竹木模型結構抗震和砂墊層隔震對比實驗研究★

姚學群 岳 磊 李旭良 謝正忠 胡加云

(昆明學院城建學院，云南 昆明 650214)

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竹木模型結構抗震和砂墊層隔震對比實驗研究★

姚學群 岳 磊 李旭良 謝正忠 胡加云

(昆明學院城建學院，云南 昆明 650214)

對底部固定非隔震和底部在砂墊層上隔震的兩個上部結構完全相同的竹木模型進行了震動實驗，并應用測試數(shù)據(jù)成果進行了位移對比，另外，通過SAP2000軟件，分析了底部固定非隔震模型，和實驗數(shù)據(jù)也作了比較，結果表明，實驗和軟件模擬數(shù)據(jù)比較接近，非隔震的結構與隔震結構層間位移有較大差異，隔震結構明顯層間位移小，但底部有較大的水平和豎向位移及轉動現(xiàn)象。

竹木結構模型，砂墊層，隔震結構，水平位移

0 引言

傳統(tǒng)的抗震設計，結構在大震下還是可能損壞嚴重，不能保證罕遇地震發(fā)生時人員生命和財產安全。結構隔震、耗能減震等控制技術，現(xiàn)已展現(xiàn)出良好的發(fā)展和應用前景。

按隔震裝置的設置部位不同，可把隔震方式分為：層間隔震、基礎隔震、地基隔震。目前技術成熟運用較多的是基礎隔震和層間隔震，主要通過房屋基礎底部或下部結構與上部結構之間設置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成的具有整體復位功能的隔震層，以延長整個結構體系的自振周期，隔離地震能量向上部結構傳輸，從而大幅度降低建筑物對地震的響應，使上部結構的振動減輕，防止上部結構在地震中破壞嚴重。應用較廣泛的基礎隔震主要是橡膠墊隔震方案，少見采用聚四氟乙烯板、潤滑鋼板、砂石墊層、滑石粉、柔性石墨等材料作為摩擦滑移材料的滑動隔震方案。

地基隔震是通過設置于建筑物基礎底部與地基土之間的砂、石墊層或土工合成材料，或其他的地基處理方式來達到減少地震能量向上部結構傳遞的隔震目的，屬于褥墊層隔震的范疇，其隔震、減震機理與基礎隔震和層間隔震法不同，相對于目前規(guī)范推薦的橡膠支座隔震的方法，砂、石墊層法隔震更加造價低廉、施工方法簡單易行，砂墊層的減震理論目前尚在研究探討中，僅在一些農村村鎮(zhèn)房屋的修建中有所運用[1,2]。

實驗采用全國大學生結構設計大賽中使用的微型振動臺，對2個上部結構完全相同的竹木結構模型進行了2個對比實驗，一個是底部固定的竹木結構模型，另一個是底部不固定的竹木結構模型(下設砂墊層隔震)，震動實驗過程用高速攝像機拍攝，應用測試數(shù)據(jù)成果進行了層間相對位移的對比分析，對底部固定非隔震的模型另外用SAP2000建模分析，和實驗數(shù)據(jù)也進行了對比分析。

1 實驗模型與實驗條件

如圖1所示，采用2層框架模型，柱距200 mm，層高250 mm，模型材料用大學生結構設計大賽中采用的0.35 mm和0.5 mm厚的竹皮為原料，制作出箱形截面柱和工字形截面梁，柱邊長為6 mm，中間層梁高8 mm，頂層梁高6 mm，梁上下翼緣寬相同為5 mm。隔震模型應設地梁，為使抗震模型和隔震模型統(tǒng)一，2個結構模型都采用了地梁，地梁采用8 mm邊長的箱形截面。模型質量僅僅45 g，為獲得較大的傾覆力矩和較大的側向位移，頂部放加載板，施加了2.45 kg的壓力，簡化成4個柱頂端受到4個集中力作用，抗震模型四角柱底部采用固定端約束，用SAP2000對抗震模型建模，進行抗震結構變形和應力分析，按9度(0.4g)，影響系數(shù)最大值0.32，阻尼比0.014，Chinese2010規(guī)范反應譜函數(shù)輸入，振型組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法，進行反應譜的分析計算，結果表明，第一模態(tài)和第二模態(tài)均為平動型，第三模態(tài)為轉動型，各桿件主應力均小于容許應力，按計算結果估計不會發(fā)生傾覆和破壞現(xiàn)象，實際實驗也確實未破壞。

