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1、 第 30 卷第 4 期2013 年 12 月土 木 工 程 与 管 理 学 报Journal of Civil Engineering and Management Vol 30 No 4 Dec 2013SBS 改性沥青隔震支座性能及其应用研究 付 杰1 ， 熊世树1 ， 杨华荣2( 1 华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉430074;2 中信建筑设计研究总院，湖北 武汉 430014) 摘 要: 提出利用 SBS 改性沥青隔震支座作为村镇民居建筑的隔震装置。通过实验研究了SBS 改性沥青隔震支座的竖向性能和水平性能，结果表明该隔震支座具备一定的竖向承载能力且水平滞回曲线饱满，与

2、铅心橡胶隔震支座类似。根据实验获得的性能参数，选择合理的数值模型，采用有限元软件分析了装有 SBS 隔震支座的一栋三层民居建筑的隔震效果。结果表明虽然在多遇地震条件下 SBS 改性沥青隔震支座对村镇民居建筑的隔震效果并不明显，但在罕遇地震作用下的隔震功效显著。说明 SBS 改性沥青隔震支座是一种造价低廉，施工方便，在村镇民居建筑中有应用潜力的隔震装置。 关键词: 基础隔震; SBS 改性沥青; 隔震支座; 有限元分析中图分类号: TU311 3 文献标识码: A文章编号: 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隔震技术是一种经济有效的结构抗震措施1，其概念最早由日本学者河合浩藏于 1881 年提出。20 世纪 60 年代以后隔震技术在日本、美国和新西兰等多个国家被广泛应用，国内也取得了丰硕的成果2。实践表明，基础隔震具备几个方面的优势: 效果明显、上部结构设计灵活、可降低建筑成本、修复方便。然而，以橡胶隔震支座为代表的隔震装置由于价格等因素制约，较

8、难在普通村镇民居建筑中推广使用。基于这一考虑，本文提出在村镇民居建筑底层设置 SBS 改性沥青隔震支座( 层) ，以期能成为一种价格低廉、施工方便，有一定应用价值的新型隔震装置。 曹万林3等学者已经进行过村镇民宅的隔震研究，其隔震层由“石墨-玻璃丝布板-石墨”复合而成; 尚守平4等针对村镇民宅也提出了“钢筋-沥青”复合隔震层的思路，其竖向力主要由钢收稿日期: 2013-06-13 修回日期: 2013-09-13 作者简介: 付 杰( 1980-) ，男，湖北武，博士研究生，研究方向为结构减震( Email: fujiegege qq com) 45第 4 期付 杰等: SBS 改性沥青隔震支

9、座性能及其应用研究筋承担。而 SBS 改性沥青现在主要被应用于防水和路面材料中5，6，尚未出现系统的结构隔震方面的研究，其本身具有一定的竖向承载能力，不需要另外设置钢筋。本文通过实验测定了 SBS 改性沥青隔震支座的相关力学性能，并利用实验结果对一栋实际村镇民居建筑进行隔震设计和隔震效果分析，研究 SBS 改性沥青隔震支座的隔震效果。 形为50 mm) ，同时按桩基保留一倍的安全储备考虑，本文认为 SBS 隔震支座的竖向设计压应力为2 MPa。 参照橡胶支座的竖向刚度测试方法7，以设计压应力( 0 = 2 MPa) 为中心在 30% 之间循环加载 5 次，取第三次循环的读数按公式( 1 ) 计

10、算竖向刚度。 P1 P2( 1)KV = 12式中，KV 为支座的竖向刚度; P1 为 1 3 倍设计压应力对应的竖向荷载; P2 为 0 7 倍设计压应力对1 试验研究对象应的竖向荷载; 1 为竖向荷载等于P1 时的竖向SBS 改性沥青是在沥青中加入一定比例的SBS( 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物) 改性剂，利用其良好的物理性能对沥青做改性处理。本文 采用某 SBS 改性沥青防水卷材，其胎基为聚酯毡，表面为聚乙烯膜。用 SBS 改性沥青防水卷材制作成五种规格的隔震支座，隔震支座的具体规 格如表 1。 表 1 隔震支座尺寸 位移; 2 为竖向荷载等于 P2 时的竖向位移。 每种型号的隔震支

