不同高宽比基础隔震结构振动台试验分析

郑威　徐丹　黄小霞

摘要：为了观察不同高宽比隔震效果的变化规律，建立4组框架结构模型，高宽比分别为1.0，2.0，3.0，4.0，分别输入不同加速度峰值的地震波，在砂-橡胶粒隔震垫层上进行振动台试验。 试验结果表明：随高宽比比值的增大，隔震结构加速度响应随之增大，隔震效果呈降低的趋势；当地震波的加速度峰值较小时，砂-橡胶粒垫层的耗能减震能力不够明显，随着地震作用的增强，其隔震效果明显改善。本次试验反映了高宽比因素对结构隔震效应的影响；同时证明了在大震激励下，砂-橡胶粒垫层具有较好的耗能减震能力，为下一步在工程上的应用提供了试验依据。

关键词：隔震结构；振动台试验；砂与橡胶粒垫层

中图分类号：TU352文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2016）02-0040-04

Abstract：In order to observe the seismic isolation effect of the structure with different height- width ratio， 4 groups of frame structure models with height-width ratio of 1.0，2.0，3.0，4.0 were constructed for vibration table test on the sand - rubber particle isolation cushion， under different peak acceleration of earthquake wave. The results showed that with the increase of the height-width ratio， the acceleration response of the isolation structure increases， and the seismic isolation effect decrease. When seismic peak acceleration is small， the effect of energy dissipation and vibration adsorption of the sand - rubber particle cushion is not obvious， and with the increase of earthquake intensity， the seismic isolation effect is improved significantly. The tests showed that the ratio of height to width of structure affects its seismic isolation effect， and under intensive earthquake excitation the sand-rubber particle cushion has good effect of seismic energy dissipation， which provides an experimental basis for engineering application in the future.

Key words： seismic isolation structure； vibration table test； sand-rubber particle cushion

摩擦滑移隔震体系的研究始于上世纪 70年代。其工作原理是在上部结构与基础之间设置一个隔震层，使结构在地震时作整体的水平滑动，通过上部结构和隔震层之间的相对滑动和摩擦耗能，限制了地震波能量向结构上部传递，从而减小建筑物的地震反应。

目前对于摩擦摆滑移隔震体系，研究较多的是支座的材料，几何构造，滑动半径，摩擦系数等对于结构隔震效果的影响。文献[1]对砂-橡胶粒混合物剪切模量进行了试验，发现橡胶颗粒的掺入可以有效地降低砂垫层的动剪模量，证明砂-橡胶粒混合垫层具有良好的隔震效果；文献[2]指出地震波的类型和峰值是影响摩擦滑移隔震支座隔震效果的重要因素；文献[3]从上部结构的构造出发，讨论了上部结构周期对于隔震体系的影响；文献[4]通过数值模拟，从层间位移和内力的角度探讨了不同高宽比隔震结构的地震响应。本文将在以上研究的基础上，以砂-橡胶粒作为隔震垫层，从振动台试验的角度，讨论高宽比比值和地震波加速度峰值对于隔震效果的影响。

1振动台试验

1.1试验材料及模型设计

1）试验材料砂为普通石英砂，粒径为5 mm；橡胶颗粒由废旧轮胎等橡胶原料加工生产，粒径为2～4 mm。橡胶粒体积含量为 50%，砂和橡胶粒体积用量杯测量混合，搅拌均匀。

2）采用双条形支座砂箱作为隔震垫层底座。砂箱共两个，尺寸均为 700 mm×200 mm×200 mm，由 2 mm厚的钢板轧制而成，为防止沙箱在振动台上发生相对滑移，砂箱底部预留孔径为15 mm的螺孔，通过螺母与振动台连接以固定砂箱。

3）试验所用简化模型以农村常见的单跨混凝土框架结构为原型。假设结构楼面的刚度无限大，用 5 mm 的钢板代替结构的楼板，梁柱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。框架底层为滑块，底座滑块尺寸长×宽×高=20cm×10cm×0.5cm，高宽比为 4.0的模型为 4层，高宽比为 3.0的模型为 3层，以此类推。

