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摘要：通过介绍隔震技术的发展与研究现状，分析了隔震机理与隔震体系的基本特性。针对我国广大村镇地区抗震设防事业发展现状，提出将砂-橡胶粒隔震垫层作为一种隔震材料用于基础隔震中去。以砂-橡胶粒隔震垫层作为研究对象，通过理论分析和振动台试验，研究砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果。实验结果表明，隔震垫层加速度折减系数在0.212～0.592，位移放大系数稳定在1.01～1.39；砂-橡胶粒隔震垫层改善了上部结构的动力特性，具有明显的隔震效果，适合在村镇推广使用。
关键词：砂-橡胶粒隔震垫层；村镇建筑；振动台试验
中图分类号： TU352.12文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）03-0017-06
Abstract：By reviewing the development and research of seismic isolation techniques for civil engineering structures， this paper investigates the control mechanism of the isolation and the fundamental characteristics of isolation system. In view of the development status of earthquake fortification of the buildings in villiage of our country， the sand-rubber vibration isolation cushion is proposed as a kind of seismic isolation material in base isolation in building. The damping effect of the sand-rubber vibration isolation cushion is investigated by theoretical analysis and shake table test on sand-rubber vibration isolation cushion. The test result show that the acceleration reduction factor of isolation cushion was between 0.186～0.592， and the displacement amplification factor was between 1.02～1.39； The superstructure’s dynamic property was improved anda good seismic reduction effect was exhibited due tosand-rubber vibration isolation cushion， which is suitable to be used in rural areas.
Key words：sand-rubber vibration isolation cushion； rural buildings； shaking table test
地震預报是一个世界性的难题，地震因其具有突发性和破坏性，人类社会的生命财产安全面临着巨大的威胁，如：1976年唐山地震、2008年汶川地震、2013年雅安地震，大多数发生在农村地区，受限于经济因素，村镇抗震设防事业发展受到制约，地震造成的破坏极其严重。因此，研究经济适用、易于施工的村镇抗震减灾技术具有很大的现实意义。
现阶段国内外常采用的隔震措施可分为两类：橡胶垫支座隔震和滑移隔震[1]，前者一般为多层橡胶和薄钢板相互叠合。文献[2]对叠层橡胶垫性能进行研究，指出叠层橡胶垫竖向承载力和水平剪切能力极高，并且竖向刚度远大于水平刚度，可为建筑物隔震用。文献[3]指出采用铅芯橡胶隔震支座增加了阻尼，提高了耗能能力，而且可作为限位装置。但是，相比较其高昂的造价、复杂的制造和施工工艺，在我国经济相对落后的村镇地区不太适用[4]；后者是在基础或层间等部位设置滑移摩擦元件和限位耗能元件，通过上下摩擦面的相对滑动耗能而有效地限制地震能量向上部传递和向下部反馈[5]。文献[6]还指出影响摩擦滑移隔震支座隔震效果的主要因素有地震波的类型和峰值。文献[7-8]对砂垫层性能进行研究，研究表明单一粒径的砂垫层较连续粒径砂垫层隔震效果好，粒径越大隔震效果越好，随着隔震垫层厚度的增加，减震率有所提高。文献[9-11]对橡胶颗粒-砂混合物进行研究，提出将橡胶颗粒-砂混合物作为隔震材料的设想。文献[12-13]对村镇建筑隔震措施进行了大量的振动台试验研究。
针对以上问题，本文提出将砂-橡胶粒隔震垫层应用到村镇建筑中，并介绍其构造及工作原理，同时进行振动台模拟试验，对其隔震效果进行分析研究。
