砌體模型隔震試驗(yàn)研究＊

尚守平，沈 戎

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

在各種自然災(zāi)害造成的死亡人員中，地震災(zāi)害約占51%，為群災(zāi)之首.在農(nóng)村民居抗震方面，國(guó)家和地方的資金主要投入在災(zāi)后恢復(fù)和重建方面，據(jù)災(zāi)后統(tǒng)計(jì)，汶川大地震共造成694.5萬(wàn)間房屋倒塌，2 434.3萬(wàn)間房屋損壞，其中大部分是農(nóng)村民房，災(zāi)后重建投入高達(dá)1 130億元[1].如果這些資金全部或部分用于震前對(duì)農(nóng)村房屋采取抗震措施，這對(duì)減少地震人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)發(fā)揮重大作用.

農(nóng)村民居的抗震水平可以反映一個(gè)國(guó)家建筑工程的整體抗震能力，今后隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，國(guó)家對(duì)民居的抗震要求也會(huì)越來(lái)越高.對(duì)于一個(gè)絕大多數(shù)為農(nóng)村人口的農(nóng)業(yè)大國(guó)，為中國(guó)的農(nóng)村地區(qū)建造農(nóng)民用得起的廉價(jià)抗震房屋，應(yīng)該是一個(gè)地震工程研究人員努力工作、學(xué)習(xí)研究的重要課題.

1 鋼筋－瀝青復(fù)合隔震墩隔震技術(shù)

在基礎(chǔ)隔震方面，眾多在理論上可行的隔震減震技術(shù)，卻無(wú)法在現(xiàn)實(shí)中推廣使用，其原因是因?yàn)槠渲写蠖鄶?shù)造價(jià)較為昂貴，施工較為復(fù)雜，震后修復(fù)較為困難.根據(jù)本課題組已有的研究成果，提出了非常適合農(nóng)村低矮房屋的隔震抗震方法，即采用鋼筋－瀝青復(fù)合隔震墩隔震技術(shù).

鋼筋－瀝青復(fù)合隔震墩由上、下鋼筋混凝土墩塊、隔震豎向鋼筋、側(cè)向混凝土墩壁、縫隙間瀝青油膏組成.采用預(yù)制形式，裝配簡(jiǎn)便，避免了基礎(chǔ)隔震建造時(shí)的濕作業(yè)，并且由于價(jià)格低廉、取材方便、施工便捷以及良好的耐久性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū).

隔震墩基本構(gòu)造如圖1所示，其隔震鋼筋凈高度一般為200～300mm（可根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)不同高度，隔震鋼筋設(shè)計(jì)理論詳見文獻(xiàn)[2]），豎向隔震鋼筋為主要的受力構(gòu)件，其水平剛度較小，可延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的水平自振周期，且具有較好的彈性恢復(fù)特性.設(shè)計(jì)時(shí)采用考慮地震作用與上部結(jié)構(gòu)重力共同作用的鋼筋強(qiáng)度和鋼筋豎向穩(wěn)定性兩個(gè)指標(biāo)來(lái)控制.忽略墩臂的豎向承載能力以及瀝青油膏對(duì)水平剛度和阻尼的影響.混凝土墩壁及墩塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要承載力大于上部結(jié)構(gòu)荷載的設(shè)計(jì)值并配置必要的構(gòu)造鋼筋即可.

在小震情況下，鋼筋處于彈性狀態(tài)且具有恢復(fù)力，同時(shí)承受水平地震作用，變形主要集中在隔震支座，上部結(jié)構(gòu)作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所受到的地震作用很小，甚至只有彈性變形運(yùn)動(dòng)，大大減小了地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，達(dá)到“小震不壞”的目的.此時(shí)，隔震鋼筋在彈性工作范圍內(nèi)，由于側(cè)墩臂與上墩塊之間有5～10mm的間隙，墩臂并未與上部結(jié)構(gòu)直接接觸，不承受上部結(jié)構(gòu)的荷載.在罕遇地震作用下，隔震鋼筋屈服產(chǎn)生較大的水平側(cè)移引起隔震墩上墩塊高度降低，上墩塊連同上部結(jié)構(gòu)會(huì)落在墩臂上繼續(xù)滑動(dòng)，達(dá)到“大震不倒”的目的，此時(shí)由墩臂承受上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，并限制了鋼筋水平位移的持續(xù)增大.

圖示墩臂之間所填充的包裹瀝青油膏，其主要作用是防止隔震鋼筋生銹，并不承受任何荷載.而墩臂與上墩塊之間的層間瀝青油膏是為了保證罕遇地震時(shí)，上部結(jié)構(gòu)落在隔震墩墩臂時(shí)可繼續(xù)滑動(dòng)，耗散地震能量.試驗(yàn)證明，瀝青油膏可提供一定的阻尼，增強(qiáng)隔震墩的耗能能力[3].

