我国东临环太平洋地震带, 南接亚欧地震带, 是地震多发国之一。《中国地震动参数区划图》 (GB 18306—2015) 已将我国国土全部划入抗震设防区域。作为农业大国, 我国农村人口超过50%, 国土大部分为农村地区。从汶川地震到玉树地震的震害均表明:我国农村民居震害严重, 农村地区有小震大破坏的特征^[1]。隔震技术因其概念简单、效果明显、性能稳定, 已成为目前使用最为广泛的隔震手段之一^[2]。隔震技术中基础隔震技术较为成熟, 基础隔震利用隔震层较小的水平刚度, 使得隔震结构的基本自振周期延长而远离地震动的卓越周期, 从而减小地震能量向上部结构传输, 达到隔震的效果^[3]。基础隔震中叠层橡胶支座应用最为广泛, 而叠层橡胶支座多设置在结构柱下, 施工技术要求较高, 价格昂贵。我国农村建筑多以条形基础为主, 建筑高度较低, 若利用传统叠层橡胶支座进行隔震不经济。综合经济、施工、结构等方面考虑, 传统叠层橡胶支座隔震技术不适合我国广大农村建筑。

　　 地震中, 村镇建筑受灾严重, 主要原因是农村经济基础薄弱, 考虑经济效果及施工简易程度通常选择砌体结构等整体性较差的结构类型;农村的施工条件较差, 大型机械设备不便应用;施工人员专业技术不高等。

　　 Zden^[4], Turer^[5]等于2006年提出了废旧轮胎隔震垫 (STP) 隔震技术, 对不同叠放方式、不同品牌的叠层废旧轮胎隔震垫进行试验, 提出了两个主轴方向矩形垫的刚度计算公式。熊峰等^[6,7]对单列叠放的STP进行了进一步研究, 隔震结构形式如图1所示 (上圈梁直接搁置在轮胎垫上) 。相比其他简易隔震技术, 该技术利用了废旧轮胎的弹性形变来进行隔震, 经济简单, 低碳环保, 但该技术欠缺有效限位能力, 弹性复位能力也仅靠摩擦, 恢复力不足, 复位能力有限, 罕遇地震下隔震层发生较大相对位移时, 上部结构有错位滑落、局部倒塌甚至倾覆的危险。

　　 针对以上特点, 笔者从隔震功能、限位功能、复位功能、经济性能、环保功能、施工简易程度出发, 提出一种新型叠层轮胎简易隔震结构, 结构示意图如图2所示。

　　 由图2可知, 隔震层下圈梁置于下部条形基础上, 槽口向上。上圈梁槽口向下, 叠层轮胎隔震支座置于上下圈梁凹槽内, 支座高度大于上下圈梁槽口深度, 上圈梁上部为房屋结构。使用中, 叠层轮胎隔震支座完全承受上部荷载, 进而传递给下圈梁。地震来临时, 地震作用使上下圈梁发生相对位移, 叠层轮胎隔震支座变形消耗部分地震能量, 延长结构自振周期, 进而削弱地震作用, 保护上部结构。

　　 该结构利用叠层轮胎胎冠作为隔震支座, 置于上下齿型圈梁槽口中, 上下圈梁和叠层轮胎隔震支座共同组成隔震层结构。相对于图1结构, 该隔震层结构稍复杂, 但齿型结构具有更好的弹性复位能力, 相对位移发生时受挤压的支座会起到限位作用, 结构安全性及隔震性能均得以提高。该技术已获得国家实用新型专利^[8]。

　　 对叠层轮胎隔震支座进行竖向力学性能试验研究。通过竖向极限承载力试验, 探究平面尺寸为180mm×180mm的叠层轮胎隔震支座的极限压应力, 通过竖向压缩刚度试验和竖向变形性能试验, 探究该支座的竖向压缩刚度及变形性能。

　　 轮胎切割工具为角向磨光机 (图3 (a) ) 。竖向力学试验装置采用WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机 (图3 (b) ) 。

　　 对废旧轮胎市场进行调查, 选用185mm宽度型号、切割后胎冠宽度为180mm的废旧轮胎进行研究。选取180mm×180mm的方形平面尺寸对轮胎进行切割, 切割工作如图4 (a) 所示。利用环保粘接剂对轮胎胎冠片进行叠层粘接组装, 为使支座更加平整紧密, 刷胶叠层后, 每个支座用四块10kg配重块加压。组装工作如图4 (b) 所示, 组装后叠层轮胎隔震支座如图4 (c) 所示。

