尚守平， 易春荣
（湖南大学土木工程学院，长沙410082）
[摘要] 介绍了钢筋沥青隔震层设计时应满足的条件，并利用时程分析法中的Newmark-p法分析了地震动峰值、隔震层阻尼以及隔震层刚度等因素对钢筋沥青隔震结构隔震效果的影响。在实验室进行了钢框架模型振动台试验，研究上部钢框架等效抗侧刚度与隔震层抗侧刚度之比对隔震效果的影响。结果表明，各种工况下的钢框架等效抗侧刚度与隔震层抗侧刚度之比对隔震效果影响显著；当抗侧刚度比达到一定值时钢筋沥青隔震结构可以达到较好的隔震效果。这也证明钢筋沥青隔震技术是非常实用的隔震技术，所研究的结果可为编制有关规程提供参考。
[关键词] 钢筋沥青隔震技术；Newmark-p法；刚度比；振动台试验；隔震效果
中图分类号：TU352. 12 文章编号：1002-848X( 2016) 11-0091-05
0 前言
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，从而限制地震能量进入上部结构，达到隔震的效果。对于一般位于较硬场地上的中低层建筑，采用基础隔震的隔震效果明显；而对于高柔建筑或位于软弱场地上的建筑，因高柔建筑的自振周期较大、软弱场地卓越周期较长，此两类建筑采用基础隔震的隔震效果则不如位于较硬场地上的中低层建筑明显。
常见的基础隔震方法主要有橡胶支座隔震、滚动隔震、摇摆支座隔震、摩擦滑移隔震等。本课题组致力于研究一种造价低廉并且施工简便的基础隔震技术，提出了钢筋沥青隔震技术，并通过试验来证明此技术具有良好的隔震效果；本文在已有的科研基础上，对影响此技术隔震效果的主要因素进行研究，为该隔震技术的进一步推广提供参考依据。
1 隔震层设计
1.1钢筋沥青隔震技术的隔震原理
钢筋沥青隔震技术利用隔震竖向钢筋水平刚度小而竖向刚度较大的特点，从而延长结构自振周期，达到使上部结构的地震反应明显减弱的目的。在正常使用状态或小震作用下，隔震竖向钢筋承受上部结构的竖向荷载以及风荷载、地震作用产生的水平力；在大震作用下，隔震竖向钢筋可能产生弯曲和较大倾斜，使上部结构坐落在混凝土下墩或者填充在竖向钢筋之间的砖墩上，接触面之间产生较大摩擦以保证结构稳定不倒塌。钢筋之间填充的沥青油膏主要是为了防止钢筋锈蚀，提高其耐久性，也可以直接在钢筋表面涂刷防火防锈漆来实现上述目的。
钢筋沥青隔震技术根据隔震层的做法不同分为钢筋沥青隔震墩（图1）和钢筋沥青隔震层（图2）两种，两者的构造分别见图3和图4，其工作原理。
将隔震体系看作上部结构和隔震层两部分，上部结构处于弹性阶段，呈整体平动状态，隔震层在地震作用下产生较大变形。根据达朗贝尔原理，在水平地震作用下，隔震结构的运动方程如下：
1.2计算假定
作如下计算假定：1）假定隔震竖向钢筋布置对称，竖向荷载沿隔震层形心轴作用；2）假定隔震钢筋处于线弹性范围内，满足胡克定律；3）隔震钢筋无初始弯矩，上下两端嵌固在混凝土中，牢固可靠。
1.3隔震结构抗倾覆稳定性条件
(1)隔震层一侧边缘的隔震竖向钢筋不应产生轴向拉力。隔震竖向钢筋受拉对其下端的锚固会产生影响，因此，要求上部结构高宽比宜小于4，且平面布置宜规则、简单、对称，并符合《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)的相关规定。
(2)隔震层另一侧边缘的隔震竖向钢筋最大压应力不超过其抗压强度设计值。
1.4隔震层钢筋的计算
在钢筋沥青隔震技术中隔震竖向钢筋是主要受力构件，提供竖向承载力和水平刚度。地震作用时，水平地震作用主要由隔震竖向钢筋承受，由于上部结构刚度相对隔震层刚度来说较大，因此结构主要变形集中发生在隔震竖向钢筋上。根据计算假定3)，隔震竖向钢筋可简化为两端固接，受到竖向荷载和水平力共同作用。钢筋沥青隔震结构中隔震竖向钢筋根数的确定应根据强度和稳定计算结果的最不利情况判定。
(1)按强度计算结构的隔震竖向钢筋
隔震竖向钢筋的强度应满足下式要求：
式中：N为由上部结构传至隔震竖向钢筋的竖向荷载设计值；n为隔震竖向钢筋总根数；d为隔震竖向钢筋直径；f y为隔震竖向钢筋抗压强度设计值，当钢筋抗压强度设计值不小于500MPa时，取500MPa。
考虑水平地震作用组合时隔震竖向钢筋强度应满足下式要求：
(2)按稳定计算结构的隔震竖向钢筋
隔震竖向钢筋为压弯受力构件，考虑隔震竖向钢筋在水平地震作用和竖向荷载作用下的重力二阶效应，隔震竖向钢筋最终变形可以看作初始变形和一系列附加变形相叠加的结果，经过一系列的理论和计算分析并总结得到，隔震竖向钢筋稳定应满足下式要求：
2 影响隔震效果的因素
