周锡元

钢隔震墩框架振动台试验研究

尚守平;罗惟贤;王振;肖逸夫

【期刊名称】《《铁道科学与工程学报》》

【年(卷),期】2019(016)008

【总页数】9页(P2043-2051)

【关键词】钢筋混凝土框架;钢隔震墩;地震模拟振动台试验;隔震效果

【作者】尚守平;罗惟贤;王振;肖逸夫

【作者单位】湖南大学土木工程学院湖南长沙410082

【正文语种】中文

【中图分类】TU352

基础隔震是在基础上部与结构底部之间设置隔震装置，使结构自振周期增大，隔离

地基向上部结构的地震能量的传输，从而降低结构的地震反应，达到保护结构安全

的目的[1−4]。20世纪70年代Robinson等[5]针对结构抗震能力不足的问题，根

据基础隔震理论，发明铅芯橡胶隔震支座。唐家祥等[6]针对黏结型叠层橡胶隔震

支座工艺复杂的问题，对工艺较为简单的无黏结型叠层橡胶隔震支座进行了可靠性

试验研究，证明了其合理性。周锡元等[7]针对橡胶支座发生大变形失稳破坏的问

题，发展了滑动橡胶隔震体系。张文芳等[8]为探究基础滑移体系隔震效果，对采

用滑动橡胶支座隔震砖房进行振动台试验研究，证明了基础滑移体系具有良好隔震

效果。Ceccoli等[9]对高阻尼橡胶隔震支座框架结构进行地震反应分析，证明了高

阻尼橡胶隔震支座适用于框架结构。从当前理论及运用情况分析[10]，叠层橡胶

隔震支座作为基础隔震体系运用最为广泛，但其较为高昂的造价不适宜于在我国农

村地区的大量推广。尚守平等[11−12]针对此不足，提出了一种适用于农村低层房

屋的钢筋−沥青隔震层技术，进行足尺隔震砌体结构振动台试验[13]，并已成功运

用于实际工程[14]。为将此技术运用于框架结构[15]。根据框架结构的特点，提出

一种适用于框架结构隔震的新型钢隔震墩。在振动台面和上部框架柱底部之间设置

此钢隔震墩作为基础隔震层，并制作2层单开间钢筋混凝土框架模型，框架的底

层地面标高制作1层楼板，按照几何尺寸1:2进行缩尺，进行地震模拟振动台试验。

通过地震模拟振动台输入不同工况地震波，分析各层楼板输出加速度峰值与位移峰

值，了解钢隔震墩运用于框架的隔震效果。向隔震墩中灌入沥青油膏[16]，对比分

析有无沥青油膏时上部框架位移反应，了解沥青油膏的阻尼及对上部框架的限位作

用。

钢隔震墩骨架由上下钢板，隔震竖向钢筋通过榫锚焊接构成，设置于框架柱底部与

基础之间，隔震竖向钢筋是钢隔震墩的主要受力部件，其竖向刚度远大于水平刚度。

利用此特点制成竖向承载力大且水平刚度小的钢隔震墩，作为框架结构隔震装置，

使结构的自振周期增大，减小上部结构地震反应。实际应用时，可在钢隔震墩四周

捆绑木模板，灌注沥青油膏，起到防止隔震竖向钢筋生锈及提供一定阻尼的作用。

钢隔震墩构造图如图1所示。

不发生地震时，隔震结构仅承受竖向重力荷载，隔震钢筋可简化为轴心受压的构件

计算，由静力压杆稳定欧拉公式，其临界失稳荷载计算如式(1)所示[13]。

式中：E为隔震竖向钢筋弹性模量；I为钢筋截面惯性矩；l为隔震墩隔震竖向钢筋

有效高度；P为单根钢筋所承受上部重力荷载设计值作用下的竖向力；N为计算单

元上结构重力荷载设计值；n为计算单元内隔震竖向钢筋根数。

由式(1)，(2)和(3)可确定隔震墩在重力荷载作用下所需最少隔震竖向钢筋数量为

式中：d为计算单元内隔震竖向钢筋直径。

发生地震时，隔震结构将承受竖向重力作用与水平地震作用的共同作用，此时的荷

载情况为偶然荷载作用情况，采用荷载标准值与材料标准值进行验算。

隔震墩隔震竖向钢筋在竖向荷载与水平地震作用共同作用时，隔震竖向钢筋弹塑性