式中：[M]为质量矩阵，{x¨}为加速度向量，[C]阻尼矩阵，{x·}为速度向量，[K]为刚度矩阵，{x}为位移向量。
由于砂-橡胶粒隔震垫层阻尼系数大于基础固定时底层阻尼系数，其余各楼层阻尼系数相同，说明垫层可有效阻止地震作用向结构上部传递；垫层水平刚度较低，发生地震时，结构大部分变形发生在垫层部分，故砂-橡胶粒隔震垫层可起到有效的减震作用。
为了验证砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果，本文进行了振动台模型试验。
2.1模型简化 村镇建筑多为砖砌、框架结构，抗弯刚度很大，地震作用时结构变形多以层间错动为主，层间变形处于弹性状态，采用集中质量的多自由度体系模型，如图1所示。
2.2模型制作
振动台试验以村镇三层框架结构为原型，平面尺寸6 000mm×4 500mm，层高3 000mm。为了验证砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果，需制作简化模型，采用柱子为完全弹性的集中质量多自由度体系模型，假设每层楼板刚度无限大，用5mm钢板代替，柱子用直径8mm钢筋代替。模型参数如下：模型层数为3层，平面尺寸为400mm×300mm，层高200mm，模型尺寸相似比Sl为0.067。
2.3试验设备
试验设备主要有振动台、加速度传感器、位移传感器、数据采集仪。振动台是由杭州邦威仪器厂生产的ES-E20单自由度电动伺服振动台，其主要参数如表1所示。
2.4试验材料及设备安装
根据文献[15-16]的研究成果，橡胶粒体积含量45%为最优配比，试验采用橡胶粒体积含量为45%，厚度为60mm的砂-橡胶粒隔震垫层；用砂箱盛放砂-橡胶粒隔震垫层，为避免“模型箱效应”，砂箱内衬泡沫吸收侧向边界波以模拟土边界条件，砂箱与振动台采用螺栓连接，使砂箱固定在振动台上。试验时，限制模型y轴方向位移。设备安装如图2所示。
为了测量结构在地震作用下砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果，试验时在振动台面布置加速度传感器A1和位移传感器B1，测试台面地震输入，结构上布置加速度传感器A2-A5和位移传感器B2-B5，测试结构地震反应。测点布置如图3所示。
3.1试验现象
1） 当台面加速度输入在0.1g及以下时，结构与砂-橡胶粒隔震垫层基本不产生相对滑动，振后可以恢复原位。
2） 当台面加速度输入达到0.22g时，结构与砂-橡胶粒隔震垫层产生相对滑动，结构变形较大，随着台面加速度的增大，结构晃动越来越剧烈。
3.2数据分析
1） 加速度反应分析
① 分析结构在不同工况下，基础隔震与基础固定时各楼层加速度反应，如图4所示。
由图4可知，在不同工况下，结构在有基础隔震时各楼层最大加速度值较基础固定时都有所减小，随着输入地震波的不斷增大，有基础隔震的一组结构各层加速度值之差不断减小，而基础固定的一组各层加速度值波动较大。
2） 位移分析
①振动台输入不同加速度（El Centro波），对比结构在有基础隔震和基础固定时各楼层位移反应，分析结构在砂-橡胶粒隔震垫层上的动力特性，如图5所示。根据图5可以得出以下结论：基础固定时，结构相当于位移放大器，结构各楼层位移自下而上呈倒三角形；当采用砂-橡胶粒隔震垫层时，结构各楼层位移不再呈倒三角，层间位移较基础固定时减小。
以农村自建房为例，其隔震设计必须确保“小震不坏”的基本原则，以“大震复位易修”的目标设计。
砂-橡胶粒隔震垫层上、下设置圈梁或框架梁等，如图6所示，形成平面内刚度很大或整体性很好的传力层和持力层，传递上部结构竖向荷载和水平荷载；根据文献[16]的研究成果，橡胶粒占垫层体积含量45%为宜，垫层的厚度在60～120mm为宜，垫层在小震情况下具有一定的复位能力，并且具有很好的竖向承载能力；垫层水平刚度很小，能够很好的延长结构自振周期，变形主要发生在垫层里，在罕遇地震作用下，圈梁的上、下摩擦面通过与垫层相互滑动，摩擦消耗地震能量。
为了施工方便，垫层顶与室外地坪位于同一高度，地震发生后，会给结构的复位工作造成一定的困难。
1） 基础隔震时，分析结构一层加速度和位移反应，加速度折减系数在0.212～0.592，位移放大系数稳定在1.01～1.39之间，在不同工况下，隔震垫层都具有一定的减震效果。
2） 对比结构各楼层在有无基础隔震时加速度及位移反应，结构在有基础隔震时，各楼层之间加速度、位移反应、层间加速度和层间位移随着加速度的不断增大较基础固定时明显减小，砂-橡胶粒隔震垫层有效改善了结构的动力特性。
3） 试验只验证砂-橡胶粒隔震垫层对水平地震作用具有良好的减震效果，对竖向地震作用未作研究。
4） 砂-橡胶粒隔震垫层取材广泛、造价低廉、施工简便，具有良好的隔震效果，非常适合在我国广大的村镇地区推广使用，具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1]苏经宇，曾德明.我国建筑隔震技术的研究和应用[J].地震工程与工程振动，2001，21（4）：94-101.
