高烈度區構造柱圈梁抗震體系砌體平房振動臺

周強，陳珊，孫柏濤，楊玉成

(1.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031； 2.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

高烈度區構造柱圈梁抗震體系砌體平房振動臺

周強1，陳珊2，孫柏濤2，楊玉成2

(1.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 330031； 2.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

為研究在西藏當雄高烈度區農牧民安居工程中，擬建的采用圈梁構造柱抗震體系的單層混凝土砌塊房屋的抗震性能，并探討內橫墻和打包帶加固等對房屋抗震能力的影響，進行了2個相似比例為1/3模型的振動臺對比試驗，模型分別是無內橫墻單層砌體結構模型和有內橫墻且墻體用打包帶進行加固的單層砌體結構模型。試驗測試了結構模型的動力特性及其在不同地震作用下的加動力響應。試驗結果表明：采用構造柱圈梁抗震體系的房屋，可達到村鎮建筑9度抗震設防目標，基本符合建筑抗震三水準設防的要求；如若房屋再增加內橫墻或墻體采用打包帶網加固，抗震抗倒的能力更強。試驗結果可為當雄高烈度區農牧民安居工程的房屋抗震加固、設計和施工提供參考依據。

高烈度區； 圈梁構造柱抗震體系； 振動臺試驗； 農牧民安居工程； 混凝土砌塊； 砌體結構； 抗震加固； 打包帶； 江油波

西藏是中國地震多發地區，具有強度大、分布廣等特點，地震活動僅次于中國臺灣省。當雄縣位于西藏自治區中部，藏南與藏北的交界地帶，拉薩市北部，距拉薩市170公里，是我國大陸抗震設防烈度最高(9度)的十個城鎮之一，處于班戈-當雄斷裂帶交匯處。納木湖鄉為當雄縣轄鄉，位于縣境北部，面積4萬平方公里，人口0.4萬，通公路。當地抗震設防烈度為不低于9度，設計基本地震加速度值不低于0.4g，設計地震分組為第二組，場地類別為II類[1]。

拉薩市政府在充分調研的基礎上，對高烈度區大量農牧民房屋進行抗震加固?？紤]到西藏拉薩市納木湖鄉等安居房的建筑形式和施工條件，以及當地獨有的自然條件和施工材料，加強方法擬采用打包帶加固、圈梁與構造柱增強體系和改善建筑體型。其中，打包帶加固技術較早由東京大學Mayorca P提出[2-3]，認為是一種簡單、經濟而且有效的抗震加固技術，但未在國內外大范圍應用和實踐檢驗，需進一步進行抗震試驗研究，便于改善打包帶抗震加固方法及流程。因此，拉薩市依據當雄縣納木湖鄉農牧民安居工程工作計劃，以納木湖鄉民居中典型結構為例進行房屋抗震能力模型試驗。該項試驗的模型是根據拉薩市設計院提供的已建60 m2-A戶型、已建70 m2戶型和擬建60 m2戶型3套圖紙，分為3組制作模型進行抗震試驗[4-6]。本文為其中一組的試驗研究，該組試驗原型是用構造柱圈梁抗震體系增強的擬建60 m2戶型砌體平房，該原型建筑平面為矩形，建筑面積60 m2，故本文稱為擬建60 m2戶型模型試驗。

通過本次試驗，對擬建60 m2戶型構造柱圈梁抗震體系的單層混凝土砌塊砌體房屋抗震性能有進一步的了解和驗證，以及對打包帶加固措施進行驗證。旨在改善西藏砌體平房的抗震性能，提高抗御強烈地震的能力，改善抗震加固工程中擬采用的打包帶加固技術的加固方法及流程，以減輕地震災害的損失，建設西藏農牧民安居工程，保障西藏同胞的地震安全。

1 模型的試驗測試方案

1.1模型簡介

本文試驗的2個模型的原型為擬建60 m2戶型砌體平房，縱橫墻交接處設有構造柱，墻頂設圈梁，木結構平屋蓋，建筑高度為3.2 m，層高為2.9 m，內外墻均為300 mm厚混凝土實心砌塊(加墻體抹灰，砌塊尺寸為190 mm×190 mm×290 mm)，原型平面尺寸為9.8 m×5.8 m。