1.2试验设备

1） 振动台。由杭州邦威仪器厂生产的 ES-E20单自由度电动伺服振动台，其主要技术参数如表 1所示。

1.3试验方案

设计试验垫层的厚度均为 6mm。将混合颗粒搅拌均匀，摊铺在双槽形钢箱底座中[5]。

荷载工况是：正式实验前，先输入正弦波将垫层振密，再将结构置于垫层上，连接电荷放大器和数据采集仪。选取 El-Centro波进行加载试验，分别施加加速度峰值为45 cm/s2、

100 cm/s2、220 cm/s2的三组地震波。每次试验持续时间均为 20s。

2试验结果及分析

本次试验是一组不同高宽比结构的振动台试验，根据采集到的加速度数据波形图，提取最大加速度值作为分析对象。由于框架结构在地震波作用下越靠近底层，承受的地震作用越

大，所受的破坏越剧烈[6]。在 4组不同高宽比结构的试验中，提取底层滑块和 1层楼板的加速度值作为比较的依据。测得数据如图 2～图 3所示。

2.1高宽比因素的影响

由图 2和图3可得出，当地震波的峰值加速度一定时，随着高宽比数值的增大，隔震结构的加速度响应随之增大，且变化的幅度也有相应的增大，隔震效果有所降低。特别是输入地震波峰值加速度达到 2.2 m/s2时，相比高宽比为 1.0的结构，高宽比为 4.0的结构底层和1层的加速度响应分别增大了 30.7%和 48.7%，上部结构的响应随高宽比比值的变大有明显的增大趋势。

2.2地震波加速度峰值的影响

由图 2和图 3可以看出，在高宽比比值一定的情况下，随地震波峰值加速度的增大，框架底层（滑块），1层的加速度都有明显的增大。相对于1层，底层加速度增大的幅度更大。

这主要是底层所受的地震荷载更为直接，破坏作用也越大。

另外，通过对不同工况下的结构加速度响应进行统计分析，可反映出地震作用对于砂橡胶粒垫层耗能减震效果的影响规律。由于此时地震作用的大小不同，不能单纯以上部结构

的加速度响应来比较垫层耗能减震的效果。可引入系数η表征垫层的减震效果。η=a0-a1a0 ×100%，其中a0为振动台台面输入加速度， a1

为结构底层滑块的加速度，为方便比较，在计算时均取加速度的最大值[2]，通过计算求得η值。在不同地震作用下的隔震效果如表 3所示。

3结论

1）以砂-橡胶粒作为隔震垫层时，上部结构的高宽比比值会影响结构在地震作用下的响应。高宽比比值越大，结构的加速度响应越大，且变化的幅度也有增大的趋势，对于结构是

不利的。因此在隔震结构的设计中，需要尽可能降低结构的高宽比，也为今后推导隔震结构高宽比限值提供实验依据。

2）在高宽比一定的情况下，结构的加速度响应还与地震作用的大小有关。随着地震作用的加强，结构的加速度也会增大，相比框架 1层，底层加速度响应明显更大。因此在隔震结

构设计时，可以考虑加强框架底层的围护，在高烈度地区尤应引起注意。

3）对于砂-橡胶粒隔震垫层，垫层的耗能减震效果与输入地震作用的大小有关。在 45cm/s2小震作用下，垫层的减震效果不够明显；随地震作用的增大，减震效果明显改善。说明地震

作用越大，砂-橡胶粒垫层耗能减震的能力能够得到更大的发挥。

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]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，2014，02（3）：237-246.

[3]李成金，王建亮. 上部结构周期对摩擦摆基础隔震结构地震反应的影响[J]. 河南科学，2010，08（4）：964-966.

[4]周健男. 大高宽比基础隔震结构地震反应的研究[D].石家庄铁道大学，2013.

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

[6]李翔，吕西林，李建中，等.汶川地震中广元市底层框架结构房屋震害调查与分析[J]. 结构工程师，2008，03：34-37.

[7]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，1997，03（2）：74-77.

（责任编辑：何学华吴晓红）