31sbs改性瀝青隔震支座性能及其應(yīng)用研究_付杰

1、 第 30 卷第 4 期2013 年 12 月土 木 工 程 與 管 理 學 報Journal of Civil Engineering and Management Vol 30 No 4 Dec 2013SBS 改性瀝青隔震支座性能及其應(yīng)用研究 付 杰1 ， 熊世樹1 ， 楊華榮2( 1 華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢430074;2 中信建筑設(shè)計研究總院，湖北 武漢 430014) 摘 要: 提出利用 SBS 改性瀝青隔震支座作為村鎮(zhèn)民居建筑的隔震裝置。通過實驗研究了SBS 改性瀝青隔震支座的豎向性能和水平性能，結(jié)果表明該隔震支座具備一定的豎向承載能力且水平滯回曲線飽滿，與

2、鉛心橡膠隔震支座類似。根據(jù)實驗獲得的性能參數(shù)，選擇合理的數(shù)值模型，采用有限元軟件分析了裝有 SBS 隔震支座的一棟三層民居建筑的隔震效果。結(jié)果表明雖然在多遇地震條件下 SBS 改性瀝青隔震支座對村鎮(zhèn)民居建筑的隔震效果并不明顯，但在罕遇地震作用下的隔震功效顯著。說明 SBS 改性瀝青隔震支座是一種造價低廉，施工方便，在村鎮(zhèn)民居建筑中有應(yīng)用潛力的隔震裝置。 關(guān)鍵詞: 基礎(chǔ)隔震; SBS 改性瀝青; 隔震支座; 有限元分析中圖分類號: TU311 3 文獻標識碼: A文章編號: 2095-0985( 2013) 04-0044-05Properties and Applications esearc

3、h of SBS Modified Asphalt Isolator FU Jie1 ，XIONG Shi-shu1 ，YANG Hua-rong2 ( 1 School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074，China; 2 CITIC General Institute of Architectural Design and esearch Co Ltd，Wuhan 430014，China) Abstract: SBS modified

4、asphalt isolator is presented，which is utilized as the isolation device of cottage The outcomes of the experiment which researched the vertical property and the horizontal property of the SBS modified asphalt isolator demonstrated that the isolator has a certain vertical bearing capacity and the ver

5、tical hysteretic looTP are plump that is similar to lead rubber isolator The performance parameters， which were acquired in the experiments， were put into finite element software with reasonable numerical models，which analyzed the seismic response of a three-floor cottage with SBS modified asphalt i

6、solator The results showed that although the isolation of SBS modified asphalt isolator does not work well on cottages under frequently occurred earthquake condition，it has a good isolation effect under rarely occurred earthquake Consequently，SBS modified asphalt isolator is a low-cost，convenient se

7、ismic isolation device and can be applied for cottages Key words: base isolation; SBS modified asphalt; isolator; finite element隔震技術(shù)是一種經(jīng)濟有效的結(jié)構(gòu)抗震措施1，其概念最早由日本學者河合浩藏于 1881 年提出。20 世紀 60 年代以后隔震技術(shù)在日本、美國和新西蘭等多個國家被廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也取得了豐碩的成果2。實踐表明，基礎(chǔ)隔震具備幾個方面的優(yōu)勢: 效果明顯、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、可降低建筑成本、修復方便。然而，以橡膠隔震支座為代表的隔震裝置由于價格等因素制約，較

8、難在普通村鎮(zhèn)民居建筑中推廣使用。基于這一考慮，本文提出在村鎮(zhèn)民居建筑底層設(shè)置 SBS 改性瀝青隔震支座( 層) ，以期能成為一種價格低廉、施工方便，有一定應(yīng)用價值的新型隔震裝置。 曹萬林3等學者已經(jīng)進行過村鎮(zhèn)民宅的隔震研究，其隔震層由“石墨-玻璃絲布板-石墨”復合而成; 尚守平4等針對村鎮(zhèn)民宅也提出了“鋼筋-瀝青”復合隔震層的思路，其豎向力主要由鋼收稿日期: 2013-06-13 修回日期: 2013-09-13 作者簡介: 付 杰( 1980-) ，男，湖北武，博士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)減震( Email: fujiegege qq com) 45第 4 期付 杰等: SBS 改性瀝青隔震支