模型的建筑平面有2個方案，其一為傳統民居無隔墻隔斷的磚木平房，稱為擬建模型2-1(本文簡稱模型2-1)；另一按該傳統民居拆除中間木柱，改為一橫墻隔斷，該模型的各片墻體內外還用打包帶加固，稱為擬建打包帶加固模型2-2(本文簡稱模型2-2)，2個模型和原型的尺寸比為1∶3，模型平面如圖1所示。

圖1 模型平面圖Fig.1 The layout plan of the models

1.2模型設計

1.2.1 模型相似比

模型設計、 制作和地震激勵輸入按照相似理論進行。由于模型設計受振動臺臺面尺寸和最大載重的限制，本次試驗采用原形1/3縮尺模型，模型材料與原型相同。表1列出了本試驗中模型結構和原型結構各物理量的相似關系和相似系數[7]。

1.2.2 人工質量計算

人工質量計算時，模型結構不同材料容重的取值與原型結構相同。對于屋面活荷載，荷載規范規定雪荷載為0.5 kN/m2，上人屋面為2.0 kN/m2，不上人屋面為0.5 kN/m2。依據當地實際情況屋面活荷載取為0.5 kN/m2。模型各構件人工質量計算結果如表2，人工質量按不同墻體和柱子各自分配的配重布置在相應構件上。

1.2.3 打包帶加固技術

打包帶加固技術其主要思路是將打包帶編織成網，然后將打包帶網鋪設并固定在墻體上，進而起到加固墻體的作用[8]，具體的加固實施方法見文獻[4-6]。打包帶的主要材料是聚乙烯，聚丙烯樹脂等，具有可塑性好，抗拉能力強，耐彎曲疲勞，密度小，拉伸沖擊性能佳，使用方便，價格非常低廉等突出優點。而砌體結構具有材料呈脆性，抗拉、抗剪、抗彎能力等缺點。打包帶與砌體結合可以充分發揮各自的性能優勢，從而提高結構的抗震能力。為防止紫外線照射、老化，增強打包帶網和墻體的連接，原型結構的墻內外打包帶網都要進行抹面處理。為便于查看試驗過程中墻體裂縫的開展，模型試驗沒有進行抹面處理。

表1模型結構與原型結構的相似關系

Table1Similarityrelationsbetweenthemodelandprototypestructure

物理量關系式1/3縮尺模型彈性模量E/PaSE1應變εSε=11應力σ/PaSδ=SE1長度L/mSL1/3線位移X/mSL1/3質量m/kgSm=SES2L=SρS3L1/9時間t/sSt=1/Sf=S1/2L0.577阻尼c/(N·s·m-1)Sc=Sm/S-1t=SES3/2L0.1925速度v/(m·s-1)Sv=SL/S-1t=S1/2L0.577加速度a/(m·s-2)Sa=11重量加速度g/(m·s-2)Sg=11

表2 模型人工質量列表

1.3模型制作

模型制作前，需依據原型結構混凝土砌塊的尺寸和材料配比及相似關系制作模型砌塊。為按照西藏當地做法，模型由西藏當地工作人員自行選材和制作，制作過程完全按照當地做法進行，以確保模型結構與原型結構砌筑方式、構件連接等盡量一致。 模型的制作要點主要包括： 1)模型墻體“丁”字砌筑； 2)采用木門、窗過梁； 3)柱底通過鋼釘和木楔與底板連接； 4)柱頂通過兩段托梁搭接木梁，梁與柱通過鋼釘固定； 5)梁頂鋪設木椽子，椽子間距為10 cm；椽子之間通過扒釘固定，椽子與梁之間采用鋼釘連接，如圖2； 6)木椽子上鋪設約4 mm厚膠合板，為方便后期人工質量的布置，膠合板與墻體邊緣留有一定距離，如圖3。砌筑完成后的模型如圖4和5所示，在模型砌筑的同時，對砌塊和砂漿的強度和進行了測試，其中砌塊強度為4.2 MPa，砂漿強度為6.2 MPa。

圖2 模型椽子木Fig.2 Wood rafters

圖4 砌筑完成后的模型2-1(無打包帶加固)Fig.4 Finished model 2-1 (without reinforcement)

