0 引言

　　 1976年以后我国地震频发,且常有大于8度的超烈度地震发生,地震中人员伤亡90%是由房屋倒塌造成的 ^[1]。尤其是村镇建筑,因其多由民间建筑工人就地取材据经验所建,无规范性可言,中国村镇建筑在地震来临时,“小震致灾”甚至“小震大灾”是其最显著的特点 ^[2,3]。随着我国贫富差距的减小,村镇居民生活水平越来越高,村镇地区对隔震技术的需求变得迫切起来。各级政府以及相关部门也投入了大量的心血,《中华人民共和国防震减灾法》第43条表示:国家鼓励并支持研发、推广、使用符合抗震设防要求且经济实用的新技术、新工艺、新材料 ^[4],因此各国学者纷纷响应号召。

　　 谭平 ^[5,6]提出一种新型简易隔震支座,是将天然橡胶支座中的钢板由不饱和聚酯纤维加强复合塑料板代替。曹万林 ^[7,8]提出适用于砌体结构的玻璃珠砂浆层基础滑移隔震层。也有众多学者从绿色环保出发,利用被称为“黑色污染”的废旧轮胎制作成叠层轮胎隔震垫(Scrap Tire Pads,STP),废旧轮胎作为量大、回收价值高的“城市矿产”,值得关注。

　　 废旧轮胎具有很强的抗降解特性,很难通过自然降解处理,如果处理不当,会形成“黑色污染”。因此李晓林 ^[9]提出了《关于对采用先进技术处理废旧轮胎的实体企业给予政策扶持的建议》。由此可见,对于叠层轮胎隔震垫的研究不仅能使村镇建筑的抗震性能得到提高,也遵循了“绿色环保、资源回收利用”的理念。Mishra ^[10,11],陈文 ^[12],熊峰 ^[13]等对STP进行了试验研究与数值模拟,结果表明,叠层轮胎隔震垫的隔震性能良好,但是在复位能力和限位方面存在不足。因此课题组对叠层轮胎隔震垫的加载装置进行创新 ^[14,15],将叠层轮胎隔震垫置于模拟墙下齿形的试验装置中进行压剪试验,用位移加载方式控制水平向位移,得到其水平向力学性能。

1 加载装置及其工作原理

　　 由于施工简易方便、造价经济的特点,砌体结构是我国城镇、乡村目前覆盖面积最广的建筑结构 ^[16]。墙下隔震技术较传统“一柱一垫”的柱下隔震技术更加适用于墙下有圈梁的砌体结构,且更易施工。加载装置如图1所示,工作原理如图2所示。每个隔震单元由两个隔震垫组成,当地震波作用于圈梁时,一个隔震垫发生水平错层,另一个隔震垫受挤压,受挤压的隔震垫由于被压缩会提供回弹力,进而使隔震单元具有复位功能。因为墙下圈梁每个齿槽之间的距离是一定的,这一特点避免了上部结构与基础之间有过大的位移,从而起到限位作用。叠层轮胎隔震垫是由废旧轮胎隔震垫无连接叠放而成,所用的废旧轮胎是由橡胶层及中间的钢丝网格层和帘布层组成,其中钢丝网格层及帘布层可为橡胶层变形提供约束,其功能与天然橡胶支座中的钢板相似,胎冠中的橡胶层可提供水平向变形,与天然橡胶中的橡胶层功能相似。因此将叠层轮胎隔震垫置于墙下圈梁中既达到了吸收地震能量、使上部结构水平运动的目的,又使隔震层有限位与复位的功能。

　　 图1 加载装置   

　　 图2 水平向荷载作用下叠层轮胎隔震垫受力示意   

2 隔震性能研究

　　 对3组7层240×180的叠层轮胎隔震支座分别进行压剪试验,试验结果取平均值,竖向压应力取5MPa,加载方式为位移加载,为了消除仪器及试验装置可能存在的误差,将水平加载分成两阶段。第1阶段是预加载阶段:位移为5mm,3次循环。 第2阶段是正式加载阶段:每一级加载进行2次循环,每一级加载位移梯度为10mm,因为水平位移在40mm时可能存在破坏,所以40～50mm之间增加一次±45mm加载,以便仔细观察其受力特点。加载速率为2mm/s。水平加载示意图如图3所示。

　　 图3 加载方式 

2.1 滞回曲线

　　 滞回曲线是力循环作用时得到的结构荷载与变形的关系曲线,因此也被称为恢复力曲线,是确定恢复力模型以及进行非线性地震响应分析的关键性依据。由3组试验研究得出的数据绘制的滞回曲线如图4所示。

　　 由图4可以看出,各曲线滞回环面积较大,由此可知叠层轮胎隔震垫有良好的耗能能力,可以吸收地基传来的地震波,减小地震对建筑物的破坏,从而发挥隔震性能。

2.2 骨架曲线

　　 骨架曲线是每一级加载的滞回环上水平荷载达到最大值点的连线形成的曲线。骨架曲线能更加直观、清晰地反映滞回环的趋势走向,也反映了该隔震垫在各个不同加载阶段的强度、刚度、耗能等特征。根据试验的滞回曲线,将每级加载得到的水平荷载最大值点找出,绘制隔震垫的骨架曲线如图5所示。

　　 由图5中数据拟合得出水平荷载与水平加载位移的函数关系式:

　　 y=5.97+3.83x+6.14×10−3x2−7.4×10−5x3         (1)y=5.97+3.83x+6.14×10-3x2-7.4×10-5x3         (1)