實際實驗采用北京波譜世紀科技發(fā)展有限公司出產的WS-Z30-50型振動臺等設備進行單向水平震動實驗，輸入的地震波采用第八屆全國大學生結構設計大賽上采用的如圖2所示的三級地震波。第一級地震波數(shù)據(jù)點時間間隔t為0.005 s，即數(shù)據(jù)采樣頻率f為200 Hz，波形時長為32 s。

第二級和第三級輸入的地震波：地震波數(shù)據(jù)點時間間隔t為0.002 s，即數(shù)據(jù)采樣頻率f為500 Hz，波形時長為90 s。

通過控制測試及軟件分析，取得以下有關三級地震波的頻譜分析結果，功率譜分析可看出三級地震波的能量分布，第一級地震波在頻率約3 Hz～5 Hz(周期大約0.2 s～0.33 s)時震動幅值較大。第二級地震波在頻率約1.7 Hz～4.5 Hz(周期大約0.22 s～0.58 s)時震動幅值較大。第三級地震波在頻率約0.75 Hz～1.75 Hz(周期大約0.57 s～1.25 s)時震動幅值較大，大賽采用的地震波可激發(fā)共振的頻譜范圍是比較廣的。

隔震模型除設置地梁外，地梁底部設砂墊層如圖3所示。參考有關文獻[3]～[7]，砂墊層在松散狀態(tài)下的減震效果比較好，砂子單一粒徑相對連續(xù)級配的隔震效果要好。最后實驗采用篩選的圓粒河砂(粒徑為0.68 mm～1.0 mm)，密實程度較為松散，含水率較低、比較干燥的細砂做墊層，砂墊層的厚度為300 mm。

2 實驗數(shù)據(jù)及對比分析

2.1 抗震模型軟件模擬與實際實驗觀測的數(shù)據(jù)對比

用SAP2000模擬的抗震模型各階模態(tài)的周期與位移的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 抗震模型各階模態(tài)的周期與位移的數(shù)據(jù)

用前述三級地震波進行小振動臺的模型抗震實驗，每級地震波下振動臺臺面輸出最大加速度在(0.4±0.03)g范圍內波動，實際抗震模型實驗中，觀測到的振動模態(tài)以第一平動振型和第一扭轉振型為主，其他振型模態(tài)不明顯，實際結構在每級地震波下的位移數(shù)據(jù)見表2。

表2 抗震模型各級地震波下的位移數(shù)據(jù)

第一級地震波下，觀測到平動位移較大，扭轉位移較小；第二級地震波下，平動位移和扭轉位移均比第一級地震波明顯要大，說明共振響應較第一級要大；第三級地震波下，扭轉位移和水平位移又比第一級和第二級地震波大，平扭耦合更為明顯。除去實際模型制作上與計算理想模型的差異，實驗觀測位移值與軟件模擬值較為接近。

2.2 砂墊層隔震結構與非隔震結構實際實驗的數(shù)據(jù)對比

由于隔震的需要，竹木結構底部不固定，而是通過在竹木結構底部設置地梁，地梁底面平整，地梁底面受到上部結構傳下來的壓力與砂墊層接觸，接觸面在震動中存在一定的摩擦滑移，但觀測到的摩擦滑移水平位移很小，不到4 mm，且震動中模型有陷入砂層中的現(xiàn)象，而震動實驗中觀測到地梁整個底面有一側向上抬起脫離墊層，另一側陷入砂墊層內部的現(xiàn)象，也即隔震結構會有發(fā)生豎向向上或向下顛簸的位移問題，第三級地震波下此豎向位移尤其明顯，豎向位移甚至超過了頂部水平位移，同時伴有整個結構繞豎軸一個方向持續(xù)轉動的現(xiàn)象。

經(jīng)實驗量測，隔震結構在每級地震波下的位移數(shù)據(jù)見表3。

表3 隔震模型各級地震波下的位移數(shù)據(jù)

與前述非隔震的抗震結構相比，實際實驗的位移數(shù)據(jù)表明，非隔震結構與隔震結構的層間位移有較大差異，隔震結構層間位移較小，說明隔震結構的減震效果是明顯的。由于底部不固定，結構存在偶然偏心和振動試驗中轉動振型被激發(fā)的原因，整個模型結構在砂墊層上會有一定的整體水平位移和轉動現(xiàn)象。對于在震動過程中隔震結構出現(xiàn)的豎向位移甚至超過了頂部水平位移的現(xiàn)象，在減輕了上部結構承受的荷載基礎上再進行實驗，結果表明上部結構荷載減輕后可減小此豎向位移。

