SBS沥青阻尼隔震垫性能研究

 杜志超1，  田  杰2，  钱国桢3，  曾德民1

（1中国建筑标准设计研究院有限公司，北京100048;2北京工业大学建筑工程学院，北京100124：3杭州天元建筑设计研究院有限公司，杭州311201）

[摘要] SBS沥青阻尼隔震垫是由SBS改性沥青防水卷材与钢丝网交替叠置组合而成的。在BS隔震垫的基础上改用SBS沥青阻尼隔震垫进行了试验研究。试验结果表明，SBS沥青阻尼隔震垫具有较高的承压强度和很大的阻尼比，其水平剪切刚度随着剪应变的增加而下降，具有明显的软化特性。同时，为考察新型隔震垫的隔震效果，运用有限元软件ABAQUS对采用SBS沥青阻尼隔震垫的隔震建筑物进行数值模拟分析。结果表明，隔震结构顶层的加速度响应减小了40%~ 50%。

[关键词] SBS沥青阻尼隔震垫；阻尼比；水平等效刚度；数值模拟

中图分类号：TU352. 12  文章编号：1002-848X( 2016) 11-0102-05

0  引言

 隔震结构体系经过几十年的应用，经历了实际地震的检验，证明是当前一种较为理想的减轻地震灾害的新型结构体系。目前较为流行的隔震装置包括叠层橡胶支座、天然橡胶隔震支座与阻尼器组合的隔震体系、高阻尼橡胶隔震支座、铅芯橡胶隔震支座、金属弹簧隔震器等。由于橡胶隔震支座受到天然橡胶、钢板、铅芯等原材料的价格影响，生产成本较高，根据支座直径大小，每个支座价格在几千元到几万元不等。对于村镇建筑而言，投入成本较低，不可能使用橡胶隔震支座。因此，选用一种造价低、适用于村镇建筑、具有一定隔震能力的隔震装置成为本文的主要研究内容。

 新型沥青阻尼隔震垫（BS隔震垫）是由拉力材料、阻尼材料和塑料薄膜构成，结构如图1所示。其中，拉力材料可根据受力大小分别采用石棉布、玻璃纤维布、麻布、金属网片等，阻尼材料由改性沥青、滑石粉、废橡胶粉及各种化学添加剂混炼组成，应用于隔震、隔声时可单层使用，也可叠层使用。因为BS隔震垫具有较高的承压强度、很大的阻尼比、较低的价格、较方便的生产施工技术，因此在很多领域有广阔的应用前景，已经应用于机器基础隔震、建筑基础隔震，并作为释放房屋面板的温度收缩应力的软支座得到应用，且已通过浙江省省级鉴定，较适合在低烈度地区和村镇建筑中推广应用。

 由于按照BS垫的生产要求，要加入很多外加剂，且需要专门生产，数量少则厂家不愿生产；又由于BS隔震垫本身较厚，地震作用下容易被挤出，从而失去隔震作用。因此，本文在BS隔震垫的基础上改用SBS沥青阻尼隔震垫（简称SBS隔震垫），并对其进行试验研究。SBS隔震垫与BS隔震垫成本价均为15~20元/m2，相对于橡胶隔震支座具有较好的社会效益和经济效益。

1  SBS隔震垫的构造与隔震机理

1.1 SBS隔震垫的构造

 SBS隔震垫是采用SBS改性沥青防水卷材与钢丝网交替叠置组合而成的隔震垫，其中，SBS改性沥青防水卷材每层厚度为3mm，钢丝网片的钢丝直径为1mm、间距为3mm。SBS隔震垫直径为250mm。具体结构参数见表1，SBS隔震垫构造如图2所示。

1.2  SBS隔震垫的隔震机理

 小震时SBS隔震垫在隔震层中产生剪切变形，可降低结构自振周期，减小地震响应。大震时沥青因吸收地震能量而受热软化呈全塑性状，因而阻断了传给上部结构的水平地震作用，这时它相当于一个滑移隔震层，使建筑自振周期延长，地震响应也得到进一步衰减，起到了

