一種新型三維隔震墩隔震性能試驗研究

尚守平,崔向龍

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙　410082)

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一種新型三維隔震墩隔震性能試驗研究

尚守平,崔向龍

(湖南大學 土木工程學院,湖南 長沙410082)

摘要:文章研究開發(fā)了一種性能優(yōu)越、造價低廉、施工方便、適合農(nóng)村民居使用的新型三維隔震墩,三維隔震墩以普通圓柱螺旋壓縮彈簧為核心受力構(gòu)件；介紹了隔震墩的工作原理、設計理論及制作方法,并進行了擬靜力試驗與豎向振動臺試驗。試驗結(jié)果表明三維隔震墩豎向與水平向隔震性能十分優(yōu)越,適合在高烈度農(nóng)村地區(qū)推廣使用。

關鍵詞:三維隔震墩;隔震性能;彈簧;農(nóng)村民居;隔震

0引言

基礎隔震作為一種抵御地震的有效方法越來越得到人們的認可和重視,國內(nèi)外專家對于基礎隔震進行了大量的理論與試驗研究,許多隔震裝置已經(jīng)進入了實際應用階段,并且經(jīng)受住了地震的考驗,表現(xiàn)出了卓越的性能[1-3]。由于地震本身的多維特性,對于一些高烈度地區(qū)和震中附近的建筑,同時考慮豎向地震作用與水平地震作用是非常必要和重要的。

但是,國內(nèi)外對于三維隔震的研究至今尚無實質(zhì)性進展[4]。

傳統(tǒng)觀點認為,震中區(qū)的豎向地震很大。其實在非震中區(qū),豎向地震的影響也不小。結(jié)構(gòu)實際取用的水平與豎向地震影響系數(shù)對比圖如圖1所示。由于結(jié)構(gòu)的水平剛度往往小于豎向剛度,因此結(jié)構(gòu)的水平自振周期往往較大,實際取用的地震影響系數(shù)往往處于曲線下降段;結(jié)構(gòu)的豎向剛度往往較大,因此結(jié)構(gòu)的豎向自振周期往往較小,實際取用的地震影響系數(shù)往往處于最大值(水平線);豎向地震影響系數(shù)和水平地震影響系數(shù)往往都在一個差不多的水平。

圖1　結(jié)構(gòu)實際取用的水平與豎向地震影響系數(shù)對比圖

在汶川、雅安等地震中,地震區(qū)的百姓反映地震來時如同“泥牛翻背”。這在側(cè)面反映出地震區(qū)特別是高烈度區(qū)的豎向地震作用不容忽略。近年來,幾次強震對我國人民生命財產(chǎn)造成嚴重破壞,這都是在豎向地震與水平地震的共同作用下造成的。因此,研究、開發(fā)能夠同時隔離豎向地震和水平地震作用的三維隔震裝置有著迫切的現(xiàn)實意義。目前,越來越多的專家學者投入到對豎向地震的研究中,對三維隔震進行了一些有益的探索,大部分研究尚未進入實際應用階段。本文在原有鋼筋瀝青隔震層[5]和水平隔震墩[6]的基礎上,提出了一種新型三維隔震墩,通過振動臺試驗測試了它在豎向及水平向的隔震效果。

1三維隔震墩的工作原理與設計理論

1.1三維隔震墩的工作原理

三維隔震墩由上、下混凝土墩塊,隔震單元和瀝青油膏組成。隔震單元為特種鋼圓柱螺旋壓縮彈簧,作為核心受力構(gòu)件有效錨固于上、下混凝土墩塊中。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的荷載情況,改變彈簧的個數(shù)、自由高度、圈數(shù)、直徑、絲徑等相關參數(shù)來調(diào)整三維隔震墩的水平剛度及豎向剛度,獲得合適的減震效果，如圖2所示。