[2]冼巧玲，周福霖，王伟.橡胶垫隔震框架结构试验研究[J].世界地震工程，1996（2）：23-28.
[3]徐忠根，周福霖，王荣辉.我国首座采用铅芯橡胶隔震支座的公路桥梁-石津渠中桥[J].中南公路工程，2002，27（2）：50-51.
[4]曹万林，戴租远，叶炜，等.村镇建筑低成本隔震技术研究现状与展望[J]. 自然灾害学报，2014，23（6）： 38-46. [5]张文芳，李爱群，税国斌.建筑物滑移隔震现状及新进展[J].东南大学学报，1997，27（S1）：345-49.
[6]涂劲松，李珠，刘元珍. 摩擦摆隔震支座振动台试验、数值仿真及应用研究[J]. 世界地震工程，2014（2）：237-246.
[7]赵少伟，窦远明，郭蓉，等.基础下砂垫层隔震性能振动台试验研究[J].河北工业大学学报，2005，34（3）：92-97.
[8]赵少伟.砌体结构基础下砂垫层隔震性能试验研究[D].天津：河北工业大学，2004.
[9]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].岩石力学，2010，31（2）：377-381.
[10]MASAD E， TAHA R， HO C， et al. Engineering properties of tire/soil mixtures as a lightweight fill material[J]. Geotechnical Testing Journal， 1996， 19（3）： 297-304.
[11]TANG HING-HO. Seismic isolation by rubber—soil mixtures for developing countries[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics，2007，37（37）：283-303.
[12]曹万林，周中一，王卿，等. 农村房屋新型隔震与抗震砌体结构振动台试验研究[J].振动与冲击，2011，30（11）： 209-213.
[13]黄辰蕾. 不同抗震构造措施土坯墙结构农房振动台试验研究与对比分析[D].西安： 西安建筑科技大学，2013.
[14]FENG ZHENG-YI，KEVIN G SUTTER.Dynamic properties of granulated rubber/sand mixtures[J].Geotechical Testing Journal，2000，23（3）：338-344.
[15]施建波， 王晴晴， 王夢园，等. 砂与橡胶粒隔震垫层的地震响应研究[J]. 建筑结构， 2014（6）：90-92.
[16]王晴晴，郑威，施建波，等. 砂与橡胶粒隔震垫层最优配比的研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2015，35（1）：16-18.
（责任编辑：李丽，吴晓红，编辑：丁寒）
关键词：砂-橡胶粒隔震垫层；村镇建筑；振动台试验
中图分类号： TU352.12文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）03-0017-06
Abstract：By reviewing the development and research of seismic isolation techniques for civil engineering structures， this paper investigates the control mechanism of the isolation and the fundamental characteristics of isolation system. In view of the development status of earthquake fortification of the buildings in villiage of our country， the sand-rubber vibration isolation cushion is proposed as a kind of seismic isolation material in base isolation in building. The damping effect of the sand-rubber vibration isolation cushion is investigated by theoretical analysis and shake table test on sand-rubber vibration isolation cushion. The test result show that the acceleration reduction factor of isolation cushion was between 0.186～0.592， and the displacement amplification factor was between 1.02～1.39； The superstructure’s dynamic property was improved anda good seismic reduction effect was exhibited due tosand-rubber vibration isolation cushion， which is suitable to be used in rural areas.
