SBS瀝青阻尼隔震墊性能研究
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杜志超1， 田 杰2， 錢國楨3， 曾德民1
（1中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100048;2北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124：3杭州天元建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州311201）
[摘要] SBS瀝青阻尼隔震墊是由SBS改性瀝青防水卷材與鋼絲網(wǎng)交替疊置組合而成的。在BS隔震墊的基礎(chǔ)上改用SBS瀝青阻尼隔震墊進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，SBS瀝青阻尼隔震墊具有較高的承壓強(qiáng)度和很大的阻尼比，其水平剪切剛度隨著剪應(yīng)變的增加而下降，具有明顯的軟化特性。同時(shí)，為考察新型隔震墊的隔震效果，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對(duì)采用SBS瀝青阻尼隔震墊的隔震建筑物進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，隔震結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)減小了40%~ 50%。
[關(guān)鍵詞] SBS瀝青阻尼隔震墊；阻尼比；水平等效剛度；數(shù)值模擬
中圖分類號(hào)：TU352. 12 文章編號(hào)：1002-848X( 2016) 11-0102-05
0 引言
隔震結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過幾十年的應(yīng)用，經(jīng)歷了實(shí)際地震的檢驗(yàn)，證明是當(dāng)前一種較為理想的減輕地震災(zāi)害的新型結(jié)構(gòu)體系。目前較為流行的隔震裝置包括疊層橡膠支座、天然橡膠隔震支座與阻尼器組合的隔震體系、高阻尼橡膠隔震支座、鉛芯橡膠隔震支座、金屬彈簧隔震器等。由于橡膠隔震支座受到天然橡膠、鋼板、鉛芯等原材料的價(jià)格影響，生產(chǎn)成本較高，根據(jù)支座直徑大小，每個(gè)支座價(jià)格在幾千元到幾萬元不等。對(duì)于村鎮(zhèn)建筑而言，投入成本較低，不可能使用橡膠隔震支座。因此，選用一種造價(jià)低、適用于村鎮(zhèn)建筑、具有一定隔震能力的隔震裝置成為本文的主要研究內(nèi)容。
新型瀝青阻尼隔震墊（BS隔震墊）是由拉力材料、阻尼材料和塑料薄膜構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，拉力材料可根據(jù)受力大小分別采用石棉布、玻璃纖維布、麻布、金屬網(wǎng)片等，阻尼材料由改性瀝青、滑石粉、廢橡膠粉及各種化學(xué)添加劑混煉組成，應(yīng)用于隔震、隔聲時(shí)可單層使用，也可疊層使用。因?yàn)锽S隔震墊具有較高的承壓強(qiáng)度、很大的阻尼比、較低的價(jià)格、較方便的生產(chǎn)施工技術(shù)，因此在很多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)器基礎(chǔ)隔震、建筑基礎(chǔ)隔震，并作為釋放房屋面板的溫度收縮應(yīng)力的軟支座得到應(yīng)用，且已通過浙江省省級(jí)鑒定，較適合在低烈度地區(qū)和村鎮(zhèn)建筑中推廣應(yīng)用。
由于按照BS墊的生產(chǎn)要求，要加入很多外加劑，且需要專門生產(chǎn)，數(shù)量少則廠家不愿生產(chǎn)；又由于BS隔震墊本身較厚，地震作用下容易被擠出，從而失去隔震作用。因此，本文在BS隔震墊的基礎(chǔ)上改用SBS瀝青阻尼隔震墊（簡稱SBS隔震墊），并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。SBS隔震墊與BS隔震墊成本價(jià)均為15~20元/m2，相對(duì)于橡膠隔震支座具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1 SBS隔震墊的構(gòu)造與隔震機(jī)理
1.1 SBS隔震墊的構(gòu)造
SBS隔震墊是采用SBS改性瀝青防水卷材與鋼絲網(wǎng)交替疊置組合而成的隔震墊，其中，SBS改性瀝青防水卷材每層厚度為3mm，鋼絲網(wǎng)片的鋼絲直徑為1mm、間距為3mm。SBS隔震墊直徑為250mm。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，SBS隔震墊構(gòu)造如圖2所示。
1.2 SBS隔震墊的隔震機(jī)理
