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摘要：通过振动台地震模拟试验，以砂与橡胶颗粒混合垫层为研究对象，分析二层简化模型结构在不同橡胶颗粒含量下的隔震性能，研究了橡胶粒含量对减震率的影响。结果表明：随着橡胶颗粒含量的增加，结构各层的最大加速度呈减小趋势；当橡胶颗粒体积含量小于50%时，45%的橡胶颗粒体积含量配比为最优。
关键词：减震；滑移隔震；振动台试验
中图分类号：TU352.1文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2015）01-0016-03
基础滑移隔震是指在上部结构与基础之间设置一个隔震层，使结构在发生地震时相对于基础作整体的水平滑动，通过相对滑动和摩擦耗能，有效的限制了能量向上部传递和向下部反馈，减小了建筑物的地震反应。
砂具有价格低廉、 取材广泛的特点， 是目前国内经常采用的一种滑移隔震材料。 近年来， 砂垫层隔震法得到了国内外广泛的关注与研究。 文献[1]通过砂垫层隔震性能的振动台试验研究，证实随着砂垫层密实度的增加，减振效果有所减小。输入El-Centro波时，砂垫层厚度增加，减振效果增强；输入正弦波时，厚度对减振效果影响不大。文献[2]也在振动台试验研究中发现，单一粒径的隔震效果相对连续级配的要好，无论何种粒径，随着厚度的增加，减振率有所增加。但采用砂垫层后，建筑物的地震反应并不能消除，只是减小或不放大，仍对建筑物产生影响，且砂垫层没有复位功能，地震后残余位移量较大。
由于橡胶具有较好的弹性性能和抗疲劳性能，与纯砂垫层相比，橡胶粒的加入能够进一步改良砂垫层的隔震性能，使隔震垫层在地震时很快的进入工作状态。橡胶粒的弹性变形能力强，外力移除时能恢复变形。在此基础上，文献[3]提出将橡胶粒作为一种隔震材料，并对橡胶颗粒-砂混合物的动剪切模量进行了试验，研究表明橡胶颗粒的存在可以有效地降低橡胶颗粒-砂混合物的动剪模量。文献[4]通过振动台试验对砂与橡胶粒隔震层的隔震性能进行了研究，发现粒径大的石英砂，其混合垫层隔震效果较好。本文作者通过振动台试验，对在不同橡胶颗粒含量下的混合垫层的隔振减震性能进行研究，为砂与橡胶颗粒混合垫层的实际推广应用提供一些参考。
1振动台试验
11试验材料
本试验研究对象为砂与橡胶颗粒混合垫层， 其中砂为普通石英砂， 粒径为6 mm； 橡胶颗粒是通过各种废旧橡胶原料加工生产而来， 粒径为2～4 mm。砂和橡胶粒按照一定的体积进行混合，材料体积用量筒测量。
隔震垫层底座采用砂箱模拟。砂箱共两个，尺寸均为700 mm×200 mm×150 mm，由2 mm厚的钢板轧制而成，砂箱底部预留孔径为15 mm的螺孔，用螺栓与振动台进行连接，将砂箱固定在振动台上。
试验所用简化模型以农村自建的二层单跨混凝土框架结构为原型，结构层数为2层，层高为02 m，楼板平面尺寸03m×02m，高宽比为2。假设结构各层平面刚度无限大，用5 mm厚的钢板代替结构各层的楼板，不考虑梁的设置，用螺栓半刚性连接。结构底层用两块不相连的钢板代替，尺寸均为02m×01m。
12试验设备
试验设备主要有振动台、加速度传感器和动态数据采集仪。振动台为杭州邦威仪器厂的ES-E20单自由度电动伺服振动台，主要技术参数如表1所示。
试验使用北京波普公司的BZ1110压电式传感器，主要参数如表2所示。
表1振动台主要技术参数
台面尺寸/m最大载荷重量/kg工作频率/Hz最大激振力/kN最大加速度/g振幅/mm
0.8×0.62000.01～50170.4100
表2压电式传感器主要参数
灵敏度/（pC·ms2）频响/kHz质量/g谐振频率/kHz测量精度/%特性
500.2～1.55353 3单向测振
动态数据采集仪为北京波普公司的WS-5923型综合数据采集仪，将采集到的各通道试验数据传输到所连接的计算机内，提供加速度波形图。
试验时在结构各层中央位置分别放置加速度传感器，测定经过砂与橡胶粒混合隔震垫层后的加速度时程。振动台试验准备情况如图1所示。
（a）试验模型 （b）试验装置
图1振动台试验准备
13试验方案
试验中砂与橡胶颗粒混合垫层厚度为6 mm，具体试验加载工况：在橡胶颗粒含量分别为0%、30%、35%、40%、45%、50% 条件下，输入正弦波过滤将垫层振密，然后输入EI-Centro波进行加载试验。输入EI-Centro波最大加速度为220 gal，持续时间为20 s，积分后的最大位移满足振动台最大位移的要求。试验系统经反复调试后，正式进行振动台试验。
