低成本天然织物增强弹性体隔震器的开发与实验评估（用于地震工程应用）

《Structures》：Development and experimental evaluation of low-cost natural fabric reinforced elastomeric isolators for seismic applications

天然纤维增强弹性隔震器（NFREI）的开发与应用研究。通过实验评估大麻纤维增强隔震器的刚度、阻尼和侧移性能，证明其较未增强橡胶块提升显著，与碳纤维增强隔震器相当但成本更低，为印度等地震活跃区低层建筑提供可持续经济有效的隔震方案。

　　

Ambili P.|Mohan S.C.

印度特伦甘纳邦海得拉巴市BITS皮拉尼校区土木工程系，邮编500078

摘要

对于像印度这样的国家来说，开发具有成本效益和可持续性的地震防护系统至关重要。在这些国家，地震活跃且经济条件有限的地区，低层建筑仍然极易受到地震造成的损害。本研究介绍了一种新型天然织物增强弹性隔震器（NFREI）的开发和实验评估，该隔震器使用天然织物作为传统合成纤维或钢基隔震器的低成本、本地可获得的替代品。通过对各种天然纤维的比较筛选，基于其机械性能、环境效益、可用性和成本效益，选择了大麻纤维织物。NFREI通过简单的压缩成型工艺制造，其组成材料通过机械测试和粘附测试进行了表征。进行了垂直压缩和循环剪切测试，以评估其刚度、阻尼和翻转行为。与未增强的橡胶相比，大麻-NFREI表现出显著提高的垂直刚度，证明了其可靠的承载性能。循环剪切测试表明，在阻尼和侧向稳定性之间存在权衡：较低的宽高比提高了能量耗散，但导致了更早的翻转；而较高的宽高比则在牺牲阻尼能力的情况下改善了滞后稳定性。与碳纤维增强隔震器相比，大麻-NFREI在机械性能上达到了可比的水平，同时提供了显著的成本和可持续性优势。这些结果突显了NFREI作为低层建筑有效且经济可行的地震隔离解决方案的潜力，促进了天然纤维织物在基础隔离中的更广泛应用。

引言

基础隔离是一种广泛采用的地震防护技术，通过在基础层安装柔性隔离装置来将上部结构与地面运动解耦，并将其固有周期延长到更长的范围。常见的隔离系统包括铅橡胶轴承（LRB）[1]和高阻尼橡胶轴承（HDRB）[2]，以及摩擦摆轴承（FPB）[3]等滑动系统。

低层建筑通常具有较短的固有周期，处于地震响应谱的高加速度区域。引入基础隔离后，系统的侧向刚度显著降低，而结构质量保持不变，导致刚度与质量比显著减小，基本周期明显延长。这种周期的变化使结构响应远离峰值谱加速度范围，从而在不需要增加结构承载能力的情况下大幅减少地震力需求，从而提高了地震期间的安全性和性能[4]。此外，传递到结构的大部分地震能量通过隔离系统本身被耗散[5]。

由于低层建筑在隔离作用下刚度和固有周期的变化最为明显，因此它们比更高、本身更灵活的结构从基础隔离系统中获益更多[5]、[6]、[7]。多项研究证实，基础隔离在降低低层建筑的地震脆弱性方面特别有效和高效，与固定基础配置相比，性能显著提高[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。2023年土耳其地震期间，这一效果得到了充分证明，尽管有超过50万栋住宅建筑遭到严重破坏，但采用基础隔离的医院仍能正常运行[14]。

钢增强弹性隔震器（SREIs）由交替的钢层和橡胶层组成，通过端板粘合而成，提供较高的垂直刚度和侧向灵活性。然而，地震剪切变形可能在隔震器边缘产生拉应力，从而影响其性能[15]、[16]。此外，钢部件增加了材料、制造、安装和运输的成本[4]，限制了其在大范围应用，尤其是在资源有限的地区。在印度，基础隔离的实施仍然有限，少数值得注意的例子包括布吉医院和诺伊达第二区的某栋中层建筑，这些项目是由德里IIT和Resisto-flex合作实施的[17]。

凯利（Kelly）[18]提出的纤维增强弹性隔震器（FREIs）通过用柔性纤维增强材料替代重型钢板，为低至中层建筑的基础隔离提供了成本效益高的解决方案。其中，未粘合纤维增强弹性隔震器（UFREIs）因其创新的翻转机制而受到关注：这些隔震器不与支撑表面粘合，可以在侧向位移时从支撑上翻滚，从而在剪切变形过程中减少拉应力[13]、[19]、[20]、[21]。对碳纤维和低阻尼天然橡胶制成的UFREIs的实验研究表明，它们具有足够的垂直刚度和独特的侧向行为，初始阶段会软化，随后硬化，从而在大变形下提高稳定性[23]。硬化开始发生在橡胶厚度的大约1.7–1.8倍时，比粘合隔震器的1.5倍稍晚，表明其变形能力更强[13]。