很好的隔震效果。此外，SBS隔震垫的阻尼比很大，一般可达0. 25~0. 38，为钢筋混凝土

结构的数倍，可大大削减反应谱峰值。

2  SBS隔震垫的物理力学性能

2.1竖向性能试验

 按照表2的设计参数分别做了四种隔震垫的水平性能试验。竖向性能试验结果见表2。测得在同样的设计压应力(2MPa)作用下，SBS隔震垫的竖向变形量均在1mm以内，最大抗压强度均在7MPa以上，对于村镇房屋而言，完全满足设计压应力2MPa以下的工作条件，而且是安全的。达到极限荷载时，SBS隔震垫向四周挤出较明显。此外，从试验结果还可看出，SBS隔震垫越薄其抗压强度越高，性价比越高，更有利于推广应用。SBS隔震垫竖向性能试验后的形态如图3所示。

2.2水平性能试验

 通过水平性能试验，得到了四种SBS隔震垫在不同加载频率、不同剪应变和不同竖向荷载下的剪切变形滞回曲线、等效水平刚度、等效阻尼比。以11mm厚的SBS隔震垫的试验结果为例，数据见表

3，剪切滞回曲线见图4。

3  算例分析

3.1模拟建筑物概况

 模拟以三层砖混结构住宅为对象，其基础为钢筋混凝土条形基础，楼面为现浇板，屋面为不上人屋面，墙均采用厚240mm的KP1型黏土砖。首层层高3. 4m，二层、三层层高均为3.2m，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地。

 在结构底部圈梁与条形基础之间设置沥青隔震层，SBS隔震垫铺在基础之上，平面布置见图5。采用SBS-11隔震垫的参数：设计压应力2MPa、剪应变y= 100%（水平剪切位移为11mm）、水平等效刚度1.500kN/mm、等效阻尼比0.339。

3.2模型单元

 采用ABAQUS有限元软件对以SBS改性沥青为隔震层的隔震结构模型进行模拟分析。在分析计算中，墙体、屋顶、楼地面均采用Shell单元，圈梁采用梁单元，基础梁和隔震垫采用实体建模，隔震垫的材料属性按照超弹性来进行定义。输入El Centro波、Taft波和人工波对建筑物进行地震波激励，分析该建筑物的相关反应。隔震模型如图6所示。

 Bouc-Wen滞回模型包含了非线性阻尼和非线性刚度，对各种光滑的滞回曲线都能较好地近似描述，在工程中得到了广泛应用。在不同参数下，Bouc-Wen滞回模型使系统具有软或硬式响应特性，导致系统有非线性振动特性。

 本文基于ABAQUS程序采用Bouc-Wen滞回模型来模拟沥青阻尼隔震垫的水平恢复力模型，通过调节各个参数可以得到不同形状的滞回环。

Bouc -Wen滞回模型的振动微分方程为：

 非线性滞回体系恢复力F的特性取决于材料特性、响应幅值和结构特性，符合SBS隔震垫的滞回特性。本例中，经过对曲线的模拟分析，取A=1，y=0.5，n=1，β=0.5，如图7所示，其中K y为屈服后刚度，F y为屈服水平剪力。

3.3隔震结构在地震波激励下的地震响应

 输入Taft，El Centro地震波和一条人工波，通过调整峰值加速度以满足7度(0.15g)对应的小震和大震要求：沿X向输入峰值加速度分别为0.55，3.10m／s2的地震波。经有限元计算，隔震前后模型结构的地震反应结果见图8（以El Centro波为例）和表4，5。

 从图8和表4，5中可以得出，隔震结构顶层的加速度响应较输入峰值加速度减小了40%~

50%；隔震结构的底层和上部各层的绝对位移基本相同，虽然隔震结构上部各层的绝对位移大于传统抗震结构上部相应各层的绝对位移，但是其层间相对位移却接近于零，主要是由于上部结构的层间刚度远远大于隔震层的水平刚度。因此设计时，只要隔震层的位移在许可的变形范围内就不会出现因为上部结构层间变形太大而导致结构破坏的现象。

