周錫元

鋼隔震墩框架振動臺試驗研究

尚守平;羅惟賢;王振;肖逸夫

【期刊名稱】《《鐵道科學與工程學報》》

【年(卷),期】2019(016)008

【總頁數】9頁(P2043-2051)

【關鍵詞】鋼筋混凝土框架;鋼隔震墩;地震模擬振動臺試驗;隔震效果

【作者】尚守平;羅惟賢;王振;肖逸夫

【作者單位】湖南大學土木工程學院湖南長沙410082

【正文語種】中文

【中圖分類】TU352

基礎隔震是在基礎上部與結構底部之間設置隔震裝置，使結構自振周期增大，隔離

地基向上部結構的地震能量的傳輸，從而降低結構的地震反應，達到保護結構安全

的目的[1?4]。20世紀70年代Robinson等[5]針對結構抗震能力不足的問題，根

據基礎隔震理論，發明鉛芯橡膠隔震支座。唐家祥等[6]針對黏結型疊層橡膠隔震

支座工藝復雜的問題，對工藝較為簡單的無黏結型疊層橡膠隔震支座進行了可靠性

試驗研究，證明了其合理性。周錫元等[7]針對橡膠支座發生大變形失穩破壞的問

題，發展了滑動橡膠隔震體系。張文芳等[8]為探究基礎滑移體系隔震效果，對采

用滑動橡膠支座隔震磚房進行振動臺試驗研究，證明了基礎滑移體系具有良好隔震

效果。Ceccoli等[9]對高阻尼橡膠隔震支座框架結構進行地震反應分析，證明了高

阻尼橡膠隔震支座適用于框架結構。從當前理論及運用情況分析[10]，疊層橡膠

隔震支座作為基礎隔震體系運用最為廣泛，但其較為高昂的造價不適宜于在我國農

村地區的大量推廣。尚守平等[11?12]針對此不足，提出了一種適用于農村低層房

屋的鋼筋?瀝青隔震層技術，進行足尺隔震砌體結構振動臺試驗[13]，并已成功運

用于實際工程[14]。為將此技術運用于框架結構[15]。根據框架結構的特點，提出

一種適用于框架結構隔震的新型鋼隔震墩。在振動臺面和上部框架柱底部之間設置

此鋼隔震墩作為基礎隔震層，并制作2層單開間鋼筋混凝土框架模型，框架的底

層地面標高制作1層樓板，按照幾何尺寸1:2進行縮尺，進行地震模擬振動臺試驗。

通過地震模擬振動臺輸入不同工況地震波，分析各層樓板輸出加速度峰值與位移峰

值，了解鋼隔震墩運用于框架的隔震效果。向隔震墩中灌入瀝青油膏[16]，對比分

析有無瀝青油膏時上部框架位移反應，了解瀝青油膏的阻尼及對上部框架的限位作

用。

鋼隔震墩骨架由上下鋼板，隔震豎向鋼筋通過榫錨焊接構成，設置于框架柱底部與

基礎之間，隔震豎向鋼筋是鋼隔震墩的主要受力部件，其豎向剛度遠大于水平剛度。

利用此特點制成豎向承載力大且水平剛度小的鋼隔震墩，作為框架結構隔震裝置，

使結構的自振周期增大，減小上部結構地震反應。實際應用時，可在鋼隔震墩四周

捆綁木模板，灌注瀝青油膏，起到防止隔震豎向鋼筋生銹及提供一定阻尼的作用。

鋼隔震墩構造圖如圖1所示。

不發生地震時，隔震結構僅承受豎向重力荷載，隔震鋼筋可簡化為軸心受壓的構件

計算，由靜力壓桿穩定歐拉公式，其臨界失穩荷載計算如式(1)所示[13]。

式中：E為隔震豎向鋼筋彈性模量；I為鋼筋截面慣性矩；l為隔震墩隔震豎向鋼筋

有效高度；P為單根鋼筋所承受上部重力荷載設計值作用下的豎向力；N為計算單

元上結構重力荷載設計值；n為計算單元內隔震豎向鋼筋根數。

由式(1)，(2)和(3)可確定隔震墩在重力荷載作用下所需最少隔震豎向鋼筋數量為

式中：d為計算單元內隔震豎向鋼筋直徑。

發生地震時，隔震結構將承受豎向重力作用與水平地震作用的共同作用，此時的荷

載情況為偶然荷載作用情況，采用荷載標準值與材料標準值進行驗算。

隔震墩隔震豎向鋼筋在豎向荷載與水平地震作用共同作用時，隔震豎向鋼筋彈塑性