　　 本文对叠层4, 6, 8层轮胎支座分别进行竖向极限承载力试验, 每组12个, 共36个试件。参照《建筑隔震橡胶支座》 (JG 118—2000) ^[9], 对支座施加轴向压力, 加载速率为0.1MPa/s, 直至试件破坏。绘出荷载-位移曲线, 曲线如图5所示。由图可知:初受压时, 荷载-位移曲线斜率较小, 随位移增加, 斜率加大, 施加一定荷载后斜率基本稳定。这是因为初受压时轮胎片翘曲, 支座层间有空隙, 随着荷载增加, 支座趋于紧密, 荷载-位移曲线斜率增大且趋于稳定。

　　 随荷载的增加, 试件压应力逐渐加大, 由于受压状态时, 叠层轮胎支座水平面两个主轴方向的应变会增大, 轮胎内的高强钢丝网被动受力, 进而约束橡胶横向变形, 使支座处于三向受压状态。随荷载进一步增加, 平面两个主轴方向应力越来越大, 荷载增大到一定值时, 轮胎内部的高强钢丝网片因拉应力过大而断裂, 试件随之发出密集爆裂声, 同时荷载-位移曲线会有瞬间跌落再回升的现象。继续加载, 荷载仍随位移增加, 甚至因试件承压面加大, 曲线斜率有增大趋势。考虑安全性和徐变等问题, 取第一次爆裂声发出、荷载跌落前的峰值荷载作为竖向极限承载力。

　　 试验所得极限压应力散点图如图6所示。由图6可知, 竖向极限压应力离散性较大, 且竖向极限强度与叠层层数没有明显关系, 这是由于现用轮胎的生产厂商、品牌、生产年代、磨损程度等存在差异。生产厂商和品牌的不同致使所制造的轮胎钢丝网强度不同, 轮胎橡胶层厚度不同, 轮胎橡胶质量不同等;生产年代的不同会造成轮胎橡胶老化程度的不同;轮胎磨损程度的不同使轮胎片厚度有所差异, 诸多因素均会影响叠层轮胎隔震支座的力学性能。为使该技术具有更好的使用性, 减少轮胎挑选工作量, 对轮胎进行挑选原则为符合国标的轮胎、磨损极限标志未受损 (即胎面花纹深度不小于1.6mm) 的轿车轮胎均可使用。由于轮胎种类较多, 变异性较大, 为确保安全性, 取下包络线9MPa作为该平面尺寸叠层轮胎隔震支座的竖向极限强度。

　　 根据支座极限承载力并参考其他文献数据, 选取设计压应力σ₀分别为3, 4, 5, 6MPa进行竖向压缩刚度试验。每组3个, 共12组36个试件。

　　 参照《橡胶支座第1部分:隔震橡胶支座试验方法》 (GB/T 20688.1—2007) ^[10], 隔震支座竖向压缩刚度试验时取与设计轴压应力 (1±30%) σ₀相应的竖向荷载, 3次循环加载对叠层轮胎隔震支座进行竖向压缩刚度试验, 绘出竖向荷载-位移关系曲线, 如图7所示。由图7可知, 叠层轮胎隔震支座压应力较小时, 竖向荷载-位移曲线斜率较小, 一定压力后, 竖向荷载-位移曲线斜率基本稳定, 循环加载段3次循环曲线斜率几乎无变化。说明叠层轮胎隔震支座在承受一定荷载后能提供稳定的竖向压缩刚度。试验所得数据如表1所示。

　　 竖向压缩刚度变化曲线如图8所示。由图8可知, 竖向压缩刚度随叠层层数增加而减小, 叠层层数从4层增至8层, 竖向压缩刚度最高下降53.58%;竖向压缩刚度随设计压应力增大而增大, 设计压应力自3MPa增至6MPa, 竖向压缩刚度最大提高80.19%。

　　 取第3循环加载数据计算竖向压缩刚度K_V, 公式如下:

　　 ${\rm K}{}_{\text{V}}=\frac{{\rm P}{}_2-{\rm P}{}_1}{Y{}_2-Y{}_1}(1)$

　　 式中:P₁为第3次循环较小压力;P₂为第3次循环较大压力;Y₁为第3次循环较小位移;Y₂为第3次循环较大位移。

　　 当叠层层数增加时, 支座增高, 试验时上下加载板对支座的套箍作用减弱, 相比于层数较少时横向约束减弱, 同时, 橡胶厚度的增加, 使轮胎内高强钢丝网对橡胶的约束能力减弱, 橡胶横向变形加大, 竖向压缩刚度减小。高强钢丝网片对橡胶的约束使橡胶处于三向受压状态, 设计压应力增大时, 支座竖向线应变增大, 支座内橡胶横向线应变随之增大, 使内部高强钢丝网片拉应力增加, 其对橡胶的横向约束作用增强, 同时支座竖向承压面积也有所增加, 因此竖向压缩刚度增大。