小震時(shí)SBS隔震墊在隔震層中產(chǎn)生剪切變形，可降低結(jié)構(gòu)自振周期，減小地震響應(yīng)。大震時(shí)瀝青因吸收地震能量而受熱軟化呈全塑性狀，因而阻斷了傳給上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)滑移隔震層，使建筑自振周期延長，地震響應(yīng)也得到進(jìn)一步衰減，起到了
很好的隔震效果。此外，SBS隔震墊的阻尼比很大，一般可達(dá)0. 25~0. 38，為鋼筋混凝土
結(jié)構(gòu)的數(shù)倍，可大大削減反應(yīng)譜峰值。
2 SBS隔震墊的物理力學(xué)性能
2.1豎向性能試驗(yàn)
按照表2的設(shè)計(jì)參數(shù)分別做了四種隔震墊的水平性能試驗(yàn)。豎向性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。測(cè)得在同樣的設(shè)計(jì)壓應(yīng)力(2MPa)作用下，SBS隔震墊的豎向變形量均在1mm以內(nèi)，最大抗壓強(qiáng)度均在7MPa以上，對(duì)于村鎮(zhèn)房屋而言，完全滿足設(shè)計(jì)壓應(yīng)力2MPa以下的工作條件，而且是安全的。達(dá)到極限荷載時(shí)，SBS隔震墊向四周擠出較明顯。此外，從試驗(yàn)結(jié)果還可看出，SBS隔震墊越薄其抗壓強(qiáng)度越高，性價(jià)比越高，更有利于推廣應(yīng)用。SBS隔震墊豎向性能試驗(yàn)后的形態(tài)如圖3所示。
2.2水平性能試驗(yàn)
通過水平性能試驗(yàn)，得到了四種SBS隔震墊在不同加載頻率、不同剪應(yīng)變和不同豎向荷載下的剪切變形滯回曲線、等效水平剛度、等效阻尼比。以11mm厚的SBS隔震墊的試驗(yàn)結(jié)果為例，數(shù)據(jù)見表
3，剪切滯回曲線見圖4。
3 算例分析
3.1模擬建筑物概況
模擬以三層磚混結(jié)構(gòu)住宅為對(duì)象，其基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，樓面為現(xiàn)澆板，屋面為不上人屋面，墻均采用厚240mm的KP1型黏土磚。首層層高3. 4m，二層、三層層高均為3.2m，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅱ類場(chǎng)地。
在結(jié)構(gòu)底部圈梁與條形基礎(chǔ)之間設(shè)置瀝青隔震層，SBS隔震墊鋪在基礎(chǔ)之上，平面布置見圖5。采用SBS-11隔震墊的參數(shù)：設(shè)計(jì)壓應(yīng)力2MPa、剪應(yīng)變y= 100%（水平剪切位移為11mm）、水平等效剛度1.500kN/mm、等效阻尼比0.339。
3.2模型單元
采用ABAQUS有限元軟件對(duì)以SBS改性瀝青為隔震層的隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析。在分析計(jì)算中，墻體、屋頂、樓地面均采用Shell單元，圈梁采用梁單元，基礎(chǔ)梁和隔震墊采用實(shí)體建模，隔震墊的材料屬性按照超彈性來進(jìn)行定義。輸入El Centro波、Taft波和人工波對(duì)建筑物進(jìn)行地震波激勵(lì)，分析該建筑物的相關(guān)反應(yīng)。隔震模型如圖6所示。
Bouc-Wen滯回模型包含了非線性阻尼和非線性剛度，對(duì)各種光滑的滯回曲線都能較好地近似描述，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。在不同參數(shù)下，Bouc-Wen滯回模型使系統(tǒng)具有軟或硬式響應(yīng)特性，導(dǎo)致系統(tǒng)有非線性振動(dòng)特性。
本文基于ABAQUS程序采用Bouc-Wen滯回模型來模擬瀝青阻尼隔震墊的水平恢復(fù)力模型，通過調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)可以得到不同形狀的滯回環(huán)。
Bouc -Wen滯回模型的振動(dòng)微分方程為：
非線性滯回體系恢復(fù)力F的特性取決于材料特性、響應(yīng)幅值和結(jié)構(gòu)特性，符合SBS隔震墊的滯回特性。本例中，經(jīng)過對(duì)曲線的模擬分析，取A=1，y=0.5，n=1，β=0.5，如圖7所示，其中K y為屈服后剛度，F(xiàn) y為屈服水平剪力。
3.3隔震結(jié)構(gòu)在地震波激勵(lì)下的地震響應(yīng)
輸入Taft，El Centro地震波和一條人工波，通過調(diào)整峰值加速度以滿足7度(0.15g)對(duì)應(yīng)的小震和大震要求：沿X向輸入峰值加速度分別為0.55，3.10m／s2的地震波。經(jīng)有限元計(jì)算，隔震前后模型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)結(jié)果見圖8（以El Centro波為例）和表4，5。