圖2　三維隔震墩剖面圖

在基本烈度地震作用下,隔震單元(彈簧)始終處于彈性狀態(tài),上部結(jié)構(gòu)在三維隔震墩上做水平與豎向的小位移振動,主要變形集中在隔震墩組成的隔震層內(nèi)。與不隔震的結(jié)構(gòu)相比,上部結(jié)構(gòu)地震響應明顯減弱。地震作用結(jié)束時,由于隔震單元始終處于彈性狀態(tài),具有復位功能,上部結(jié)構(gòu)恢復至初始位置或附近,實現(xiàn)“中震不壞”的抗震設防要求(設防目標提高了)。罕遇地震作用下,隔震單元發(fā)生較大變形,隔震彈簧在豎向地震與水平地震的耦合作用下屈服,三維隔震墩上墩塊落在下墩塊的墩壁上,由于上、下墩塊間以及上墩塊與墩壁間填充有瀝青油膏,上部結(jié)構(gòu)在墩壁上繼續(xù)滑動,成為阻尼較大的滑動支座,仍然降低地震作用,實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設防要求。上、下墩塊間隙及中間槽的瀝青油膏除保護隔震單元不受腐蝕以外,還提供一定的阻尼,達到耗能減震的效果。

1.2三維隔震墩的設計理論

隔震單元作為三維隔震墩的核心受力構(gòu)件,每個隔震墩含有若干個隔震單元,在忽略鋼筋初始缺陷及施工誤差等因素的影響下,可以認為隔震墩各個隔震單元受力狀態(tài)基本一致。根據(jù)上部荷載情況調(diào)整隔震單元的相關參數(shù),從而達到三維隔震的效果。

確定隔震彈簧的豎向剛度和水平剛度是隔震單元設計的核心內(nèi)容,本文用彈性力學的方法計算彈簧水平剛度,隔震單元受力簡圖如圖3所示。

圖3　隔震單元受力簡圖

本文關于彈簧水平剛度計算借鑒了車輛工程中普通圓柱螺旋彈簧橫向剛度[7]的推導公式,彈簧的水平剛度與上部荷載及自身參數(shù)相關。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,kv為彈簧豎向剛度;kh為彈簧水平剛度,H為彈簧自由高度;D為彈簧大直徑;d為彈簧絲直徑;δv為彈簧豎向壓縮量;G為彈簧剪切模量;n為彈簧圈數(shù);P為軸向荷載；Pcr為臨界荷載。

通過統(tǒng)計隔震層中隔震單元(彈簧)的個數(shù),可以得到整個隔震層的豎向總剛度和水平總剛度,計算出隔震層的水平自振周期和豎向自振周期,從而進行三維隔震設計。

隔震層的水平總剛度為:

Kh=Nkh

(5)

隔震層的豎向總剛度為:

Kv=Nkv

(6)

其中,N為隔震層中隔震單元的個數(shù);Kh為隔震層水平總剛度;Kv為隔震層豎向總剛度。

2三維隔震墩設計制造及試驗

2.1三維隔震墩設計

試驗用三維隔震墩按上部重力荷載為2.0 t設計(4個隔震墩),每個隔震墩放置3個隔震單元,豎向彈簧采用普通圓柱螺旋壓縮彈簧,中徑D=40 mm,絲徑d=8 mm,有效圈數(shù)n=10,自由高度H=160 mm。單根彈簧極限工作荷載p=2 626.2 N,彈簧豎向剛度理論值kv=63.2 N/mm,試驗荷載壓縮量h=26 mm,彈簧水平剛度理論值kh=15.01 N/mm,混凝土強度等級為C40。單個三維隔震墩豎向承載力理論值為7.878 kN,豎向剛度理論值為189.6 N/mm,水平剛度理論值為45.03 N/mm。試件尺寸為200 mm×240 mm×600 mm。

2.2三維隔震墩制作

將彈簧與鋼筋籠固定好,統(tǒng)一放入鋼模具中,澆筑成型并在湖南大學結(jié)構(gòu)防災減災實驗室養(yǎng)護到設計強度,三維隔震墩實物圖如圖5所示。