本节利用MATLAB编制时程分析程序，应用时程分析法中的Newmark-β法分析影响隔震效果的主要因素，考虑三类不同地基土场地，三类场地土分别为：硬土（对应I0，I1类场地）、中硬土（对应Ⅱ，Ⅲ类场地）和软土（对应Ⅳ类场地），为寻求一般规律，每一类场地土采用三条不同的地震波记录，将三条地震波下的加速度幅值比求平均值得到代表这一类场地土的加速度幅值比。
2.1地震动强度的影响
该隔震结构在不同地基土上，β随水平地震动加速度峰值的变化如图5所示。
2.2隔震层阻尼比的影响
基于2.1节的结构，通过仅改变隔震层阻尼比（阻尼比从0. 01~0.1逐渐变化）来研究隔震层阻尼比对隔震效果的影响，将三类不同场地土的地震波的加速度幅值均调整为3 m/s2作为隔震结构的地震激励输入，得到β随阻尼比的变化如图6所示。
2.3隔震层刚度的影响
从图5～7中可以看出，硬土地基上的结构的隔震效果明显比其他类型场地土的结构的隔震效果好，软土地基上的隔震结构由于结构的基频与相应输入的地震激励的主频非常接近，因而隔震效果表现得很差；当隔震层刚度逐渐减小，软土地基上的隔震结构只有当其自振周期避开场地特征周期时才表现出一定的隔震效果；总之钢筋沥青隔震技术对于软土地基上的建筑物的适用性比其他类型的场地土上的建筑物的差一些。
3 试验研究与分析
《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)规定隔震结构宜选择稳定性较好的场地，由2.1节可知，钢筋沥青隔震技术适用于中硬土场地（Ⅱ，Ⅲ类场地）与硬土场地（I类场地），本试验针对建筑在较常见的中硬土场地上（Ⅱ，Ⅲ类场地）的钢筋沥青隔震结构，分析其隔震效果与刚度比的关系。
3.1试验模型
试验主要设备有振动台和941B拾振器，分别如图8、图9所示。数据采集系统采用941B型放大器、采集仪和DASP信号分析系统。
本试验主要针对中硬场地土，选择相应的E1Centro和Taft地震波记录，对钢筋沥青隔震层的隔震效果进行研究。振动台台面尺寸为1m×1m，难以在其上面做较大比例的模型试验，利用现有的尺寸为1.5m×1.5m钢框架，通过增减斜撑来模拟上部结构与钢筋沥青隔震层相对刚度的变化进行试验，以获取反映结构隔震效果的对比数据。本试验所用的钢筋沥青隔震墩尺寸为200mm×240mm×500mm，通过试验测得单个钢筋沥青隔震墩的抗侧刚度为46. 8kN/m，本试验采用了8个钢筋沥青隔震墩，则隔震层总刚度为374. 4kN/m。试验中，调整El Centro波和Taft波加速度峰值均分别为70，125，220 cm／s2来模拟不同烈度下的地震作用。El Centro波和Taft波原始加速度时程曲线分别见图10和图11。试验工况如表2所示，试验模型如图12所示。
3.2试验结果
定义刚度比μ为：
式中：K*为隔震层上部结构等效抗侧刚度；Kb为隔震层抗侧刚度。
本试验是通过在顶点施加集中荷载F，测量顶点位移△，从而得到各工况下钢框架模型的抗侧刚度K= F/△，试验如图13所示。对于实际隔震层上部结构，用等效抗侧刚度K*作为隔震层上部整个结构的抗侧刚度的代表值。
对于一个m层n跨的建筑结构，当顶层受到大小为F的水平力作用，其等效抗侧刚度K*的计算公式推导过程如下：
采集不同工况下El Centro波、Taft波加速度幅值均为70，125，220 cm／s2时的隔震层底部和隔震层上部的加速度幅值。以输入El Centro波、Taft波加速度幅值均为220 cm／s2的情况为例进行分析，结果汇总于表3。
由表3可以看出，随着支撑的改变，上部结构等效抗侧刚度逐渐增大，而隔震层抗侧刚度不变，即从工况1至工况6，刚度比随着上部结构等效抗侧刚度增大而增大，同时随着刚度比的增大，隔震效果更明显，当刚度比大于2.5时，加速度幅值比小于0.5。
对加速度幅值比β取常用对数，其随刚度比μ的变化规律见图14。
从表3及图14可知，随着刚度比的增加，加速度幅值比呈递减规律；拟合得到的加速度幅值比β
关系。该直线近似通过点(1，0)，即当隔震层上部结构等效抗侧刚度与隔震层抗侧刚度相等时，加速度幅值比β=1，进一步说明刚度比要足够大，钢筋沥青隔震结构才有隔震效果；同样可以得到，当刚度比μ≥2.5时，加速度幅值比小于0.5。
4 结论
(1)利用MATLAB编制时程分析程序，分析了地震动强度、隔震层阻尼比以及隔震层刚度对隔震效果的影响，对比发现钢筋沥青隔震技术应用于中硬土以及硬土场地上的建筑物时隔震效果较好，其中隔震层刚度对隔震效果的影响相对较大。
(2)试验研究结果表明，隔震层上部结构等效抗侧刚度与隔震层抗侧刚度的比值越大，隔震效果越明显。
(3)为保证钢筋沥青隔震结构取得理想的隔震效果，宜选择中硬土场地（Ⅱ，Ⅲ类场地），甚至硬土场地（I类场地）；另外，刚度比尽可能大于2.5，从而使加速度幅值比小于0.5。