9、座性能及其應(yīng)用研究筋承擔。而 SBS 改性瀝青現(xiàn)在主要被應(yīng)用于防水和路面材料中5，6，尚未出現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隔震方面的研究，其本身具有一定的豎向承載能力，不需要另外設(shè)置鋼筋。本文通過實驗測定了 SBS 改性瀝青隔震支座的相關(guān)力學性能，并利用實驗結(jié)果對一棟實際村鎮(zhèn)民居建筑進行隔震設(shè)計和隔震效果分析，研究 SBS 改性瀝青隔震支座的隔震效果。 形為50 mm) ，同時按樁基保留一倍的安全儲備考慮，本文認為 SBS 隔震支座的豎向設(shè)計壓應(yīng)力為2 MPa。 參照橡膠支座的豎向剛度測試方法7，以設(shè)計壓應(yīng)力( 0 = 2 MPa) 為中心在 30% 之間循環(huán)加載 5 次，取第三次循環(huán)的讀數(shù)按公式( 1 ) 計

10、算豎向剛度。 P1 P2( 1)KV = 12式中，KV 為支座的豎向剛度; P1 為 1 3 倍設(shè)計壓應(yīng)力對應(yīng)的豎向荷載; P2 為 0 7 倍設(shè)計壓應(yīng)力對1 試驗研究對象應(yīng)的豎向荷載; 1 為豎向荷載等于P1 時的豎向SBS 改性瀝青是在瀝青中加入一定比例的SBS( 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物) 改性劑，利用其良好的物理性能對瀝青做改性處理。本文 采用某 SBS 改性瀝青防水卷材，其胎基為聚酯氈，表面為聚乙烯膜。用 SBS 改性瀝青防水卷材制作成五種規(guī)格的隔震支座，隔震支座的具體規(guī) 格如表 1。 表 1 隔震支座尺寸 位移; 2 為豎向荷載等于 P2 時的豎向位移。 每種型號的隔震支

11、座各取三個樣本，分別編號 1# 3#，豎向剛度的測試結(jié)果見表 2。普通民宅高寬比較震支座不會出現(xiàn)受拉情況，故不考慮 SBS 隔震支座的豎向受拉性能。 表 2 隔震支座豎向剛度和 100% 水平剪切性能 豎向剛度 等效剛度 等效 屈服后剛度屈服力樣本編號 ( kN/ mm) ( kN/ mm) 阻尼比 ( kN/ mm) ( kN) 編號 外形尺寸( mm mm) 卷材層數(shù) 總厚度( mm) S240-3-1# S240-3-2# S240-3-3# S240-5-1# S240-5-2# S240-5-3# S240-7-1# S240-7-2# S240-7-3# S300-5-1# S30

12、0-5-2# S300-5-3# S370-5-1# S370-5-2# 447 2363 8438 9224 8263 3228 5153 6128 6216 0291 9327 3297 9365 1469 41 1771 1571 1700 7960 8070 7350 5320 4410 4410 9130 9340 9131 4051 3710 3350 3340 3100 3570 3570 3630 3730 3980 3830 3650 3640 3650 3560 3600 8390 8640 8690 4640 4690 4290 3190 2850 2730 5770 5

13、790 5800 9190 8836 188 6 187 6 143 9 167 9 148 8 565 8 092 7 367 7 023 10 92710 85910 96816 06715 773S240 3 S240 5 S240 7 S300 5S370 5240 240240 240240 240300 300370 3703573710202520252 隔震支座的性能試驗2 1 豎向性能 選用編號為 S240-5 的隔震支座進行豎向加載，其力-位移曲線如圖 1 所示。 S370-5-3# 472 71 3170 3530 86415 1652 2 水平性能 在壓剪試驗機上測試隔

14、震支座 100% 水平剪切性能，滯回曲線如圖 2。 圖 1 試件豎向受壓時力-位移關(guān)系曲線當荷載達到 172 8kN( 3MPa) 時隔震支座無異常變化，并且當豎向荷載小于 460 8 kN ( 8 MPa) 時隔震支座依然處于彈性變化階段，大于該荷載時力-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。因此，可以認為8 MPa 為該支座的極限壓應(yīng)力。考慮到隔震支座在地震作用下發(fā)生的變形將使其有效承壓面積減小 20% ( 若隔震支座厚度為 20 mm，極限剪切變圖 2 S240-5-1#隔震支座 100% 水平剪切滯回曲線 46土 木工 程與管 理學 報2013 年考慮到實際應(yīng)用中，隔震支座的最大水平滑移量為 50 mm