11、座各取三个样本，分别编号 1# 3#，竖向刚度的测试结果见表 2。普通民宅高宽比较震支座不会出现受拉情况，故不考虑 SBS 隔震支座的竖向受拉性能。 表 2 隔震支座竖向刚度和 100% 水平剪切性能 竖向刚度 等效刚度 等效 屈服后刚度屈服力样本编号 ( kN/ mm) ( kN/ mm) 阻尼比 ( kN/ mm) ( kN) 编号 外形尺寸( mm mm) 卷材层数 总厚度( 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 隔震支座的性能试验2 1 竖向性能 选用编号为 S240-5 的隔震支座进行竖向加载，其力-位移曲线如图 1 所示。 S370-5-3# 472 71 3170 3530 86415 1652 2 水平性能 在压剪试验机上测试隔

14、震支座 100% 水平剪切性能，滞回曲线如图 2。 图 1 试件竖向受压时力-位移关系曲线当荷载达到 172 8kN( 3MPa) 时隔震支座无异常变化，并且当竖向荷载小于 460 8 kN ( 8 MPa) 时隔震支座依然处于弹性变化阶段，大于该荷载时力-位移曲线出现转折点。因此，可以认为8 MPa 为该支座的极限压应力。考虑到隔震支座在地震作用下发生的变形将使其有效承压面积减小 20% ( 若隔震支座厚度为 20 mm，极限剪切变图 2 S240-5-1#隔震支座 100% 水平剪切滞回曲线 46土 木工 程与管 理学 报2013 年考虑到实际应用中，隔震支座的最大水平滑移量为 50 mm

15、，因此进一步测试其 250% 的水平剪切性能，滞回曲线如图 3。从图可见，SBS 改性沥青隔震支座的滞回曲线与铅芯橡胶隔震支座的类似，水平性能参数见表 2、表3。 图 4 S240-3-1#隔震支座疲劳试验滞回曲线3隔震效果的数值分析 隔震分析对象为某三层村镇住宅，抗震设防烈度为 7 度，类场地; 该建筑为砌体结构，采用 MU10 砖和 M7 5 砂浆砌筑，构造柱及圈梁采用 C20 混凝土。隔震分析采用 ETABS 软件，住宅的结构模型如图 5。隔震支座布置方式如图 6。隔震支座选用 Link1 单元中的 isolator1 进行模拟， 图 3 S240-7-2#隔震支座 250% 水平剪切滞

16、回曲线表 3 隔震支座 250% 水平剪切性能等效刚度等效屈服后刚度 屈服力样本编号 ( kN/ mm) 阻尼比( kN/ mm) ( kN) 参数取上文试验结果的平均值。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建筑抗震设计规范要求选取三条地震波( El-Centro 波、TA-TAZANA-00-w 波和人工波)进行验算。 370-5-3#0 8340 3750 43325 130对比橡胶隔震支

18、座，SBS 改性沥青隔震支座层间约束更小，水平性能试验过程中试件发生履带式的整体滚动，这种变形形式使支座有效承压面积减小得不多，比纯剪切变形更利于支座的承载力和稳定性。另外，多次循环加载结束后，由于隔震支座温度升高，支座出现部分软化，SBS 卷材中间的沥青有部分被挤出现象，卷材配方和结构形式需要进行一定的改进。 图 4 为 50 次循环加载试验的滞回曲线，其形状稳定，说明支座在加载过程中发生的上述变化对其耗能性能基本无影响。 综上所述，SBS 改性沥青隔震支座竖向极限承载力为 2 MPa，水平滞回曲线饱满，耗能能力强，其性能与铅芯橡胶隔震支座类似，在进行数值分析时可以选取橡胶隔震支座对应的单元

