村鎮建筑節能隔震一體化砌塊結構體系動力反應研究

谷偉

摘要：針對村鎮加氣混凝土砌塊建筑，采用石墨膏泥滑移材料和U型鋼帶限位裝置構成基礎隔震層，形成節能隔震一體化新型結構體系，并建立了體系運動微分方程及滑動與嚙合狀態判別準則。研究表明，結構體系具有較好的消能減震效果，限位裝置能有效降低隔震層位移幅值。豎向地震作用的存在，使結構底層加速度、層間剪力值有較大增加，隔震層位移幅值有增大的可能。

Abstract： The rural base-isolated AAC buildings with graphite mortar and U type slide-limited device was established. The set of partial differential equations with the specified boundary and initial conditions were solved numerically using interlaminar shear model. Results indicate that the frictional base-isolated system has better behavior of horizontal isolation and the slide-limited device can effectively reduce the displacement of the isolated layer. The research shows that the acceleration of isolated layers，the interstorey shear force and the sliding displacement at base-isolated layer are possibly increased，considering the earthquake action in vertical directions.

關鍵詞：村鎮建筑；加氣混凝土砌塊；石墨膏泥；基礎隔震；限位裝置

Key words： rural building；AAC；graphite mortar；base-iolated system；slide-limited device

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0128-03

0 引言

建筑節能是關乎可持續發展的戰略性舉措，已被列為促進我國國民經濟發展的重大戰略性課題。加氣混凝土砌塊作為一種新型的綠色建筑材料，具有質量輕、保溫及隔熱效果好、易于加工處理等諸多優點，具有非常廣闊的應用前景，已廣泛用于非承重墻和承重墻體建筑。然而，我國村鎮建筑量大面廣，抗震能力十分薄弱，發展適應面較廣的低成本村鎮住宅耐震新體系，這是新農村建設和村鎮防震減災的重大需求。基礎隔震是抗震設計的新技術、新方法，是當代工程結構發展的前沿領域之一。此種方法不是立足于“硬抗”，而是采用以“柔”克剛新概念，立足于“隔”、“減”，通過在房屋上部結構與基礎之間設置隔震層，隔離傳向上部結構的地震力，從而保證結構免于地震破壞[1-4]。

本研究項目針對加氣混凝土砌塊承重墻體節能住宅體系，采用低成本的石墨膏泥作為低磨阻滑移減震材料，并增設構造簡單的限位阻尼裝置，形成適合于我國村鎮中低層建筑的節能隔震一體化體系，提高房屋在突發性罕遇地震中抗破壞、抗倒塌性能。

1 滑移隔震層構造

選用天然鱗片石墨經加工研制成粗細顆粒混等且無其他雜質的石墨粉，并經加水調和而成可抹面的石墨膏泥，做為摩擦滑移減震材料。在房屋底層增設一道基礎梁以承托上部結構，下基礎梁上表面用水泥砂漿抹平壓光，然后涂抹一薄層石墨膏泥，上面再鋪設油氈紙做成隔震層，其上澆筑上地基梁。在隔震層部位設置牌號Q235冷彎成型的U型鋼帶限位阻尼裝置，利用其彈性變形起限位作用，防止產生過大滑移，利用其塑性變形起到耗散能量作用，以降低上部結構反應，隔震層構造如圖1所示。

2 結構動力分析模型

2.1 基本假定

對加氣混凝土砌塊建筑節能隔震一體化結構體系，做如下假定[1，3，5]：①建筑各層樓板和樓蓋假定為無限剛性板，不考慮扭轉變形影響，體系采用層間剪切型模型，上部結構為線彈性體；②假定隔震層摩擦材料動、靜摩擦系數近似相等且保持為常數，摩擦力按庫侖定律考慮，摩擦力大小與滑動速度無關；③在整個滑動與嚙合過程中不發生傾覆或抬離現象，忽略隔震層上下拉接構件阻尼的影響。

2.2 分析模型

石墨膏泥恢復力模型取剛塑形性，Q235U型鋼帶限位裝置取為不考慮剛度退化的雙折線模型，故隔震層的恢復力模型可取圖2所示模型，kb1，kb2為限位裝置屈服前后的剛度，key為隔震層位移狀態判定數，xv為屈服位移，xm為key=0時斜線中點坐標。結構體系動力分析模型見圖3，圖中mb為基礎隔震層質量，m1～mn為上部結構各層質量；kv，1～kv，n，kh，1～kh，n為上部結構各層豎向剛度和水平剛度；μ為摩擦系數；g（t），g（t）為地震波水平和豎向加速度時程。

3 運動微分方程

節能隔震一體化結構體系在地震作用下處于滑移和嚙合兩種可能狀態，隔震層摩擦力的大小隨豎向力改變而改變，故首先建立豎向運動微分方程，求出最大摩擦力，進而判斷結構體系處于滑移或嚙合狀態，最后建立對應狀態的水平運動微分方程。

