土工格室加固砂床的液化响应

《Soil & Environmental Health》：Liquefaction response of geocell-reinforced sand beds

地震中石墨润滑钢/铁-砂浆自由站立结构（FSS）的残余滑动位移抑制及响应估计研究。通过振动台实验和数值模拟，验证了采用合成橡胶恢复弹簧的设计方案能有效减少残余滑动位移，同时保持超结构的地震响应在可接受范围内。实验表明，恢复弹簧刚度与摩擦系数的合理设计可使残余位移控制在5mm以内，地震响应估计误差不超过35%。橡胶材料的硬度与弹性模量通过简单硬度计测定，精度达50%-70%。摩擦系数模型结合速度依赖特性，可准确预测最大剪力系数。研究为低成本抗震结构设计提供了实验和理论依据。

　　本研究聚焦于自由站立结构（FSS）在地震作用下的性能表现，特别是通过引入恢复功能来减少地震后结构滑动的残余位移。FSS采用石墨润滑的钢/铁与砂浆/混凝土接触界面，具有约0.2的摩擦系数，从而在强震时通过滑动实现地震减灾。然而，这种结构在地震后会产生一定的残余滑动位移，可能影响其功能性和恢复成本。因此，本研究提出了一种通过恢复弹簧（即“缓冲橡胶”）来抑制残余滑动位移的设计方案，并通过实验和数值模拟验证了该设计的有效性。

在设计恢复弹簧时，研究人员选择了两种合成橡胶材料：丁腈橡胶（NBR）和乙烯-丙烯橡胶（EPDM），这些材料在日本市场上广泛可用，且成本较低。为了便于设计，研究人员利用橡胶的邵氏硬度（durometer hardness）作为估算其杨氏模量的依据。实验表明，邵氏硬度可以较好地反映橡胶的刚度特性，实际测量值与估算值的误差在50%以内，这为实际应用提供了便利。缓冲橡胶的设计需考虑其刚度与结构响应之间的平衡，使其既能有效抑制残余滑动位移，又不会显著增加上部结构的地震响应。

实验部分采用了振动台进行测试，模拟了不同地震动强度下的结构响应。实验中，FSS的上部结构与滑动部分的质量比设定为9/8，这有助于更好地反映实际建筑结构的特征。通过对比实验数据与理论估算，研究人员发现，当使用缓冲橡胶时，结构的残余滑动位移显著减少，达到甚至超过90%的抑制效果。同时，最大滑动位移和剪切系数的实验结果与估算值基本吻合，误差控制在合理范围内。这些结果表明，恢复弹簧的设计能够有效提升FSS的抗震性能，尤其是在较大的地震动条件下。

此外，本研究还探讨了缓冲橡胶对上部结构地震响应的影响。尽管缓冲橡胶的引入可能会增加结构的阻尼效应，但其对结构整体响应的增加幅度较小，不会显著影响结构的抗震性能。这表明，缓冲橡胶在提升抗震性能的同时，对结构的正常使用影响有限，具有良好的工程应用前景。研究人员还通过数值模拟验证了恢复弹簧设计在不同质量比（如1/3和1/7）和地震动条件下的有效性，进一步支持了该设计的广泛适用性。

在实验过程中，研究人员还分析了石墨润滑的滑动界面特性。结果显示，该界面在滑动状态下表现出良好的稳定性，摩擦系数在地震作用下不会出现明显的波动。同时，实验还验证了摩擦力与滑动速度之间的关系，发现摩擦力在滑动过程中具有一定的速度依赖性。通过建立合理的数值模型，研究人员能够模拟不同质量比和地震动条件下的结构响应，从而验证了理论估算的有效性。

总体而言，本研究提出了一种基于缓冲橡胶的恢复弹簧设计方案，该方案能够有效减少FSS在地震后的残余滑动位移，同时不会显著增加结构的地震响应。实验和数值模拟的结果表明，该设计在不同质量比和地震动条件下均表现出良好的性能，为未来推广FSS技术提供了理论依据和实践指导。然而，目前的研究主要针对单层FSS和单轴地震动，未来还需进一步研究多层FSS和多维地震动条件下的性能表现，以全面验证该技术的适用性。此外，还需要对石墨润滑的钢/铁与砂浆/混凝土界面在不同接触压力和土壤类型下的长期使用性能进行评估，以确保其在实际工程中的可靠性。