15、，因此進一步測試其 250% 的水平剪切性能，滯回曲線如圖 3。從圖可見，SBS 改性瀝青隔震支座的滯回曲線與鉛芯橡膠隔震支座的類似，水平性能參數(shù)見表 2、表3。 圖 4 S240-3-1#隔震支座疲勞試驗滯回曲線3隔震效果的數(shù)值分析 隔震分析對象為某三層村鎮(zhèn)住宅，抗震設(shè)防烈度為 7 度，類場地; 該建筑為砌體結(jié)構(gòu)，采用 MU10 磚和 M7 5 砂漿砌筑，構(gòu)造柱及圈梁采用 C20 混凝土。隔震分析采用 ETABS 軟件，住宅的結(jié)構(gòu)模型如圖 5。隔震支座布置方式如圖 6。隔震支座選用 Link1 單元中的 isolator1 進行模擬， 圖 3 S240-7-2#隔震支座 250% 水平剪切滯

16、回曲線表 3 隔震支座 250% 水平剪切性能等效剛度等效屈服后剛度 屈服力樣本編號 ( kN/ mm) 阻尼比( kN/ mm) ( kN) 參數(shù)取上文試驗結(jié)果的平均值。按GB 50011-240-3-1#240-3-2#240-3-3#240-5-1#240-5-2#240-5-3#240-7-1#240-7-2#240-7-3#300-5-1#300-5-2#300-5-3#370-5-1#370-5-2#1 1030 8920 8560 3600 4550 3390 3060 2930 2940 5840 5980 5860 8880 8610 3280 3820 3610 3930

17、3850 3800 4280 3990 3970 3870 3800 3870 3650 3730 7860 5510 4990 1820 2260 1700 1290 1370 1360 2940 2990 2970 4480 4435 627 10 9259 875 11 33413 77613 25213 63111 89411 80418 12218 14318 07625 96325 6262010建筑抗震設(shè)計規(guī)范要求選取三條地震波( El-Centro 波、TA-TAZANA-00-w 波和人工波)進行驗算。 370-5-3#0 8340 3750 43325 130對比橡膠隔震支

18、座，SBS 改性瀝青隔震支座層間約束更小，水平性能試驗過程中試件發(fā)生履帶式的整體滾動，這種變形形式使支座有效承壓面積減小得不多，比純剪切變形更利于支座的承載力和穩(wěn)定性。另外，多次循環(huán)加載結(jié)束后，由于隔震支座溫度升高，支座出現(xiàn)部分軟化，SBS 卷材中間的瀝青有部分被擠出現(xiàn)象，卷材配方和結(jié)構(gòu)形式需要進行一定的改進。 圖 4 為 50 次循環(huán)加載試驗的滯回曲線，其形狀穩(wěn)定，說明支座在加載過程中發(fā)生的上述變化對其耗能性能基本無影響。 綜上所述，SBS 改性瀝青隔震支座豎向極限承載力為 2 MPa，水平滯回曲線飽滿，耗能能力強，其性能與鉛芯橡膠隔震支座類似，在進行數(shù)值分析時可以選取橡膠隔震支座對應(yīng)的單元

19、模型。 圖 5 結(jié)構(gòu)模型圖 6 隔震支座布置首先，對比隔震前后的結(jié)構(gòu)自振周期，見表4 。結(jié)構(gòu)的前三階自振周期都有顯著延長，這初步表明了該隔震支座的效果。 47第 4 期付 杰等: SBS 改性瀝青隔震支座性能及其應(yīng)用研究最后，進行罕遇地震( 峰值加速度 2 2 m / s2 )作用下的反應(yīng)分析。層間剪力見表 6，剪力比最大值為 0 84，最小值為 0 38。相對多遇地震而言，罕遇地震作用下的減震效果有明顯提高。 另外，罕遇地震作用下位移響應(yīng)見表 7，層間位移角最大值為 0 26，小于使用階段層間位移角的極限值 1，說明罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)依然處于彈性變形階段。同時，隔震支座的最大變形值為 33

20、mm，考慮偶然偏心扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響，邊支座位移增大 15% 后為 38 mm，小于隔震支座的允許位移 50 mm。表 4 隔震前后結(jié)構(gòu)的自振周期s振型非隔震隔震一階二階三階0 15980 12220 1143橫向振動縱向振動扭轉(zhuǎn)振動0 75420 74120 7237橫向振動縱向振動扭轉(zhuǎn)振動然后，在設(shè)防地震( 峰值加速度 1 0 m / s2 ) 作用下對結(jié)構(gòu)進行時程分析驗算，橫向和縱向的層間剪力值見表 5。減震系數(shù)最小值為 0 35，最大值為 0 98，說明該隔震支座在設(shè)防烈度地震作用下效果并不明顯，上部結(jié)構(gòu)仍然需要按當?shù)氐脑O(shè)防烈度進行設(shè)計。 表 5 多遇地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力 El

