利用轮胎衍生集料（Tire Derived Aggregate, TDA）Type B对浅基础进行地震隔震研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic isolation of shallow footings using tire derived aggregate

　　

该项研究旨在推进利用由大粒径粉碎废弃轮胎形成的轻质再生回填材料（称为Type B轮胎衍生集料（Tire Derived Aggregate, TDA））在地质技术地震隔震（Geotechnical Seismic Isolation, GSI）中的应用。研究人员利用振动台对不同厚度Type B TDA层嵌入浅基础上的单自由度（Single-Degree-of-Freedom, SDOF）上部结构在广泛基面激励下进行动力测试。结果表明弯矩-摇摆响应的非线性及TDA的滞回阻尼证实其作为低模量地震隔震层的有效性。TDA表现出优异的重新对中（re-centering）行为，在所研究条件下优于基于土体的抗震保护系统。虽然TDA厚度对弯矩-摇摆响应直接影响较小，但试件质量强烈影响稳定性与滞回特性。残余沉降保持微小且独立于层厚，仅当输入运动的主周期与摇摆体系自振周期匹配时发生较大沉降。虽然摇摆比剪切耗散更多能量，但在较厚TDA层上较重加载的基础观察到更大剪切位移。所有情况下残余剪切位移可忽略不计。系统识别分析揭示TDA导致周期较固定基条件延长2.15倍。尽管TDA如预期放大地面运动，但由于多模态影响层厚产生复杂效应，且即使试件承受高幅值地面运动，TDA一阶剪切机制基本保持恒定。

该研究发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》。传统地震隔震系统如铅芯橡胶支座、摩擦摆支座及弹性垫通常安装于基础与上部结构之间，虽有效但设计与施工精密且对中低层结构成本高昂，促使研究者关注地质技术地震隔震（Geotechnical Seismic Isolation, GSI）这一基于地基改良的替代方案。GSI利用土-结构相互作用（Soil-Structure Interaction, SSI）机制在地震能量传至上部结构前进行隔离或耗散，其中轮胎衍生集料（Tire Derived Aggregate, TDA）因低重度、高变形性及动力荷载下耗能能力受关注。ASTM D6270规定TDA分Type A（粒径75至100 mm）与Type B（粒径150至300 mm），Type B处理成本低且允许单层厚度达3 m，但其大粒径力学性能影响尚待探索。本研究通过足尺试验评估Type B TDA单体层在浅基础下作为低模量隔震材料的动力响应，填补大尺寸试验空白，对轻型基础设施如公用支撑系统、护栏、标志牌的可持续抗震设计具意义。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用足尺试验配置，考虑三种Type B TDA初始厚度与不同重度试件，上部结构为不同质量的单自由度（Single-Degree-of-Freedom, SDOF）系统以达不同临界接触面积比A/A_c，基础为0.45 m厚混凝土条形基础全嵌入TDA层；在层状剪切箱内进行振动台试验，施加白噪声、扫频正弦及地震动序列；通过弹簧电位计、加速度计、倾角仪、压力盒等仪器监测基础竖向水平位移、摇摆、加速度及TDA应力；利用Zeghal与Elgamal方法由相对水平位移与加速度计算TDA内部剪应力-应变响应；通过系统识别采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）分析白噪声加速度以获取自振频率与周期，评估TDA层厚与上部质量对动力特性影响。

研究结果如下。

4.1. TDA剪切应力-应变

研究人员通过分析层状箱内TDA分层相对位移计算剪应变γ，并基于等效连续体假定用离散化运动方程算剪应力τ，发现Type B TDA应力-应变呈倾斜椭圆形滞回环，具低稳定性与非线性。割线剪切模量随剪应变增大而降低，深层子层在0.53%应变时模量537 kPa，增至1.87%应变时降58%；浅层子层0.55%应变时90 kPa，4.67%应变时降76%。滞回阻尼比在剪应变1.6%至4.67%间为4%至31.1%，随应变增大而增但无明显竖向法向应力趋势，证实TDA为低模量高阻尼材料适合GSI。

4.2. 弯矩-摇摆响应

研究人员由集总质量与基础质量的惯性矩及P–Δ效应算总弯矩，由角部电位计测差动位移算摇摆θ。轻载试件DT01（A/A_c=24）响应较重载DT02（15）与DT03（13）更线性稳定；后者在北岭与马乌地震动下在50%至70%估算弯矩容量时出现显著塑性变形与更大滞回。所有试件瞬态摇摆大但残余摇摆极小，重新对中比率R_d=1?θ_res/θ_max均大于0.90，A/A_c=13时仍优於常规土体，表明Type B TDA具卓越重新对中能力。

4.3. 沉降-摇摆响应

研究人员由四角竖向位移获沉降，累积摇摆Δθ_cum取超过0.001 rad峰值和，沉降系数C_sett=(ΔS/B)/Δθ_cum。响应呈扫频下蝴蝶形与地震下V形，瞬态沉降达0.012B、上抬0.019B，残余沉降最大0.006B且独立于TDA层厚。重载DT02与DT03的C_sett大于轻载DT01，A/A_c越小沉降越大；扫频动C_sett高于地震动，马乌地震最低。当摇摆自振周期接近输入主周期时残余沉降增大。相比常规土体，Type B TDA作持力层残馀沉降更小。

4.4. 剪切-基础位移响应

研究人员由质量惯性侧向力算总剪力并归一化于体系重量，由对角电位计余弦定理获基础水平位移。滞回环不规则显软化与强度退化，瞬态位移不超50 mm（0.1B），残余不超5 mm（0.01B）。重载基础于厚TDA层位移更大，耗能以摇摆为主而非剪切，虽剪 l?c超系统容量V_c-foot但震后仅微残变形，Type B TDA提供有利剪切-位移响应。

4.5. 系统识别

研究人员对初终白噪声水平加速度做快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）。Phase 1显示增加SDOF质量降摇摆自振频率，TDA厚无显著影响；加TDA层使平均周期较固定基延长2.15倍，TDA剪切机制主频随层厚增而减。TDA自振频率处放大随厚增而减，可能因低剪切刚度促高阶模态参与降一阶贡献。Phase 2显示大振幅运动后TDA一阶剪切周期基本恒定，无明顯刚化或软化；摇摆机制DT01周期降3%（轻微刚化），DT02与DT03增6%（软化），归因于颗粒水平排列与重型上部结构惯性力扰动边缘排列的交互作用。

总结讨论部分，研究人员指出Type B TDA单体层在地震下一维剪应力-应变呈非线性应变软化与显著耗能，割线剪切模量随剪应变减而降且随竖向有效应力增而增，阻尼比4%至31.1%无明确竖向应力趋势。TDA层厚不直接影响弯矩-摇摆响应，轻上部结构响应稳定线性，重结构显不稳定与大滞回。重新对中比率R_d大于0.90甚至A/A_c达13时亦然。残馀沉降微小且独立于层厚，与累积摇摆强相关，较土体隔震系统残馀沉降小；输入主周期近摇摆自振周期时沉降增大。剪切-基础位移显非线性软化，瞬态不超0.1B、残馀不超0.01B，剪力超容量未倒塌。系统识别中TDA剪切一阶周期稳定，摇摆机制轻重试件分别显刚化与软化，源于颗粒重排与非线性行为。研究验证Type B TDA作为GSI材料潜力，需进一步数值模拟与更低A/A_c试验扩展结论至重型结构。