稳定应满足如下表达式，已编入《多层房屋钢筋沥青基础隔震技术规程》[17]修订

版：

式中：Pw为上部结构重力荷载代表值；fyk为竖向隔震钢筋抗压强度标准值；αn

为隔震结构的水平地震影响系数；ε和η为稳定计算参数，按表1取用。

最终隔震竖向钢筋数量按弹性稳定计算的钢筋根数n和弹塑性稳定验算式(5)算出

的钢筋数量，取二者较大值采用。

本试验在山东建筑大学工程结构与防灾减灾实验室进行，使用地震模拟振动台进行

试验，振动台具体参数见表2。

钢隔震墩上下钢板长度及宽度应略小于框架柱长及柱宽，使隔震竖向钢筋全部位于

框架柱之下，保证每根钢筋受力均匀。为保证隔震竖向钢筋与钢板可靠连接，其每

端榫锚焊接长度不应小于20mm，钢板厚度应不小于30mm。本试验中隔震墩

采用尺寸为180mm×180mm×30mm的上下钢板。按设防烈度为8度，场地

土类别为Ⅱ类设计，隔震竖向钢筋根数由第2部分计算得出，本试验共采用32根

HRB400级钢筋作为隔震竖向钢筋，钢筋标称直径10mm，每根钢筋在上下钢板

间的净长度300mm，通过榫锚焊接与上下钢板连接。4个框架柱底部各布置1

个隔震墩，每个隔震墩布置8根钢筋。隔震墩立面图、剖面图和实物图，分别如

图2，图3与图4所示。

因地震模拟振动台有效负荷限制，需控制试验结构整体质量在10t以内，经计算

采用几何尺寸1:2进行结构缩尺，模型采用C30混凝土，HRB400受力钢筋，

HPB300箍筋。为了更好使模型与原型在地震作用下的动力特性保持一致，通过

调整层高使模型的自振频率与原型的自振频率相近。模型与原型参数如表3所示。

框架模型平面图和剖面图见图5和图6，施工完后模型实物图见图7。

试验中采用中国地震局工程力学研究所941B型拾振器在测量振动台面、1层底板、

2层底板及2层顶板各布置2枚，分别测得各层的加速度和位移反应，在整个试

验过程中实现加速度和位移同步记录，对于测得的位移反应可用测得的加速度积分

进行验证。

试验采用2008年“卧龙波(S-N)”和1952年“Taft波(N21E)”作为地震模拟振

动台台面输入波，选取“卧龙波”和“Taft波”的原因在于此2条地震波是实测

地震波，数据真实且可靠，根据输入地震动的傅氏谱，“卧龙波”频谱较窄，

“Taft波”频谱较宽，2条波频谱组成具有代表性。通过台面输入0.05g和0.1g

的峰值加速度的卧龙波和Taft波，模拟7度及8度多遇地震的情形。试验工况如

表4所示。

将试验模型框架吊装至振动台，通过台面上的螺栓孔固定隔震墩下部钢板，将整个

隔震框架模型与振动台面相连。启动地震模拟振动台，进行机器预热，通过向振动

台载入表4所示工况的地震波数据，获得不同的台面加速度输出。台面输入加速

度峰值0.05g的地震波时隔震墩钢筋只出现轻微晃动，模型整体晃动不明显，随

着振动台面输入加速度峰值加大到0.1g，隔震墩晃动加大，模型整体晃动较明显；

依次完成4个工况的试验过后，隔震墩隔震钢筋均能良好复位，上部框架未出现

明显变形与破坏特征。再将钢隔震墩四周捆绑木模板，并开出斜向导流口，将沥青

油膏倒入熔炉，熔成胶状，加入一定质量比的双飞粉，沿导流口将沥青油膏灌入钢

隔震墩。待沥青油膏冷却，依次向振动台载入表4所示工况的地震波数据。发现

同工况下较之前无沥青油膏时，有沥青油膏的隔震墩晃动减小，模型整体晃动不明

显。

为分析不同工况下每层楼板加速度反应，定义加速度衰减系数[18]为β：

式中：a0为振动台面输入峰值加速度；ak为各层楼板输出峰值加速度，k=1,2,3