穩定應滿足如下表達式，已編入《多層房屋鋼筋瀝青基礎隔震技術規程》[17]修訂

版：

式中：Pw為上部結構重力荷載代表值；fyk為豎向隔震鋼筋抗壓強度標準值；αn

為隔震結構的水平地震影響系數；ε和η為穩定計算參數，按表1取用。

最終隔震豎向鋼筋數量按彈性穩定計算的鋼筋根數n和彈塑性穩定驗算式(5)算出

的鋼筋數量，取二者較大值采用。

本試驗在山東建筑大學工程結構與防災減災實驗室進行，使用地震模擬振動臺進行

試驗，振動臺具體參數見表2。

鋼隔震墩上下鋼板長度及寬度應略小于框架柱長及柱寬，使隔震豎向鋼筋全部位于

框架柱之下，保證每根鋼筋受力均勻。為保證隔震豎向鋼筋與鋼板可靠連接，其每

端榫錨焊接長度不應小于20mm，鋼板厚度應不小于30mm。本試驗中隔震墩

采用尺寸為180mm×180mm×30mm的上下鋼板。按設防烈度為8度，場地

土類別為Ⅱ類設計，隔震豎向鋼筋根數由第2部分計算得出，本試驗共采用32根

HRB400級鋼筋作為隔震豎向鋼筋，鋼筋標稱直徑10mm，每根鋼筋在上下鋼板

間的凈長度300mm，通過榫錨焊接與上下鋼板連接。4個框架柱底部各布置1

個隔震墩，每個隔震墩布置8根鋼筋。隔震墩立面圖、剖面圖和實物圖，分別如

圖2，圖3與圖4所示。

因地震模擬振動臺有效負荷限制，需控制試驗結構整體質量在10t以內，經計算

采用幾何尺寸1:2進行結構縮尺，模型采用C30混凝土，HRB400受力鋼筋，

HPB300箍筋。為了更好使模型與原型在地震作用下的動力特性保持一致，通過

調整層高使模型的自振頻率與原型的自振頻率相近。模型與原型參數如表3所示。

框架模型平面圖和剖面圖見圖5和圖6，施工完后模型實物圖見圖7。

試驗中采用中國地震局工程力學研究所941B型拾振器在測量振動臺面、1層底板、

2層底板及2層頂板各布置2枚，分別測得各層的加速度和位移反應，在整個試

驗過程中實現加速度和位移同步記錄，對于測得的位移反應可用測得的加速度積分

進行驗證。

試驗采用2008年“臥龍波(S-N)”和1952年“Taft波(N21E)”作為地震模擬振

動臺臺面輸入波，選取“臥龍波”和“Taft波”的原因在于此2條地震波是實測

地震波，數據真實且可靠，根據輸入地震動的傅氏譜，“臥龍波”頻譜較窄，

“Taft波”頻譜較寬，2條波頻譜組成具有代表性。通過臺面輸入0.05g和0.1g

的峰值加速度的臥龍波和Taft波，模擬7度及8度多遇地震的情形。試驗工況如

表4所示。

將試驗模型框架吊裝至振動臺，通過臺面上的螺栓孔固定隔震墩下部鋼板，將整個

隔震框架模型與振動臺面相連。啟動地震模擬振動臺，進行機器預熱，通過向振動

臺載入表4所示工況的地震波數據，獲得不同的臺面加速度輸出。臺面輸入加速

度峰值0.05g的地震波時隔震墩鋼筋只出現輕微晃動，模型整體晃動不明顯，隨

著振動臺面輸入加速度峰值加大到0.1g，隔震墩晃動加大，模型整體晃動較明顯；

依次完成4個工況的試驗過后，隔震墩隔震鋼筋均能良好復位，上部框架未出現

明顯變形與破壞特征。再將鋼隔震墩四周捆綁木模板，并開出斜向導流口，將瀝青

油膏倒入熔爐，熔成膠狀，加入一定質量比的雙飛粉，沿導流口將瀝青油膏灌入鋼

隔震墩。待瀝青油膏冷卻，依次向振動臺載入表4所示工況的地震波數據。發現

同工況下較之前無瀝青油膏時，有瀝青油膏的隔震墩晃動減小，模型整體晃動不明

顯。

為分析不同工況下每層樓板加速度反應，定義加速度衰減系數[18]為β：

式中：a0為振動臺面輸入峰值加速度；ak為各層樓板輸出峰值加速度，k=1,2,3