2试验结果及分析
本次试验是不同橡胶粒含量条件下的振动台试验，将采集到的试验数据进行过滤，提取最大加速度值作分析对象，结构各层的加速度反应情况如图2所示。
橡胶颗粒含量/%
1.二层楼板加速度反应；2.底层楼板加速度反应；3.一层楼板加速度反应
图2结构各层楼板加速度反应
从图2中可以看出，砂与橡胶粒混合垫层相比，纯砂垫层的结构最大加速度反应值要小，说明橡胶颗粒的掺入可以有效地增加结构的减震隔震效果。随着垫层中橡胶颗粒体积含量的增大，结构各层的最大加速度反应值均逐渐减小，减震效果较为明显。
对结构一层楼板的减震率进行分析，其在不同橡胶粒含量下的变化情况如图3所示，减震率公式：减震率= S0-S1S0×100%，其中S0 为纯砂垫层的输出加速度，S1 为砂与橡胶粒混合隔震垫层的输出加速度。
橡胶颗粒含量/%
图3不同橡胶颗粒含量下的减震率
由图3可知，结构减震率总体上呈上升趋势，当橡胶颗粒体积含量从40%增加到45%时，结构减震率上升较快，结构的隔震效果增加明显。当橡胶颗粒含量从45%增加到50%，结构减震率呈现反向下降趋势，表明当橡胶颗粒体积含量小于50%时，45%的橡胶颗粒体积含量配比为最优，混合垫层的隔震效果最佳。
3结论
1） 砂与橡胶粒混合隔震垫层能够减少结构在地震作用下的加速度反应。
2） 随着混合垫层中橡胶颗粒体积含量的增加，结构各层的最大加速度值呈减小趋势，砂与橡胶颗粒混合垫层的隔震效果逐渐增大。
3） 当橡胶颗粒体积含量从0%增加到45%时，结构减震率逐渐增大，当橡胶颗粒含量从45%增加到50%时，结构减震率呈现反向下降趋势，表明当橡胶颗粒体积含量小于50%时，45%的橡胶颗粒体积含量配比为最优，砂与橡胶粒混合垫层的隔震效果最佳。
参考文献：
[1]窦远明，刘晓立，赵少伟，等.砂垫层隔震性能的试验研究[J].建筑结构学报，2005，26（1）：125-128.
[2]赵少伟，窦明远，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.
[3]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.
[4]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.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：减震；滑移隔震；振动台试验
中图分类号：TU352.1文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2015）01-0016-03
基础滑移隔震是指在上部结构与基础之间设置一个隔震层，使结构在发生地震时相对于基础作整体的水平滑动，通过相对滑动和摩擦耗能，有效的限制了能量向上部传递和向下部反馈，减小了建筑物的地震反应。
砂具有价格低廉、 取材广泛的特点， 是目前国内经常采用的一种滑移隔震材料。 近年来， 砂垫层隔震法得到了国内外广泛的关注与研究。 文献[1]通过砂垫层隔震性能的振动台试验研究，证实随着砂垫层密实度的增加，减振效果有所减小。输入El-Centro波时，砂垫层厚度增加，减振效果增强；输入正弦波时，厚度对减振效果影响不大。文献[2]也在振动台试验研究中发现，单一粒径的隔震效果相对连续级配的要好，无论何种粒径，随着厚度的增加，减振率有所增加。但采用砂垫层后，建筑物的地震反应并不能消除，只是减小或不放大，仍对建筑物产生影响，且砂垫层没有复位功能，地震后残余位移量较大。
由于橡胶具有较好的弹性性能和抗疲劳性能，与纯砂垫层相比，橡胶粒的加入能够进一步改良砂垫层的隔震性能，使隔震垫层在地震时很快的进入工作状态。橡胶粒的弹性变形能力强，外力移除时能恢复变形。在此基础上，文献[3]提出将橡胶粒作为一种隔震材料，并对橡胶颗粒-砂混合物的动剪切模量进行了试验，研究表明橡胶颗粒的存在可以有效地降低橡胶颗粒-砂混合物的动剪模量。文献[4]通过振动台试验对砂与橡胶粒隔震层的隔震性能进行了研究，发现粒径大的石英砂，其混合垫层隔震效果较好。本文作者通过振动台试验，对在不同橡胶颗粒含量下的混合垫层的隔振减震性能进行研究，为砂与橡胶颗粒混合垫层的实际推广应用提供一些参考。
1振动台试验
11试验材料