UFREIs的机械响应受其几何形状的显著影响，特别是形状因子，即加载面积与弹性层中可膨胀面积的比率。较高的形状因子限制了侧向膨胀，增加了垂直刚度[24]、[25]，而较低的形状因子由于接触面积有限而降低了有效水平刚度[20]。Thuyet等人[9]通过在印度Tawang的一栋砌体建筑下成功安装形状因子为12.5和15.5的UFREIs，证明了其实际可行性，强调了低成本和简单设计在推广其应用中的重要性。

UFREIs的本地制造有潜力大幅降低成本，使其在经济脆弱且地震活跃地区的低层建筑中实现基础隔离。多项研究考察了各种弹性材料，包括再生橡胶[26]、天然橡胶[27]、[28]和氯丁橡胶[21]、[29]、[30]，以及碳纤维[23]、[28]、[31]、玻璃纤维[28]、[32]、尼龙纤维[33]、[33]、[34]等纤维增强材料。高阻尼橡胶与碳纤维结合可以实现与SREIs相当的阻尼比[21]，而再生橡胶基体由于内部空隙的存在，压缩强度较低，从而延迟了载荷抵抗[34]。回收橡胶与天然橡胶混合使用可以改善与聚酯和尼龙的粘合性，在侧向位移下产生稳定的滞后环[33]。由天然橡胶制成的UFREIs可以承受高达300%的变形[31]，优于仅使用再生材料的版本，后者在85%的变形下仍能保持稳定性，但表现出更大的垂直变形和更高的阻尼。

最近的发展还突显了天然纤维增强材料在FREIs中的潜力。Sistla和Mohan[10]对黄麻、剑麻和亚麻等低成本纤维的研究表明，它们的阻尼性能与合成纤维相当，尽管模量较低导致垂直刚度降低，尤其是黄麻。天然纤维在可持续性和成本方面具有明显优势，尽管它们的拉伸强度和模量通常低于合成纤维，但其固有的灵活性和地区可用性使其适用于低层结构。虽然碳纤维提供了更高的垂直刚度，但Losanno等人[31]证明，像聚酯这样的材料可以在性能和成本之间取得平衡，提供可接受的垂直刚度。

在此背景下，本研究旨在使用本地可获得的天然橡胶和天然织物开发出成本效益高的UFREIs（天然织物增强弹性隔震器，NFREIs），作为昂贵合成纤维和高阻尼橡胶的替代品。研究重点是根据机械性能、可用性、成本效益和峰值应力比选择低成本的天然纤维，如椰壳纤维、棉花、亚麻、大麻、肯纳夫纤维、苎麻和竹纤维。选定的纤维织物通过实验测试进行了机械表征。随后设计、制造并测试了NFREIs，以评估其刚度和阻尼行为，并与未增强的橡胶块和碳纤维增强隔震器进行了比较分析，以评估在印度低层建筑中用天然材料替代合成材料的可行性。

章节片段

弹性轴承中的天然织物选择

最近在纤维增强复合材料方面的进展强调用天然材料替代合成材料（如玻璃纤维、碳纤维），因为它们重量更轻、更具成本效益且对环境更友好[35]、[36]。亚麻和大麻因其高拉伸刚度而被广泛使用，而椰壳纤维、黄麻、肯纳夫纤维和苎麻等纤维在东南亚和东亚地区既用于纺织品也用于复合材料[37]。在印度，常用的天然纤维包括黄麻、棉花、竹子和大麻

NFREI的设计

该隔震器最初是为一个单跨单层的钢筋混凝土（RC）框架建筑设计的，设计依据是印度海得拉巴Birla技术科学学院（BITS）先进结构工程实验室的振动台测试设施的能力。本研究中NFREI的设计过程如图5所示。建筑的总自重为6.87吨，固定基础周期计算为0.119秒。

实验研究

为了研究在低层钢筋混凝土建筑中使用天然纤维增强弹性轴承作为基础隔离系统的可行性，对制造的大麻-FREIs进行了全面的实验研究。研究包括垂直压缩测试以确定承载能力和刚度，持续载荷测试以评估长期性能，以及垂直循环测试以评估静态和动态刚度。

结论

本研究提出了新型天然织物增强弹性隔震器（NFREIs）的选择、开发和评估，作为地震应用中合成纤维增强隔震器的可持续和成本效益高的替代品。通过比较分析和数值研究，确定大麻纤维织物是一种合适的增强材料，基于其机械性能、环境效益、可用性和成本效益。制造并测试了大麻-FREIs

作者贡献声明

P Ambili：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、数据整理。S C Mohan：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢印度政府Anusandhan国家研究基金会（ANRF）下的核心研究基金（CRG）提供的财政支持。作者还感谢印度政府科技部（DST）在高等教育机构科技基础设施改进基金（FIST）计划和ANRF-CRG方案下提供的测试设施。同时感谢BITS皮拉尼的中心分析实验室的支持。