從圖8和表4，5中可以得出，隔震結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)較輸入峰值加速度減小了40%~
50%；隔震結(jié)構(gòu)的底層和上部各層的絕對(duì)位移基本相同，雖然隔震結(jié)構(gòu)上部各層的絕對(duì)位移大于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)上部相應(yīng)各層的絕對(duì)位移，但是其層間相對(duì)位移卻接近于零，主要是由于上部結(jié)構(gòu)的層間剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隔震層的水平剛度。因此設(shè)計(jì)時(shí)，只要隔震層的位移在許可的變形范圍內(nèi)就不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)層間變形太大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。
表4和表5中大震與小震下的加速度及位移數(shù)值模擬結(jié)果表明，小震下的隔震效果不如大震下的隔震效果明顯，但是SBS隔震墊在大震與小震下的隔震效果都很理想，這是由隔震墊本身的性質(zhì)所決定的，即相對(duì)砌體結(jié)構(gòu)而言，改性瀝青隔震墊的彈性模量更小、抗剪強(qiáng)度更低，具有更大的阻尼。小震時(shí)隔震層中產(chǎn)生剪切變形，從而減小了地震響應(yīng)。大震時(shí)瀝青因受熱軟化呈全塑性狀，阻斷了水平地震作用向上部結(jié)構(gòu)傳遞，因而產(chǎn)生了較好的隔震效果。
4 SBS隔震墊與BS隔震墊性能比較
通過試驗(yàn)，本文提出的SBS隔震墊的豎向剛度要比BS隔震墊的豎向剛度提高30%~50%(表6)，兩者的水平性能基本相當(dāng)（圖9，10），說明SBS隔震墊有效限制了瀝青的側(cè)向擠出，提高了隔震墊的豎向剛度，這對(duì)于保障低造價(jià)隔震材料的支座在長期荷載作用下的安全等方面均具有重要的作用。
5 SBS隔震墊與橡膠隔震支座的比較
本文所研究的SBS隔震墊適用于三層及以下的村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)建筑，由于其隔震原理與橡膠支座不同，主要隔震效果體現(xiàn)在大震下隔震建筑不倒塌。而橡膠隔震支座由于造價(jià)及力學(xué)性能特性決定了其應(yīng)用于中高層建筑中較有優(yōu)勢(shì)。
由SBS隔震墊的性能試驗(yàn)可知，其力學(xué)性能類似于鉛芯橡膠隔震支座，豎向承載能力滿足村鎮(zhèn)三層砌體建筑的要求，同時(shí)具有一定的水平剪切剛度和較大阻尼比，能夠保證其隔震減震能力。
在隔震支座設(shè)計(jì)方面，SBS隔震墊由于適用于低層村鎮(zhèn)建筑，同時(shí)其高度也比較低，僅有十幾毫米，制作比較簡單，施工也非常方便，不需要工廠加工。橡膠隔震支座考慮在水平方向上要有較大變形，依據(jù)不同建筑要求，其直徑、高度有較大變化，而且對(duì)于原材料的選擇、生產(chǎn)工藝等均有較高要求。兩種隔震墊的設(shè)計(jì)思路不同，橡膠隔震支座需要一定的高度，是為了保證足夠的水平剛度以保證隔震效果，而SBS隔震墊主要靠改性瀝青在吸收地震能后軟化而成為滑移層，從而起到隔震效果，隔震墊層數(shù)少而強(qiáng)度高、價(jià)格低，性價(jià)比高。這更有利于在村鎮(zhèn)建筑中推廣應(yīng)用。
針對(duì)本文所研究的SBS隔震墊，可通過在基礎(chǔ)與底圈梁之間設(shè)置連接鋼筋（圖11）來實(shí)現(xiàn)地震時(shí)建筑物發(fā)生相對(duì)位移后進(jìn)行自行復(fù)位的功能。
6 結(jié)論
(1) SBS隔震墊具有很大的阻尼比，可以明顯地減小地震響應(yīng)。
(2) SBS隔震墊等效水平剛度在經(jīng)過多次剪切加載循環(huán)后，呈遞減趨勢(shì)；等效阻尼比呈遞增趨勢(shì)。
(3)從SBS隔震墊在恒定壓力下的水平荷載一位移滯回曲線可知，其重復(fù)性尚佳，性能較穩(wěn)定。同BS隔震墊相比，阻尼比和等效剛度相差不大，豎向剛度有所提高。
(4) SBS隔震墊的受剪壓破壞形式為瀝青制品向四周擠出，但因加有鋼絲網(wǎng)片，與BS隔震墊相比，SBS隔震墊的瀝青不易被擠出，且強(qiáng)度也有所提高。
(5)采用SBS隔震墊的建筑物上部結(jié)構(gòu)在地震力的作用下近似做整體平動(dòng)，其頂層加速度降低到輸入峰值加速度的一半左右。
(6)應(yīng)用于農(nóng)村低矮房屋時(shí)，SBS隔震墊總厚度僅十幾毫米，且均勻地滿鋪在底圈梁下，在較均勻的垂直荷載作用下，地震時(shí)建筑物發(fā)生滑移，SBS隔震墊不會(huì)產(chǎn)生突變和傾斜，是一種安全的隔震墊。在模擬算例分析中，隔震墊大震下的位移為11mm，對(duì)于村鎮(zhèn)三層及以下房屋，可以不考慮其復(fù)位的情況，僅在構(gòu)造上設(shè)置限位鋼筋已足夠。
