垫层的隔震性能，使隔震垫层在地震时很快进入工作状态，因此，结构的抗倾覆性能在砂与橡胶粒隔震垫层下要优于纯砂隔震垫层，且非隔震情况下的抗倾覆性能最弱。

3） 上部结构的加速度响应随加速度峰值的增大呈增大趋势，对隔震结构的抗倾覆性具有明显的消弱作用。

参考文献：

[1] 尚守平， 岁小溪， 周志锦，等. 橡胶颗粒-砂混合物剪切模量的试验研究[J]. 岩土力学， 2010，31（2）：377-381.

[2] 施建波，王晴晴，王梦圆，等.砂与橡胶粒隔震层的地震响应研究[J].建筑结构，2014，44（6）：90-92.

[3] 李宏男，王苏岩，贾俊辉.采用基础摩擦隔震房屋高宽比限值的研究[J].地震工程与工程振动，1997，17（3）：73-76.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011-2010建筑结构抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.endprint