 表4和表5中大震与小震下的加速度及位移数值模拟结果表明，小震下的隔震效果不如大震下的隔震效果明显，但是SBS隔震垫在大震与小震下的隔震效果都很理想，这是由隔震垫本身的性质所决定的，即相对砌体结构而言，改性沥青隔震垫的弹性模量更小、抗剪强度更低，具有更大的阻尼。小震时隔震层中产生剪切变形，从而减小了地震响应。大震时沥青因受热软化呈全塑性状，阻断了水平地震作用向上部结构传递，因而产生了较好的隔震效果。

4  SBS隔震垫与BS隔震垫性能比较

 通过试验，本文提出的SBS隔震垫的竖向刚度要比BS隔震垫的竖向刚度提高30%~50%(表6)，两者的水平性能基本相当（图9，10），说明SBS隔震垫有效限制了沥青的侧向挤出，提高了隔震垫的竖向刚度，这对于保障低造价隔震材料的支座在长期荷载作用下的安全等方面均具有重要的作用。

5  SBS隔震垫与橡胶隔震支座的比较

 本文所研究的SBS隔震垫适用于三层及以下的村镇砌体结构建筑，由于其隔震原理与橡胶支座不同，主要隔震效果体现在大震下隔震建筑不倒塌。而橡胶隔震支座由于造价及力学性能特性决定了其应用于中高层建筑中较有优势。

 由SBS隔震垫的性能试验可知，其力学性能类似于铅芯橡胶隔震支座，竖向承载能力满足村镇三层砌体建筑的要求，同时具有一定的水平剪切刚度和较大阻尼比，能够保证其隔震减震能力。

 在隔震支座设计方面，SBS隔震垫由于适用于低层村镇建筑，同时其高度也比较低，仅有十几毫米，制作比较简单，施工也非常方便，不需要工厂加工。橡胶隔震支座考虑在水平方向上要有较大变形，依据不同建筑要求，其直径、高度有较大变化，而且对于原材料的选择、生产工艺等均有较高要求。两种隔震垫的设计思路不同，橡胶隔震支座需要一定的高度，是为了保证足够的水平刚度以保证隔震效果，而SBS隔震垫主要靠改性沥青在吸收地震能后软化而成为滑移层，从而起到隔震效果，隔震垫层数少而强度高、价格低，性价比高。这更有利于在村镇建筑中推广应用。

 针对本文所研究的SBS隔震垫，可通过在基础与底圈梁之间设置连接钢筋（图11）来实现地震时建筑物发生相对位移后进行自行复位的功能。

6  结论

 (1) SBS隔震垫具有很大的阻尼比，可以明显地减小地震响应。

 (2) SBS隔震垫等效水平刚度在经过多次剪切加载循环后，呈递减趋势；等效阻尼比呈递增趋势。

 (3)从SBS隔震垫在恒定压力下的水平荷载一位移滞回曲线可知，其重复性尚佳，性能较稳定。同BS隔震垫相比，阻尼比和等效刚度相差不大，竖向刚度有所提高。

 (4) SBS隔震垫的受剪压破坏形式为沥青制品向四周挤出，但因加有钢丝网片，与BS隔震垫相比，SBS隔震垫的沥青不易被挤出，且强度也有所提高。

 (5)采用SBS隔震垫的建筑物上部结构在地震力的作用下近似做整体平动，其顶层加速度降低到输入峰值加速度的一半左右。

 (6)应用于农村低矮房屋时，SBS隔震垫总厚度仅十几毫米，且均匀地满铺在底圈梁下，在较均匀的垂直荷载作用下，地震时建筑物发生滑移，SBS隔震垫不会产生突变和倾斜，是一种安全的隔震垫。在模拟算例分析中，隔震垫大震下的位移为11mm，对于村镇三层及以下房屋，可以不考虑其复位的情况，仅在构造上设置限位钢筋已足够。