圖4　三維隔震墩鋼模板與內(nèi)部構(gòu)件

圖5　三維隔震墩實物圖

2.3試驗及結(jié)果

擬靜力試驗在湖南大學力學試驗室進行,單個三維隔震墩豎向承載力實測值為6.523 kN,豎向剛度實測值為173.3 N/mm,水平剛度實測值為39.6 N/mm。豎向振動試驗在湖南大學結(jié)構(gòu)防災減災試驗室振動臺上進行,振動臺尺寸為1.2 m×1.4 m,最大負荷為4 t。試驗用2 t剛體質(zhì)量塊代替剛度和重力較大的村鎮(zhèn)低矮建筑。振動臺面放置4個三維隔震墩,并用螺栓固定,用來支撐上部剛體質(zhì)量塊。振動臺試驗如圖6所示。

試驗采用中國地震局工程研究所生產(chǎn)的941B型拾振器進行加速度采集,分別采集水平X、Y和豎向Z 3個方向的振動臺面輸入加速度與剛體塊頂部的輸出加速度。在振動臺臺面與剛體塊頂面分別對應放置3個方向的拾振器,為確保試驗數(shù)據(jù)準確,每個方向布置3個拾振器,記錄實驗過程中的加速度數(shù)據(jù)。拾振器布置如圖7所示。

圖6　豎向振動臺試驗

圖7　試驗測點布置圖

從現(xiàn)有的地震動觀測記錄來看,豎向地震動的卓越周期一般為0.1～0.15 s,即卓越周期在6.7～10 Hz間[8],本試驗采用主頻率為6、7、8 Hz的波模擬豎向地震作用,觀測上部剛體塊在3種工況下的地震反應,測試三維隔震墩的隔震性能,持續(xù)時間為30 s。3個方向上輸入和輸出的加速度時程曲線(以8 Hz為例)如圖8所示。

圖8　輸入輸出加速度時程曲線

因為彈簧的側(cè)向剛度遠小于鋼筋的水平剛度,三維隔震墩的水平隔震效果比鋼筋隔震層的效果更好,限于篇幅問題,不再贅述。

在振動臺試驗中,通過對3個方向輸入和輸出的加速度進行觀察,發(fā)現(xiàn)三維隔震墩在三維振動下減震效果很好(減震系數(shù)大多在0.25以下),振動結(jié)束后,隔震單元基本恢復到原來位置,說明三維隔震墩具有很好的自動復位功能,實現(xiàn)了設計要求的“中震不壞,大震不倒”的功能。

3結(jié)論

(1)彈簧三維隔震墩適用于距離巖石斷層10 km以內(nèi)地區(qū)(潛在的震中區(qū))或雖然距離巖石斷層10 km以外但其重要性很強(例如文物保護建筑)的建筑。

(2)彈簧三維隔震墩在滿足承載力的情況下,可以實現(xiàn)極佳的三維隔震的效果,設計理論值與試驗實測值符合較好。

(3)彈簧三維隔震墩豎向與水平向地震作用衰減系數(shù)在0.3以下,表明該隔震墩減震效果十分優(yōu)越。

(4)彈簧三維隔震墩豎向承載力有限,只用于1～3層的村鎮(zhèn)建筑或文物保護建筑。

[參考文獻]

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(責任編輯張镅)

Experimental study of isolation performance of a new type of three-dimensional isolation pier

SHANG Shou-ping,CUI Xiang-long

(School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

Abstract:This paper focuses on the development of a new three-dimensional isolation pier,which is applicable in rural residential areas,with superior performance,low cost and convenient installation.The three-dimensional isolation pier employs ordinary cylindrical helix compression spring as its core force component.The operating principle,design philosophy and manufacture methods of isolation pier are introduced.The quasi-static test and vertical shaking table test are also conducted,and the tests results show that the vertical and horizontal isolation performance of three-dimensional isolation pier is excellent for promoting in high intensity rural areas.

Key words:three-dimensional isolation pier;isolation performance;spring;rural residential area;isolation

收稿日期：2015-08-04；修回日期：2015-10-12

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2011BAJ08B02);湖南省科技重點資助項目(064SK4057)

作者簡介：尚守平(1953-),男,山東黃縣人,湖南大學教授,博士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.017

中圖分類號:TU352.1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0514-04