Key words：sand-rubber vibration isolation cushion； rural buildings； shaking table test
地震預报是一个世界性的难题，地震因其具有突发性和破坏性，人类社会的生命财产安全面临着巨大的威胁，如：1976年唐山地震、2008年汶川地震、2013年雅安地震，大多数发生在农村地区，受限于经济因素，村镇抗震设防事业发展受到制约，地震造成的破坏极其严重。因此，研究经济适用、易于施工的村镇抗震减灾技术具有很大的现实意义。
现阶段国内外常采用的隔震措施可分为两类：橡胶垫支座隔震和滑移隔震[1]，前者一般为多层橡胶和薄钢板相互叠合。文献[2]对叠层橡胶垫性能进行研究，指出叠层橡胶垫竖向承载力和水平剪切能力极高，并且竖向刚度远大于水平刚度，可为建筑物隔震用。文献[3]指出采用铅芯橡胶隔震支座增加了阻尼，提高了耗能能力，而且可作为限位装置。但是，相比较其高昂的造价、复杂的制造和施工工艺，在我国经济相对落后的村镇地区不太适用[4]；后者是在基础或层间等部位设置滑移摩擦元件和限位耗能元件，通过上下摩擦面的相对滑动耗能而有效地限制地震能量向上部传递和向下部反馈[5]。文献[6]还指出影响摩擦滑移隔震支座隔震效果的主要因素有地震波的类型和峰值。文献[7-8]对砂垫层性能进行研究，研究表明单一粒径的砂垫层较连续粒径砂垫层隔震效果好，粒径越大隔震效果越好，随着隔震垫层厚度的增加，减震率有所提高。文献[9-11]对橡胶颗粒-砂混合物进行研究，提出将橡胶颗粒-砂混合物作为隔震材料的设想。文献[12-13]对村镇建筑隔震措施进行了大量的振动台试验研究。
针对以上问题，本文提出将砂-橡胶粒隔震垫层应用到村镇建筑中，并介绍其构造及工作原理，同时进行振动台模拟试验，对其隔震效果进行分析研究。
1理论分析
式中：[M]为质量矩阵，{x¨}为加速度向量，[C]阻尼矩阵，{x·}为速度向量，[K]为刚度矩阵，{x}为位移向量。
由于砂-橡胶粒隔震垫层阻尼系数大于基础固定时底层阻尼系数，其余各楼层阻尼系数相同，说明垫层可有效阻止地震作用向结构上部传递；垫层水平刚度较低，发生地震时，结构大部分变形发生在垫层部分，故砂-橡胶粒隔震垫层可起到有效的减震作用。
2振动台试验
为了验证砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果，本文进行了振动台模型试验。
2.1模型简化 村镇建筑多为砖砌、框架结构，抗弯刚度很大，地震作用时结构变形多以层间错动为主，层间变形处于弹性状态，采用集中质量的多自由度体系模型，如图1所示。
2.2模型制作
振动台试验以村镇三层框架结构为原型，平面尺寸6 000mm×4 500mm，层高3 000mm。为了验证砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果，需制作简化模型，采用柱子为完全弹性的集中质量多自由度体系模型，假设每层楼板刚度无限大，用5mm钢板代替，柱子用直径8mm钢筋代替。模型参数如下：模型层数为3层，平面尺寸为400mm×300mm，层高200mm，模型尺寸相似比Sl为0.067。
2.3试验设备
试验设备主要有振动台、加速度传感器、位移传感器、数据采集仪。振动台是由杭州邦威仪器厂生产的ES-E20单自由度电动伺服振动台，其主要参数如表1所示。
2.4试验材料及设备安装
根据文献[15-16]的研究成果，橡胶粒体积含量45%为最优配比，试验采用橡胶粒体积含量为45%，厚度为60mm的砂-橡胶粒隔震垫层；用砂箱盛放砂-橡胶粒隔震垫层，为避免“模型箱效应”，砂箱内衬泡沫吸收侧向边界波以模拟土边界条件，砂箱与振动台采用螺栓连接，使砂箱固定在振动台上。试验时，限制模型y轴方向位移。设备安装如图2所示。
为了测量结构在地震作用下砂-橡胶粒隔震垫层的减震效果，试验时在振动台面布置加速度传感器A1和位移传感器B1，测试台面地震输入，结构上布置加速度传感器A2-A5和位移传感器B2-B5，测试结构地震反应。测点布置如图3所示。
3试验现象及数据分析
3.1试验现象
1） 当台面加速度输入在0.1g及以下时，结构与砂-橡胶粒隔震垫层基本不产生相对滑动，振后可以恢复原位。
2） 当台面加速度输入达到0.22g时，结构与砂-橡胶粒隔震垫层产生相对滑动，结构变形较大，随着台面加速度的增大，结构晃动越来越剧烈。
3.2数据分析
1） 加速度反应分析
① 分析结构在不同工况下，基础隔震与基础固定时各楼层加速度反应，如图4所示。
由图4可知，在不同工况下，结构在有基础隔震时各楼层最大加速度值较基础固定时都有所减小，随着输入地震波的不斷增大，有基础隔震的一组结构各层加速度值之差不断减小，而基础固定的一组各层加速度值波动较大。
2） 位移分析