本试验研究对象为砂与橡胶颗粒混合垫层， 其中砂为普通石英砂， 粒径为6 mm； 橡胶颗粒是通过各种废旧橡胶原料加工生产而来， 粒径为2～4 mm。砂和橡胶粒按照一定的体积进行混合，材料体积用量筒测量。
隔震垫层底座采用砂箱模拟。砂箱共两个，尺寸均为700 mm×200 mm×150 mm，由2 mm厚的钢板轧制而成，砂箱底部预留孔径为15 mm的螺孔，用螺栓与振动台进行连接，将砂箱固定在振动台上。
试验所用简化模型以农村自建的二层单跨混凝土框架结构为原型，结构层数为2层，层高为02 m，楼板平面尺寸03m×02m，高宽比为2。假设结构各层平面刚度无限大，用5 mm厚的钢板代替结构各层的楼板，不考虑梁的设置，用螺栓半刚性连接。结构底层用两块不相连的钢板代替，尺寸均为02m×01m。
12试验设备
试验设备主要有振动台、加速度传感器和动态数据采集仪。振动台为杭州邦威仪器厂的ES-E20单自由度电动伺服振动台，主要技术参数如表1所示。
试验使用北京波普公司的BZ1110压电式传感器，主要参数如表2所示。
表1振动台主要技术参数
台面尺寸/m最大载荷重量/kg工作频率/Hz最大激振力/kN最大加速度/g振幅/mm
0.8×0.62000.01～50170.4100
表2压电式传感器主要参数
灵敏度/（pC·ms2）频响/kHz质量/g谐振频率/kHz测量精度/%特性
500.2～1.55353 3单向测振
动态数据采集仪为北京波普公司的WS-5923型综合数据采集仪，将采集到的各通道试验数据传输到所连接的计算机内，提供加速度波形图。
试验时在结构各层中央位置分别放置加速度传感器，测定经过砂与橡胶粒混合隔震垫层后的加速度时程。振动台试验准备情况如图1所示。
（a）试验模型 （b）试验装置
图1振动台试验准备
13试验方案
试验中砂与橡胶颗粒混合垫层厚度为6 mm，具体试验加载工况：在橡胶颗粒含量分别为0%、30%、35%、40%、45%、50% 条件下，输入正弦波过滤将垫层振密，然后输入EI-Centro波进行加载试验。输入EI-Centro波最大加速度为220 gal，持续时间为20 s，积分后的最大位移满足振动台最大位移的要求。试验系统经反复调试后，正式进行振动台试验。
2试验结果及分析
本次试验是不同橡胶粒含量条件下的振动台试验，将采集到的试验数据进行过滤，提取最大加速度值作分析对象，结构各层的加速度反应情况如图2所示。
橡胶颗粒含量/%
1.二层楼板加速度反应；2.底层楼板加速度反应；3.一层楼板加速度反应
图2结构各层楼板加速度反应
从图2中可以看出，砂与橡胶粒混合垫层相比，纯砂垫层的结构最大加速度反应值要小，说明橡胶颗粒的掺入可以有效地增加结构的减震隔震效果。随着垫层中橡胶颗粒体积含量的增大，结构各层的最大加速度反应值均逐渐减小，减震效果较为明显。
对结构一层楼板的减震率进行分析，其在不同橡胶粒含量下的变化情况如图3所示，减震率公式：减震率= S0-S1S0×100%，其中S0 为纯砂垫层的输出加速度，S1 为砂与橡胶粒混合隔震垫层的输出加速度。
橡胶颗粒含量/%
图3不同橡胶颗粒含量下的减震率
由图3可知，结构减震率总体上呈上升趋势，当橡胶颗粒体积含量从40%增加到45%时，结构减震率上升较快，结构的隔震效果增加明显。当橡胶颗粒含量从45%增加到50%，结构减震率呈现反向下降趋势，表明当橡胶颗粒体积含量小于50%时，45%的橡胶颗粒体积含量配比为最优，混合垫层的隔震效果最佳。
3结论
1） 砂与橡胶粒混合隔震垫层能够减少结构在地震作用下的加速度反应。
2） 随着混合垫层中橡胶颗粒体积含量的增加，结构各层的最大加速度值呈减小趋势，砂与橡胶颗粒混合垫层的隔震效果逐渐增大。
3） 当橡胶颗粒体积含量从0%增加到45%时，结构减震率逐渐增大，当橡胶颗粒含量从45%增加到50%时，结构减震率呈现反向下降趋势，表明当橡胶颗粒体积含量小于50%时，45%的橡胶颗粒体积含量配比为最优，砂与橡胶粒混合垫层的隔震效果最佳。
参考文献：
[1]窦远明，刘晓立，赵少伟，等.砂垫层隔震性能的试验研究[J].建筑结构学报，2005，26（1）：125-128.
[2]赵少伟，窦明远，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.
[3]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.
[4]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.
（责任编辑：何学华，吴晓红）