3 結語

實驗數(shù)據(jù)說明，作為隔震結構中的一種類型，砂石墊層的減震效果也是明顯的，但尚需做更多的研究實驗，豐富其設計理論，以便今后制定更科學的設計標準規(guī)范。此次的實驗框架模型高寬比為2.5，模型頂部加載質量與模型本身質量之比達到了50多倍，傾覆力矩較大但未發(fā)生傾覆破壞，如果是實際使用的建筑結構，加載質量與結構本身質量之比遠不會那么大，高寬比不太大而又未發(fā)生強度破壞時，整體的傾覆破壞一般不易出現(xiàn)，而出現(xiàn)的不能恢復的較大水平與豎向位移和持續(xù)轉動問題是砂墊層隔震結構需要尤其重視的問題，應考慮增加限位裝置解決這一問題。另外砂墊層隔震結構出現(xiàn)的較大豎向位移，也說明在支座或與地梁連接的框架柱之類的豎向構件中，要重視拉、壓應力超過承載力的問題，類似的如同對橡膠隔震支座墊的要求，在抗震規(guī)范中就有要“防止支座壓屈、壓應力超限或出現(xiàn)拉應力超過1 MPa”的規(guī)定，今后在有關的實驗和設計中需要特別注意這些問題，可增加有關支座或豎向構件拉壓應力、應變大小的量測內容。

限于實驗條件所限，小振動臺難以承受較大重量，模型未能采用鋼材或砌體、混凝土等材料制作，此次試驗分析研究結果僅供參考。另外由于SAP2000不適宜模擬此砂墊層隔震模型的受力和邊界條件，尚需用其他軟件如ANSYS進行砂墊層隔震結構的受力變形模擬，再與實際實驗數(shù)據(jù)結果進行比較分析。

[1] 姚學群，徐從發(fā)，江曉敏.地基砂石墊層隔震的研究現(xiàn)狀和幾個有關問題[J].四川建筑科學研究,2010,36(4)：171-174.

[2] 錢國禎，許 哲，石樹中.兩種農村簡易隔震試點建筑介紹[J].工程抗震與加固改造,2014,36(2)：27-34.

[3] 劉曉立，張春梅，竇遠明，等.砂墊層剛度對地面地震反應的影響研究[J].華北航天工業(yè)學院學報,2004,14(4)：12-14.

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[5] 趙少偉，竇遠明，郭 蓉，等.基礎下砂墊層隔震性能振動臺試驗研究[J].河北工業(yè)大學學報,2005,34(3)：92-97.

[6] 劉曉立，王 江，竇遠明，等.砂墊層厚度及基底壓力對地面地震反應的影響[J].華北航天工業(yè)學院學報,2004,14(2)：7-10.

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[8] 王優(yōu)龍，魏 璉，李康棋.隔震結構的研究與應用[M].北京:地震出版社，1991.

[9] 劉方成，楊 峻.低、多層房屋基底軟土墊層隔震研究[J].地震工程與工程振動,2014,34(3)：245-254.

[10] GB 50011—2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].

Comparative experimental study on bamboo model structure of anti-seismic and sand cushion isolation★

Yao Xuequn Yue Lei Li Xuliang Xie Zhengzhong Hu Jiayun

(InstituteofKunming,InsituteofUrbanConstruction,Kunming650214,China)

The paper carries out vibration test for two same bamboo model with fixed non-vibration isolation bottom and sand cushion vibration isolation bottom, carries out their displacement comparison by applying testing data achievements, uses SAP2000 software, and compares fixed non-vibration isolation bottom to experimental data. Results show that: the experimental data is in accordance with software simulating data; the inter-layer displacement of non-vibration isolating structure and vibration isolating structure is different; the displacement of vibration isolating structure is relatively small, however, it will occur obvious horizontal and vertical displacement and alteration phenomenon at the bottom.

bamboo-structure model, sand cushion, vibration isolating structure, horizontal displacement

1009-6825(2017)10-0040-03

2017-01-21★:實驗項目為昆明學院2016年大學生科研立項項目

姚學群(1970- )，女，副教授

TU352

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