①振动台输入不同加速度（El Centro波），对比结构在有基础隔震和基础固定时各楼层位移反应，分析结构在砂-橡胶粒隔震垫层上的动力特性，如图5所示。根据图5可以得出以下结论：基础固定时，结构相当于位移放大器，结构各楼层位移自下而上呈倒三角形；当采用砂-橡胶粒隔震垫层时，结构各楼层位移不再呈倒三角，层间位移较基础固定时减小。
以农村自建房为例，其隔震设计必须确保“小震不坏”的基本原则，以“大震复位易修”的目标设计。
砂-橡胶粒隔震垫层上、下设置圈梁或框架梁等，如图6所示，形成平面内刚度很大或整体性很好的传力层和持力层，传递上部结构竖向荷载和水平荷载；根据文献[16]的研究成果，橡胶粒占垫层体积含量45%为宜，垫层的厚度在60～120mm为宜，垫层在小震情况下具有一定的复位能力，并且具有很好的竖向承载能力；垫层水平刚度很小，能够很好的延长结构自振周期，变形主要发生在垫层里，在罕遇地震作用下，圈梁的上、下摩擦面通过与垫层相互滑动，摩擦消耗地震能量。
为了施工方便，垫层顶与室外地坪位于同一高度，地震发生后，会给结构的复位工作造成一定的困难。
5结论
1） 基础隔震时，分析结构一层加速度和位移反应，加速度折减系数在0.212～0.592，位移放大系数稳定在1.01～1.39之间，在不同工况下，隔震垫层都具有一定的减震效果。
2） 对比结构各楼层在有无基础隔震时加速度及位移反应，结构在有基础隔震时，各楼层之间加速度、位移反应、层间加速度和层间位移随着加速度的不断增大较基础固定时明显减小，砂-橡胶粒隔震垫层有效改善了结构的动力特性。
3） 试验只验证砂-橡胶粒隔震垫层对水平地震作用具有良好的减震效果，对竖向地震作用未作研究。
4） 砂-橡胶粒隔震垫层取材广泛、造价低廉、施工简便，具有良好的隔震效果，非常适合在我国广大的村镇地区推广使用，具有广阔的发展前景。
参考文献：
[1]苏经宇，曾德明.我国建筑隔震技术的研究和应用[J].地震工程与工程振动，2001，21（4）：94-101.
[2]冼巧玲，周福霖，王伟.橡胶垫隔震框架结构试验研究[J].世界地震工程，1996（2）：23-28.
[3]徐忠根，周福霖，王荣辉.我国首座采用铅芯橡胶隔震支座的公路桥梁-石津渠中桥[J].中南公路工程，2002，27（2）：50-51.
[4]曹万林，戴租远，叶炜，等.村镇建筑低成本隔震技术研究现状与展望[J]. 自然灾害学报，2014，23（6）： 38-46. [5]张文芳，李爱群，税国斌.建筑物滑移隔震现状及新进展[J].东南大学学报，1997，27（S1）：345-49.
[6]涂劲松，李珠，刘元珍. 摩擦摆隔震支座振动台试验、数值仿真及应用研究[J]. 世界地震工程，2014（2）：237-246.
[7]赵少伟，窦远明，郭蓉，等.基础下砂垫层隔震性能振动台试验研究[J].河北工业大学学报，2005，34（3）：92-97.
[8]赵少伟.砌体结构基础下砂垫层隔震性能试验研究[D].天津：河北工业大学，2004.
[9]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].岩石力学，2010，31（2）：377-381.
[10]MASAD E， TAHA R， HO C， et al. Engineering properties of tire/soil mixtures as a lightweight fill material[J]. Geotechnical Testing Journal， 1996， 19（3）： 297-304.
[11]TANG HING-HO. Seismic isolation by rubber—soil mixtures for developing countries[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics，2007，37（37）：283-303.
[12]曹万林，周中一，王卿，等. 农村房屋新型隔震与抗震砌体结构振动台试验研究[J].振动与冲击，2011，30（11）： 209-213.
[13]黄辰蕾. 不同抗震构造措施土坯墙结构农房振动台试验研究与对比分析[D].西安： 西安建筑科技大学，2013.
[14]FENG ZHENG-YI，KEVIN G SUTTER.Dynamic properties of granulated rubber/sand mixtures[J].Geotechical Testing Journal，2000，23（3）：338-344.
[15]施建波， 王晴晴， 王夢园，等. 砂与橡胶粒隔震垫层的地震响应研究[J]. 建筑结构， 2014（6）：90-92.
[16]王晴晴，郑威，施建波，等. 砂与橡胶粒隔震垫层最优配比的研究[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2015，35（1）：16-18.
（责任编辑：李丽，吴晓红，编辑：丁寒）