　　 选取设计压应力σ₀分别为3, 4, 5, 6MPa, 每组3个, 共12组36个试件。参考《橡胶支座第3部分:建筑隔震橡胶支座》 (JG 118—2000) 要求, 对叠层轮胎隔震支座进行竖向变形性能试验。取与轴压应力 (1±30%) σ₀相应的竖向荷载, 5次循环加载, 观察荷载位移曲线有无异常, 试验数据见表2。计算各循环下竖向压缩刚度, 检验是否满足如下公式:

　　 $︱[{\rm K}{}_{\text{V}}(1,2,4,5)-{\rm K}{}_{\text{V}}(3)]/{\rm K}{}_{\text{V}}(3)︱\le 10\%$

　　 式中:K_V (1, 2, 4, 5) 为第1, 2, 4, 5次循环加载测得的竖向压缩刚度平均值;K_V (3) 为第3次循环加载得到的竖向压缩刚度。

　　 结果表明:荷载-位移曲线均无异常;随循环次数增加, 支座竖向压缩刚度增加, 其中第2次循环与第1次循环相比增加幅度较大, 第2次循环至第5次循环基本保持不变。这是因为叠层轮胎在第1次受压前层间空隙较大, 而压力增加后空隙消减, 之后再循环加载竖向压缩刚度也基本保持稳定。其中︱[K_V (1, 2, 4, 5) -K_V (3) ]/K_V (3) ︱均大于《建筑隔震橡胶支座》 (GB/T 20688.3—2006) 规定的限值10%^[11]。第1次循环刚度与后续循环相比变异较大, 超出平均值的15%, 考虑工程实际中长期荷载效应而剔除第1循环数据。去除第1循环数据后计算所得︱[K_V (2, 4, 5) -K_V (3) ]/K_V (3) ︱均小于1% (K_V (2, 4, 5) 为第2, 4, 5次试验测得的竖向压缩刚度平均值) 。说明叠层轮胎隔震支座在受到一定压应力后具有稳定竖向压缩刚度及变形性能。

　　 提出一种利用废旧轮胎的新型村镇建筑简易隔震结构, 对180mm×180mm平面尺寸的叠层轮胎隔震垫进行了系统竖向力学性能试验, 得出以下结论:

　　 (1) 叠层轮胎隔震支座的竖向极限压应力特性与轮胎叠层层数无明显关系, 竖向极限压应力为9MPa。通过结构计算, 合理布置叠层轮胎隔震垫个数及位置, 叠层轮胎隔震支座可以提供足够的竖向承载力。

　　 (2) 叠层轮胎隔震支座在初始受压时刚度较小, 承受一定压应力后能提供稳定的、较大的竖向压缩刚度。竖向压缩刚度随叠层层数增加而减小, 叠层层数从4层增至8层竖向压缩刚度最高下降53.58%;竖向压缩刚度随设计压应力增大而增大, 设计压应力自3MPa增至6MPa, 竖向压缩刚度最高上升80.19%。

　　 (3) 叠层轮胎隔震支座竖向变形性能试验时, 第1循环至第2循环加载段刚度变化较大, 致使︱[K_V (1, 2, 4, 5) -K_V (3) ]/K_V (3) ︱较大, 最大可达15.61%。去除变异性较大的第1循环数据, 计算得︱[K_V (2, 4, 5) -K_V (3) ]/K_V (3) ︱最大只有0.94%, 说明在叠层轮胎隔震支座承受一定压应力后具有稳定的竖向压缩刚度及变形性能。

　　 (4) 从隔震性能方面分析, 该结构能够提供优异的限位、复位功能, 工程应用中, 可以根据结构上部重力荷载代表值和所选设计压应力计算支座数量, 再对叠层层数进行调整使结构具有较好的竖向压缩刚度和水平等效刚度比例, 在通过限制结构高宽比避免支座出现拉应力来进行设计, 已达到良好隔震效果的目的;从经济方面考虑, 该结构只增设了一道圈梁和一层隔震支座, 施工稍加复杂, 相比于传统抗震结构, 工程造价增量应不大于5%。若考虑上部结构强度适当降低, 则工程造价基本与传统抗震结构相同, 而结构安全性则大大提高, 故该技术适合我国村镇建筑使用;环保方面来说, 该技术利用了有“黑色污染”之称的废旧轮胎, 节能环保;施工方面考虑, 该技术简单易行, 施工方便, 不需要专业人员和大型机械设备。该技术的研究应用将会推动我国村镇建筑隔震行业的快速发展。