圖1 隔震墩結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.1 Construction of isolation pier（mm）

文獻(xiàn)[2－3]中均詳細(xì)研究了鋼筋－瀝青復(fù)合隔震層中瀝青油膏的工作性能，發(fā)現(xiàn)隔震體系的阻尼很高且主要由填充瀝青提供，但理論計(jì)算時(shí)忽略瀝青油膏對(duì)隔震墩阻尼的影響是偏于安全的考慮.

2 砌體模型房屋隔震試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)足尺寸的砌體模型試驗(yàn)測(cè)試該新型隔震墩的減震性能，并驗(yàn)證隔震鋼筋設(shè)計(jì)方法的可行性及安全性.

2.2 足尺寸砌體房屋的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脝螌訂伍_間的1∶1砌體房屋，模型尺寸為4.2m×3.0m×2.8m，砌體模型的建筑平面圖見圖2.本次試驗(yàn)采用湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室電液伺服脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)，為減少側(cè)向抗力使模型易于起震，采用雙層隔震墩布置方法，試驗(yàn)示意圖見圖3.

圖2 模型平面圖（mm）Fig.2 Floor plan of test model

圖3 試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic of test

房屋采用MU10燒結(jié)普通磚，砂漿采用強(qiáng)度等級(jí)為M1.0的混合砂漿，墻體為240mm厚眠墻，樓面板及屋面板均采用吊裝預(yù)制空心平板，不設(shè)置圈梁及構(gòu)造柱.由于上部隔震墩間隔布置，一層樓面板僅與隔震墩上墩塊部分接觸連接，在作動(dòng)器的動(dòng)力激勵(lì)下一層樓面板要求保證較好的整體性能，這樣才能使隔震層中的所有隔震墩整體發(fā)揮作用.故在空心樓板的表面采用復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)面層整體化的方法，即在樓板全表面增設(shè)一層20mm厚復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)，將各個(gè)獨(dú)立的空心平板連接為整體.

2.3 鋼筋瀝青隔震墩設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)的隔震墩設(shè)計(jì)以二層砌體模型房屋配重按7度地區(qū)抗震設(shè)防為計(jì)算依據(jù)，選取隔震墩的尺寸為200mm×240mm×600mm，隔震墩兩側(cè)的混凝土墩壁各75mm寬，中間空隙40mm.隔震墩所用混凝土均為C30混凝土，豎向鋼筋的自由長(zhǎng)度為300mm，采用直徑為8mm的HRB400級(jí)鋼筋.上層隔震墩所需的豎向鋼筋數(shù)量為110根，下層隔震墩所需的豎向鋼筋數(shù)量為130根.墻下隔震墩均勻布置，間距200mm，轉(zhuǎn)角處集中布置.隔震墩平面布置圖見圖4.

圖4 隔震墩實(shí)物布置圖Fig.4 Arrangement of real isolation pier

2.4 試驗(yàn)加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

本次試加載采用位移控制形式的模擬正弦波形，作動(dòng)器輸入單邊幅值為5～15mm，逐級(jí)加大，頻率為1～3Hz.量測(cè)系統(tǒng)采用中國(guó)工程力學(xué)研究所研制的941－B型拾振器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研制的941－B型放大器、采集儀和DASP信號(hào)分析系統(tǒng).

分別在起震層，一層樓面，一層屋面中心處各放置2枚941－B型拾振器，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過(guò)程中作動(dòng)器振動(dòng)方向的加速度反應(yīng)和位移反應(yīng).

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

本次試驗(yàn)加載工況見表1，采用逐級(jí)加大位移單邊幅值的形式得到不同加速度反應(yīng)工況，以滿足7度抗震設(shè)防對(duì)應(yīng)的小震、中震和大震的要求.

表1 部分控制加載值與實(shí)測(cè)值Tab.1 Loadong value and measured value

起震層測(cè)量的臺(tái)面加速度時(shí)程曲線與臺(tái)面位移時(shí)程曲線分別見圖5和圖6，部分控制加載值與實(shí)測(cè)值見表1.由圖表可知，起震層的波形頻率與作動(dòng)器的輸出波形頻率大體一致，但是由于作動(dòng)器控制精度的限制，其位移幅值較控制輸出幅值偏小，臺(tái)面加速度反應(yīng)隨著加載頻率及位移幅值的增大而增大.