21、centro 波 TA-TAZANA-00-w 波 人工波平均減震系數(shù)地震方向樓層隔震前( kN) 隔震后( kN) 隔震前( kN) 隔震后( kN) 隔震前( kN) 隔震后( kN) 剪力比剪力比剪力比321258 1478 2635 5 116 9422 8423 50 450 880 67278 0500 3682 5 164 0456 9481 10 590 910 70276 0515 9675 9 137 9454 9490 70 500 880 730 510 890 70橫向321315 5385 1749 257 8379 1260 90 820 980 35236 54

22、54 7630 5 211 7431 8328 80 900 950 52300 3450 9511 0283 1421 8340 30 940 940 670 890 960 51縱向表 6罕遇地震作用下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)橫向?qū)娱g剪力 Elcentro 波 TA-TAZANA-00-w 波 人工波平均減震系數(shù)地震方向樓層隔震前( kN) 隔震后( kN) 隔震前( kN) 隔震后( kN) 隔震前( kN) 隔震后( kN) 剪力比剪力比剪力比321563 8 1044 51388 1266 1798 8931 70 470 760 67611 6 1100 71501 4230 9700 3

23、792 40 380 640 53607 1 1134 61486 5262 2815 7918 10 430 720 620 430 710 61橫向321689 2 1275 81636 1447 8726 2672 90 650 570 41520 2 1000 41387 1409 5632 9526 20 790 630 38488 0 879 5 1123 9395 3740 9669 50 810 840 600 750 680 46縱向在豎向承載力方面，分析結(jié)果顯示隔震支座豎向壓應(yīng)力最大、最小值分別為 1 97 MPa 和0 69 MPa，平均值為 1 33 MPa，滿足隔震支

24、座設(shè)計承載力( 2 MPa) 。同時，結(jié)構(gòu)水平方向風荷載的標準值為 112 kN，小于隔震層屈服力 431 kN; 彈性恢復力為 684 kN，大于 1 4 倍的風荷載標準值 157 kN，說明隔震層的抗風性能以及彈性恢復力均滿足要求。 4結(jié)語本文提出的 SBS 改性瀝青隔震支座具備一定的豎向承載能力，且水平滯回曲線飽滿。通過數(shù)值分析得知雖然在多遇地震作用下其隔震效果并不十分理想，但能顯著提高結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，結(jié)合其低廉的造價與方便的施工，該技術(shù)值得推廣應(yīng)用。 當然，SBS 改性瀝青隔震支座在長期受壓情 況下的耐久性還需要得到進一步的研究，隔震支 座的實際效果也要通過振動臺實驗給

25、予充分的說 明， 針對隔震的特殊需求優(yōu)化 SBS 改性瀝青的性能( 如提高豎向極限承載力) 也值得深入探討。本課題組正在進行相關(guān)的研究，將另行撰文說明 情況。 表 7 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的位移 層位移mm地震方向 層號層間位移EL 波TA 波人工波3 層2 層1 層24 223 622 716 315 815 021 520 920 0/ 0 570 87橫向3 層2 層1 層21 020 519 914 013 613 121 020 520 0/ 0 470 53縱向 48土 木 工 程 與管 理 學 報2013 年震層的性能J 鐵道科學與工程學報，2009，6 ( 3) : 13-16

26、Xiang L，Tu J，Cheng J，et al Outdoor aging of road asphalt and sbs modified asphalt J Frontiers of Chemical Science and Engineering，2011，5 ( 1 ) : 35- 42 Kang H W，Tan X Z，Ji X P Aging equation of sbs modified asphalt and its applicationJ Journal of Wuhan University of Technology，2011，33( 5) : 95-99 JG

27、 118-2000，建筑隔震橡膠支座S 參 考 文 獻 5o育，杜永峰，畢長松 隔震建筑的經(jīng)濟性分析J 工程抗震與加固改造，2006，28( 4) : 37-40 周錫元 中國建筑結(jié)構(gòu)抗震研究和實踐六十年12建筑結(jié)構(gòu)，2009，39( 9) : 1-14 J63曹萬林，周中一，王 卿，等 農(nóng)村房屋新型隔震與抗震砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究J 振動與沖擊， 2011，30( 11) : 209-213 尚守平，周志錦，劉 可，等 一種鋼筋-瀝青復合隔74檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ( 上接第 43 頁)( 3) 相對于加固襯砌的混凝土等級，加固土體例如錨固和注漿等方案對于隧道抗震的效果更為明顯。加固土體后，襯砌管片的最大應(yīng)力減少了約 29% ，最大應(yīng)變減少 30 82% ，但同時會使襯砌的最大位移變大約 2 93 倍。 ( 4) 改變襯砌管片的厚度時，保持其混