動力微分方程的求解采用Willson-θ數值積分法，為了保證收斂穩定和必要精度，自編程序取θ=1.37，步長ΔT=0.005s。利用本程序，對同濟大學防災國家重點實驗室一幢三層摩擦隔震模型試驗結果進行了驗算對比[6]，試驗結果與本程序計算結果較接近，驗證了程序的有效性。

4 工程算例分析

4.1 結構參數

選取村鎮規則型四層加氣混凝土砌塊建筑進行分析， 結構構參數見表1。砌塊強度等級A7.5，砌筑砂漿采用專用膠粘劑，強度等級M15，隔震層石墨膏泥滑移摩擦系數取μ=0.23，U型鋼帶限位裝置初始剛度取kb1=0.005×106 kN/m，kb2=0.11kb1，xv=0.4cm，經計算，結構水平及豎向自振周期為Th=0.198s，Tv=0.066s。

4.2 動力效應分析

選取典型的EL-Centro地震波（1940.5.18，水平與豎向加速度峰值為341.7gal和206.3gal）進行動力效應分析。圖4為結構體系首層與頂層加速度時程曲線，圖5和圖6為結構體系考慮和不考慮豎向地震作用工況下各層最大加速度和層間剪力值變化情況。

分析可知，帶限位裝置摩擦隔震建筑的各層加速度、速度等反應量時程具有相近似的波形，表明上部結構在地震中是以“整體平動”為主的，其他振型的影響甚微。各質量層加速度分布規律總體呈K型分布，兩頭大中間小，有別于傳統基礎固定建筑的倒三角形分布，層間剪力分布較均勻，幅值較小，表明帶限位裝置摩擦隔震建筑具有較好的消能減隔震效果。與不考慮豎向地震作用相比，考慮豎向地震作用時，隔震結構的各反應量幅值及發生的時間稍有變化，特別是首層加速度值、首層層間剪力值有較大增加，表明豎向地面運動與水平地面運動具有一定的相關性。

4.3 隔震層位移分析

隔震層滑動位移幅值的大小涉及到水暖等管件柔性構造措施，是隔震結構設計施工關鍵之一[7]。將EL-Centro地震波水平向加速度峰值分別調整為220gal，400gal和620gal，豎向加速度峰值取為水平向的0.33倍和0.65倍兩種工況，以模擬7、8、9度罕遇地震作用。表2所示為設置限位裝置與不設限位裝置時隔震層滑動位移幅值。

分析可知，與石墨膏泥純摩擦隔震結構（無限位裝置）相比，設置限位裝置后，可有效降低隔震層的滑動位移幅值，烈度越高作用越明顯。過大的滑動位移，使隔震層處水暖管道等設備抗滑移措施難以處理，在高烈度設防區通過優化設計，增設一定數量的限位裝置是必要的，在低烈度設防區，位移幅值較小，一般在4cm以下，可不設限位裝置，以降低造價。同時可知，豎向地震作用的存在，對位移幅值大小有一定影響，豎向加速度峰值越大影響越大，由于地震波具有隨機性，可使位移幅值增大或減小。

5 結論

針對加氣混凝土砌塊建筑，采用石墨膏泥作為減震材料并設置U型鋼帶限位裝置構成基礎隔震層，形成節能隔震一體化新型結構體系。采用層間剪切型分析模型，建立了同時考慮水平與豎向地震耦合作用下的運動微分方程及滑動與嚙合狀態判別準則。研究表明，結構體系以“整體平動”為主，加速度呈K型分布，表明隔震層具有較好的消能減震效果，U型鋼帶限位裝置能有效降低隔震層位移幅值。豎向地震作用的存在，使結構底層加速度、層間剪力值有較大增加，隔震層位移幅值有增大的可能，建議在高烈度設防區考慮豎向地震作用影響。

參考文獻：

[1]周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2]Takaoka E，Takenaka Y， Nimura A. Shaking table test and analysis method on ultimate behavior of slender base-solated structure supported by laminated rubber bearings [J] Earthquake Engineering & Structural Dynamic， 2011， 40：551-570.

[3]Calugaru V ，Panagiotou M. Seismic response of 20-story base-isolated and fixed-base reinforced concrete structural wall buildings at a near-fault site[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamic，2014，43：927-948.

[4]吳會閣，趙彥.蒸壓加氣混凝土砌塊砌體承重墻抗震性能研究綜述[J].防災科技學院學報，2012，14（2）：38-42.

[5]李馨楠，周湘文，盧振明，張杰，劉兵.石墨摩擦性的研究現狀及展望[J].炭素技術，2014，33（6）：28-33.

[6]呂西林.基礎隔震房屋模型震動臺試驗報告[R].同濟大學工程結構研究所，1999，8.

[7]尚守平，楊龍.鋼筋瀝青隔震層位移控制研究[J].土木土程學報，2015，48（2）：27-33.