分別代表1層底板、2層底板、2層頂板。

將試驗分析得到各加速度及加速度衰減系數見表5。

從表5及圖8可知，隨著臺面輸入加速度峰值的提高，上部框架的地震反應也隨

之增大，但是上部框架各層樓板的加速度反應始終被折減。從加速度時程曲線可知，

隔震框架的各層加速度反應較為緩和，整個地震作用持時內基本維持在臺面輸入加

速度峰值的30%以內波動。在不同地震作用下，隔震墩水平方向上隔震效果明顯，

隔震層的加速度衰減系數約為0.25~0.50，即一層底板的最大反應加速度可衰減到

振動臺板輸入峰值加速度的50%以下。其中0.1g臥龍波工況下，減震效果最佳，

1層底板加速度衰減系數為0.245，2層頂板加速度衰減系數為0.306。隨著樓層

增加，輸出峰值加速度增大，2層頂板的加速度衰減系數約為0.30~0.70，仍然具

有良好的隔震效果。

向鋼隔震墩中灌注瀝青油膏后測得隔震層加速度衰減系數，并與未灌注瀝青油膏的

加速度折減系數進行對比，數據列于表6。從表6可知，鋼隔震墩添加瀝青油膏后，

隔震層的加速度衰減系數一般略有加大，原因在于灌注瀝青油膏后，瀝青油膏對于

豎向隔震鋼筋的往復運動有所限制，使得鋼隔震墩水平剛度有所增加。隔震層的加

速度衰減系數約為0.25~0.58，較未灌注瀝青油膏時的加速度衰減系數增幅較小，

故鋼隔震墩灌注瀝青油膏后仍具有良好隔震效果。

將試驗測得各部分位移時程曲關系，分析得到各工況下結構位移反應見表7。

從表7及圖9可知，輸入地震波波形相同時，隨著輸入加速度峰值增大，隔震層

相對振動臺面位移增大，最大值為3.61mm。各工況下，對于上部框架，2層頂

板與1層底板的相對位移非常小，最大值為0.90mm，所以上部框架幾乎為整體

平動。整體結構變形集中在隔震層，隔震層通過自身變形吸收大部分地震能量，有

效阻隔地震能量向上部結構傳遞。鋼隔震墩添加瀝青油膏后，較隔震墩未添加瀝青

油膏時，上部框架2層頂板與1層底板的相對位移顯著減小，輸入加速度峰值

0.05g的臥龍波時，減少61%，輸入加速度峰值0.1g的臥龍波時，減少69%，

輸入加速度峰值0.05g的Taft波時，減少83%，輸入加速度峰值0.1g的Taft波

時，減少81%。說明瀝青油膏使隔震層阻尼增大，有顯著耗能作用，在鋼筋隔震

的基礎上再吸收一部分地震能量，進一步減少能量向上部結構傳遞從而減小上部結

構水平地震位移反應。

1)由于鋼筋隔震墩具有彈性恢復力，在7度及8度多遇地震作用下隔震層復位良

好，上部框架未出現明顯變形與破壞特征，在框架柱底部設置鋼筋隔震墩能適用于

框架結構的隔震。

2)在不同峰值的地震波輸入下，框架一層底板輸出的加速度峰值較臺面輸入加速

度峰值降低約50%~75%，隔震層運用于框架具有顯著的的減震效果，具有良好

的發展前景。

3)地震發生時，設置鋼隔震墩的上部框架結構幾乎保持整體平動，層間位移非常

小，表明：隔震層吸收了大部分地震能量，有效阻止了地震能量向上部結構傳遞，

有利于保持上部結構完好性。

4)鋼隔震墩構造簡單，施工簡便，價格低廉。實際應用時，可在隔震墩側壁綁扎

木模板，灌注瀝青油膏，瀝青油膏起到增加阻尼作用的同時可以包裹豎向隔震鋼筋，

防止隔震鋼筋生銹。設計計算時，未考慮瀝青油膏阻尼作用。

5)鋼隔震墩灌注瀝青油膏后，上部框架二層頂板與一層底板的相對位移減少約為

60%~80%。證明瀝青油膏起到增加阻尼的作用，進一步減少地震能量向上部結構

傳遞，對于上部結構有限位作用。

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