圖5 臺(tái)面加速度時(shí)程曲線示例Fig.5 Example of acceleration time history

圖6 臺(tái)面位移度時(shí)程曲線示例Fig.6 Example ofdisplacement time history

試驗(yàn)加載時(shí)模型房屋與上部隔震墩一起受迫運(yùn)動(dòng).受試驗(yàn)儀器限制，本次試起震層測(cè)量的最大加速度反應(yīng)約為0.3g，相當(dāng)于7度設(shè)防的罕遇地震加速度反應(yīng).整個(gè)過(guò)程中上部隔震墩均能很好地復(fù)位.當(dāng)臺(tái)面加速度較小時(shí)，隔震墩有輕微錯(cuò)動(dòng).隨著輸入加速度峰值的增大，結(jié)構(gòu)反應(yīng)也隨之加大，隔震墩相對(duì)錯(cuò)動(dòng)增大，瀝青油膏被擠出，手觸可以感覺(jué)到油膏溫度的明顯上升，這是由于隔震鋼筋水平往復(fù)擺動(dòng)會(huì)攪動(dòng)兩墩臂間瀝青油膏，摩擦產(chǎn)生的熱量使油膏發(fā)熱軟.

試驗(yàn)結(jié)束后，觀察發(fā)現(xiàn)下部隔震墩墩塊與墩壁之間發(fā)生的整體錯(cuò)動(dòng)較大，這是由于試驗(yàn)時(shí)下部隔震墩直接與加載裝置相連，使下部隔震墩產(chǎn)生較大的塑性變形.但仍可支撐上部結(jié)構(gòu)，這與設(shè)計(jì)預(yù)想一致，即隔震墩屈服后不會(huì)發(fā)生整體傾覆致使上部房屋倒塌.

加載工況編號(hào)注明：加載頻率－作動(dòng)器輸入單邊位移幅值.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為方便對(duì)比，定義位移放大系數(shù)為：

定義加速度折減系數(shù)[4]：β＝α2／α1.

式中：α1為起震層實(shí)測(cè)最大加速度，α2為隔震后一層樓面實(shí)測(cè)最大加速度.此時(shí)減震系數(shù)β越小，代表隔震效果越明顯.

試驗(yàn)所得加速度折減系數(shù)、位移放大系數(shù)見表1及圖7和圖8.由圖表可知：

1）隔震墩按7度地震烈度設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，加速度折減系數(shù)在0.14～0.65之間，具有理想的隔震效果.位移放大系數(shù)在加載頻率為1Hz和2 Hz時(shí)比較穩(wěn)定，在1.3～1.4之間.

2）加載振動(dòng)頻率為3Hz時(shí)，加速度折減系數(shù)及位移放大系數(shù)明顯減小，且試驗(yàn)過(guò)程中頻率為3 Hz時(shí)的模型反應(yīng)及隔震墩相對(duì)錯(cuò)動(dòng)也明顯小于頻率為1Hz和2Hz時(shí)的相應(yīng)加載，說(shuō)明鋼筋－瀝青復(fù)合隔震墩對(duì)高頻波形的過(guò)濾效果比較明顯.地震時(shí)可以濾掉地震波中的高頻成分，從而達(dá)到降低上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)的目的[5－8].

圖7 加速度折減系數(shù)Fig.7 Picture ofabsorption coefficient

圖8 位移放大系數(shù)Fig.8 Picture of displacement amplification coefficient

4 結(jié) 論

1）試驗(yàn)證明，由于設(shè)置鋼筋－瀝青復(fù)合隔震墩，有效地降低了上部結(jié)構(gòu)加速度幅值，具有較好的減震效果.隔震墩豎向鋼筋可以較好地復(fù)位，從另一方面也證明，按照參考文獻(xiàn)[2]的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)隔震墩的理論是正確的.

2）隔震墩產(chǎn)生塑性變形后，墩壁仍可承受上部結(jié)構(gòu)荷載，不會(huì)致使上部房屋傾覆倒塌.

3）墩壁間包裹豎向隔震鋼筋的瀝青油膏被擠出后，豎向鋼筋并未暴露，仍可起到保護(hù)鋼筋防止鋼筋生銹的作用.其耐久性（僅考慮防銹）據(jù)相關(guān)資料證明要高于環(huán)氧樹脂材料，即老化時(shí)間至少50年.瀝青油膏對(duì)隔震墩的抗震性能的影響，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮其阻尼及耐久性問(wèn)題將在后一步研究中深入進(jìn)行.

4）整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，上部隔震墩整體工作，證明試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)在空心樓板的表面采用復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)面層整體化的方法是可行的，樓板全表面增設(shè)的復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)，很好的將各個(gè)獨(dú)立的空心平板連接為整體，滿足地震設(shè)防地區(qū)樓板整體性的要求.

5）本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)未采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，試驗(yàn)中房屋的工作性能均滿足7度抗震設(shè)防對(duì)應(yīng)的小震、中震和大震的要求.表明隔震后的上部結(jié)構(gòu)可降低相應(yīng)抗震構(gòu)造措施，將上部結(jié)構(gòu)降低相應(yīng)抗震構(gòu)造措施時(shí)節(jié)省的資金用于這種新型的隔震層，基本不增加房屋整體造價(jià)，相對(duì)于二至三層房屋時(shí)經(jīng)濟(jì)效益尤為明顯.加上隔震墩具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便的特點(diǎn)，特別適合于在廣大農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用.

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