　　 由三次幂函数及骨架曲线可以看出,在水平加载位移为±40mm时水平荷载增速有所放缓,这一特点与铅芯橡胶支座骨架曲线相似,证明不仅仅是叠层轮胎,上下圈梁也在水平运动时提供了刚度。

　　 图4 滞回曲线 

　　 图5 骨架曲线

　　 图6 水平等效刚度性能测定曲线   

　　 图7 水平位移-水平等效刚度关系曲线   

2.3 水平等效刚度

　　 叠层轮胎隔震垫的水平等效刚度是指上、下轮胎片产生单位相对位移时施加的水平力,记为K_h。按照《隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007)的规定,水平等效刚度(图6)取每一级加载的第3次循环所得的刚度,由式(2)计算得出。

　　 Kh=Q1−Q2X1−X2         (2)Κh=Q1-Q2X1-X2         (2)

　　 式中:K_h为水平等效刚度,kN/mm; Q₁为最大水平向力,kN; Q₂为最小水平向力,kN; X₁为最大水平向位移,mm; X₂为最小水平向位移,mm。

　　 水平等效刚度随水平位移的变化如图7所示。

　　 由以上数据得出规律函数:

　　 y=4.97−6.6−2x+5.4×10−4x2         (3)y=4.97-6.6-2x+5.4×10-4x2         (3)

　　 由式(3)及图7可以看出,在水平荷载循环往复作用下,刚度逐渐减小。从预加载开始一直到加载位移为±45mm之前刚度在不断地退化,证明叠层轮胎隔震垫在水平推力大于橡胶层间的摩擦力时发生了层间滑移,水平位移加载到±45mm时,刚度出现增加的趋势,这是由于当水平变形接近上下齿槽间距离时,上下圈梁开始发挥限位作用,隔震支座的刚度不仅仅由叠层轮胎隔震垫提供,上下圈梁也参与其中。

2.4 等效阻尼比

　　 阻尼是指各类摩擦或使自由振动衰减的其他妨碍作用,一般用振动一次所耗散的能量来体现结构阻尼的强弱。阻尼比无量纲,就是指实际阻尼系数与临界阻尼系数的比值,表明结构体标准化的阻尼大小。由于采用隔震技术,建筑物在遭遇地震动时,上部结构一般处于弹性状态,运动方式趋于平动。所能贡献的阻尼值极小,水平变形主要集中在隔震层上,因此阻尼值主要由隔震垫提供,用等效阻尼比来表示。

　　 在国内外学者的研究中阻尼特征值的测量和计算方法大同小异,参考《隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007)中有关等效阻尼比的计算方法,由下式计算得出:

　　 heq=2ΔWπKh(X2−X1)2         (4)heq=2ΔWπΚh(X2-X1)2         (4)

　　 式中:h_eq为等效阻尼比,无量纲; ΔW为滞回曲线的包络面积,kN·mm。

　　 各级加载位移下的等效阻尼比如图8所示。

　　 由试验数据拟合得出具有二次函数性质的等效阻尼比与水平加载位移的关系式:

　　 y=10.99−0.26x+3.59×10−3x2         (5)y=10.99-0.26x+3.59×10-3x2         (5)

　　 通常要求隔震支座等效阻尼比在3%～10%之间,根据图8及式(5)可知,叠层轮胎隔震垫等效阻尼比满足要求,其随着水平位移加载等级的增大呈现先降低后提高的特性,在±40mm左右等效阻尼比降至最低,之后又有略微升高。

2.5 耗能能力

　　 耗能能力是指结构在地震往复荷载作用下吸收能量的多少,一般用滞回环面积来计算。滞回曲线加荷时的面积能够表示结构吸收能量的多少; 能量耗散是指卸载曲线和加载曲线包围的面积。因此,滞回环的面积是被用作评定结构耗能的一项重要依据。叠层轮胎水平加载位移-耗能能力关系曲线如图9所示。

　　 图8 水平加载位移-等效 阻尼比关系曲线   

　　 图9 水平加载位移-耗能 能力关系曲线   

　　 由试验数据拟合得出耗能能力与水平加载位移的函数关系:

　　 y=41.8−1.1x+1.49x2         (6)y=41.8-1.1x+1.49x2         (6)

　　 由式(6)及图9可以看出,随着水平位移加载等级的增加,滞回环面积逐渐增大,刚开始增加缓慢,在±30mm左右增加迅速,而到达±40mm以后其增速又有所下降。

3 结论

　　 以两个叠层轮胎隔震垫为一个隔震单元进行研究,将叠层轮胎隔震垫放置于模拟墙下隔震支座的上下齿形圈梁装置中进行位移加载的压剪试验,得出其水平力学性能与隔震性能指标如下:

　　 (1)由滞回曲线可以看出,叠层轮胎隔震垫具有饱满的梭形恢复力曲线,说明叠层轮胎隔震垫可以很好地吸收地震能量,起到隔震效果。

　　 (2)骨架曲线呈现S形,在加载位移为±40mm时水平荷载增速放缓。

　　 (3)水平位移-水平等效刚度关系曲线、水平位移-等效阻尼比关系曲线、水平位移-耗能能力关系曲线在加载位移为±40～±45mm之间都发生了转变,主要是因为墙下隔震技术中的上下圈梁发挥了限位作用,提供了一部分刚度,吸收一部分地震能量。