分别代表1层底板、2层底板、2层顶板。

将试验分析得到各加速度及加速度衰减系数见表5。

从表5及图8可知，随着台面输入加速度峰值的提高，上部框架的地震反应也随

之增大，但是上部框架各层楼板的加速度反应始终被折减。从加速度时程曲线可知，

隔震框架的各层加速度反应较为缓和，整个地震作用持时内基本维持在台面输入加

速度峰值的30%以内波动。在不同地震作用下，隔震墩水平方向上隔震效果明显，

隔震层的加速度衰减系数约为0.25~0.50，即一层底板的最大反应加速度可衰减到

振动台板输入峰值加速度的50%以下。其中0.1g卧龙波工况下，减震效果最佳，

1层底板加速度衰减系数为0.245，2层顶板加速度衰减系数为0.306。随着楼层

增加，输出峰值加速度增大，2层顶板的加速度衰减系数约为0.30~0.70，仍然具

有良好的隔震效果。

向钢隔震墩中灌注沥青油膏后测得隔震层加速度衰减系数，并与未灌注沥青油膏的

加速度折减系数进行对比，数据列于表6。从表6可知，钢隔震墩添加沥青油膏后，

隔震层的加速度衰减系数一般略有加大，原因在于灌注沥青油膏后，沥青油膏对于

竖向隔震钢筋的往复运动有所限制，使得钢隔震墩水平刚度有所增加。隔震层的加

速度衰减系数约为0.25~0.58，较未灌注沥青油膏时的加速度衰减系数增幅较小，

故钢隔震墩灌注沥青油膏后仍具有良好隔震效果。

将试验测得各部分位移时程曲关系，分析得到各工况下结构位移反应见表7。

从表7及图9可知，输入地震波波形相同时，随着输入加速度峰值增大，隔震层

相对振动台面位移增大，最大值为3.61mm。各工况下，对于上部框架，2层顶

板与1层底板的相对位移非常小，最大值为0.90mm，所以上部框架几乎为整体

平动。整体结构变形集中在隔震层，隔震层通过自身变形吸收大部分地震能量，有

效阻隔地震能量向上部结构传递。钢隔震墩添加沥青油膏后，较隔震墩未添加沥青

油膏时，上部框架2层顶板与1层底板的相对位移显著减小，输入加速度峰值

0.05g的卧龙波时，减少61%，输入加速度峰值0.1g的卧龙波时，减少69%，

输入加速度峰值0.05g的Taft波时，减少83%，输入加速度峰值0.1g的Taft波

时，减少81%。说明沥青油膏使隔震层阻尼增大，有显著耗能作用，在钢筋隔震

的基础上再吸收一部分地震能量，进一步减少能量向上部结构传递从而减小上部结

构水平地震位移反应。

1)由于钢筋隔震墩具有弹性恢复力，在7度及8度多遇地震作用下隔震层复位良

好，上部框架未出现明显变形与破坏特征，在框架柱底部设置钢筋隔震墩能适用于

框架结构的隔震。

2)在不同峰值的地震波输入下，框架一层底板输出的加速度峰值较台面输入加速

度峰值降低约50%~75%，隔震层运用于框架具有显著的的减震效果，具有良好

的发展前景。

3)地震发生时，设置钢隔震墩的上部框架结构几乎保持整体平动，层间位移非常

小，表明：隔震层吸收了大部分地震能量，有效阻止了地震能量向上部结构传递，

有利于保持上部结构完好性。

4)钢隔震墩构造简单，施工简便，价格低廉。实际应用时，可在隔震墩侧壁绑扎

木模板，灌注沥青油膏，沥青油膏起到增加阻尼作用的同时可以包裹竖向隔震钢筋，

防止隔震钢筋生锈。设计计算时，未考虑沥青油膏阻尼作用。

5)钢隔震墩灌注沥青油膏后，上部框架二层顶板与一层底板的相对位移减少约为

60%~80%。证明沥青油膏起到增加阻尼的作用，进一步减少地震能量向上部结构

传递，对于上部结构有限位作用。

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