19、模型。 图 5 结构模型图 6 隔震支座布置首先，对比隔震前后的结构自振周期，见表4 。结构的前三阶自振周期都有显著延长，这初步表明了该隔震支座的效果。 47第 4 期付 杰等: SBS 改性沥青隔震支座性能及其应用研究最后，进行罕遇地震( 峰值加速度 2 2 m / s2 )作用下的反应分析。层间剪力见表 6，剪力比最大值为 0 84，最小值为 0 38。相对多遇地震而言，罕遇地震作用下的减震效果有明显提高。 另外，罕遇地震作用下位移响应见表 7，层间位移角最大值为 0 26，小于使用阶段层间位移角的极限值 1，说明罕遇地震作用下结构依然处于弹性变形阶段。同时，隔震支座的最大变形值为 33

20、mm，考虑偶然偏心扭转效应影响，边支座位移增大 15% 后为 38 mm，小于隔震支座的允许位移 50 mm。表 4 隔震前后结构的自振周期s振型非隔震隔震一阶二阶三阶0 15980 12220 1143横向振动纵向振动扭转振动0 75420 74120 7237横向振动纵向振动扭转振动然后，在设防地震( 峰值加速度 1 0 m / s2 ) 作用下对结构进行时程分析验算，横向和纵向的层间剪力值见表 5。减震系数最小值为 0 35，最大值为 0 98，说明该隔震支座在设防烈度地震作用下效果并不明显，上部结构仍然需要按当地的设防烈度进行设计。 表 5 多遇地震作用下隔震与非隔震结构层间剪力 El

21、centro 波 TA-TAZANA-00-w 波 人工波平均减震系数地震方向楼层隔震前( 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横向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纵向表 6罕遇地震作用下隔震与非隔震结构横向层间剪力 Elcentro 波 TA-TAZANA-00-w 波 人工波平均减震系数地震方向楼层隔震前( 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横向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纵向在竖向承载力方面，分析结果显示隔震支座竖向压应力最大、最小值分别为 1 97 MPa 和0 69 MPa，平均值为 1 33 MPa，满足隔震支

24、座设计承载力( 2 MPa) 。同时，结构水平方向风荷载的标准值为 112 kN，小于隔震层屈服力 431 kN; 弹性恢复力为 684 kN，大于 1 4 倍的风荷载标准值 157 kN，说明隔震层的抗风性能以及弹性恢复力均满足要求。 4结语本文提出的 SBS 改性沥青隔震支座具备一定的竖向承载能力，且水平滞回曲线饱满。通过数值分析得知虽然在多遇地震作用下其隔震效果并不十分理想，但能显著提高结构在罕遇地震作用下的抗震性能，结合其低廉的造价与方便的施工，该技术值得推广应用。 当然，SBS 改性沥青隔震支座在长期受压情 况下的耐久性还需要得到进一步的研究，隔震支 座的实际效果也要通过振动台实验给

25、予充分的说 明， 针对隔震的特殊需求优化 SBS 改性沥青的性能( 如提高竖向极限承载力) 也值得深入探讨。本课题组正在进行相关的研究，将另行撰文说明 情况。 表 7 罕遇地震作用下结构的位移 层位移mm地震方向 层号层间位移EL 波TA 波人工波3 层2 层1 层24 223 622 716 315 815 021 520 920 0/ 0 570 87横向3 层2 层1 层21 020 519 914 013 613 121 020 520 0/ 0 470 53纵向 48土 木 工 程 与管 理 学 报2013 年震层的性能J 铁道科学与工程学报，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，建筑隔震橡胶支座S 参 考 文 献 5o育，杜永峰，毕长松 隔震建筑的经济性分析J 工程抗震与加固改造，2006，28( 4) : 37-40 周锡元 中国建筑结构抗震研究和实践六十年12建筑结构，2009，39( 9) : 1-14 J63曹万林，周中一，王 卿，等 农村房屋新型隔震与抗震砌体结构振动台试验研究J 振动与冲击， 2011，30( 11) : 209-213 尚守平，周志锦，刘 可，等 一种钢筋-沥青复合隔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 页)( 3) 相对于加固衬砌的混凝土等级，加固土体例如锚固和注浆等方案对于隧道抗震的效果更为明显。加固土体后，衬砌管片的最大应力减少了约 29% ，最大应变减少 30 82% ，但同时会使衬砌的最大位移变大约 2 93 倍。 ( 4) 改变衬砌管片的厚度时，保持其混