圖5 砌筑完成后的模型2-2(有打包帶加固)Fig.5 Finished model 2-2 (reinforced)

1.4測點的布置

模型2-1共布設32個測點，其中應變片20個，用于測試墻體薄弱部位應變；SW-1型拉線式位移傳感器4個，用于測試底板和屋頂X、Y方向的位移反應；941B型加速度傳感器8個，用于測試底板和屋頂中心及屋頂上面東北角、西南角X、Y方向的加速度反應。該模型傳感器布置示意圖如圖6所示，振動臺上模型2-1實際測點安裝和人工質量加載完成的現場如圖7所示。

圖6 模型傳感器布置示意圖Fig.6 Layout plane of model′s sensors

圖7 模型2-1測點和配重布置圖Fig.7 Measurement point and additional weight of model 2-1

模型2-2共布設12個測點，其中位移傳感器4個，用于測試底板和屋頂X、Y方向的位移反應；加速度傳感器8個，用于測試底板和屋頂中心及兩端X、Y方向的加速度反應。該模型位移和加速度傳感器布置同模型2-1。

1.5試驗測試方案

本次試驗在中國地震局工程力學研究所進行。試驗選用1940年El Centro地震波、1976年唐山地震中的遷安波、2008年汶川地震中的臥龍波、江油波，共4條較典型的地震波作為荷載輸入，4種地震波時間壓縮0.577倍后作為振動臺臺面輸入波。

模型2-1和模型2-2先后進行模擬地震動試驗，均分為3個階段：

1)結構的彈性階段試驗：對于模型2-1，振動臺輸入4種地震波，比較模型在4種地震波X、Y水平雙向輸入時模型結構的彈性反應，選出江油波(結構彈性階段反應較大，同時，考慮了當雄與江油的場地同為Ⅱ類第二組。)繼續逐級加載輸入；對于模型2-2，振動臺只輸入江油地震波，觀察結構彈性階段的反應，并與模型2-1作比較；

2)模型墻體的初裂試驗：2個模型都只輸入江油波，作X、Y水平雙向輸入試驗，在試驗中特別關注初開裂的模擬地震動強度，開裂部位和形態；

3)破壞試驗：2個模型繼續逐級加載輸入江油波，特別關注裂縫發展和分布，模型破壞較為嚴重時候的地震動強度。

2個模型振動臺試驗地震波雙向輸入工況見表3所示。

表3 模型振動臺試驗地震波輸入工況

2 試驗過程及模型破壞現象分析

彈性階段試驗：模型2-1，雙向輸入El-Centro波、遷安波、臥龍波和江油波4種地震波，名義加速度峰值為0.1g和后兩種波的0.15g進行模擬地震動試驗，記錄各測點的加速度和位移，模型結構在江油波輸入時反應最大，經查模型墻體無裂縫，再用江油波加載名義峰值加速度為0.2g，經查仍無裂縫；對于模型2-2，只輸入江油波逐級加載，加載到名義峰值加速度為0.4g，經查模型結構仍無裂縫。

開裂階段試驗：模型2-1，江油波加載名義峰值加速度為0.3g，模型初裂，觀察到10條細微裂紋，多分布在縱墻頂部、窗角和圈梁下，橫墻未見裂紋，詳見圖8和表4；模型2-2，名義峰值加速度為0.5g，模型才初裂，觀察到9條細微裂紋，詳見圖9和表5。

表4 模型2-1裂縫長度及寬度

注：表4、5及圖8、9中裂縫編號，如0.3-1，0.3表示地震動輸入名義峰值為0.3g，1表示該裂縫的編號為1；如表中0.3-1(0.8g)表示裂縫0.3-1在地震動輸入名義峰值為0.8g時裂縫寬度或長度有擴展，其他編號與此類似。

破壞階段試驗：模型2-1，江油波加載名義峰值加速度為0.8g，模型裂縫發展并增多，1.0g時破壞加劇；模型2-2，臺面名義峰值加速度高達1.0g，模型裂縫發展也明顯增多，詳見圖9和表5。

從整體上看，2個模型的初裂和明顯破壞都相差0.2g，且模型2-2的初裂和試驗終了的破壞程度都輕于模型2-1，這2個模型的初裂裂紋分布大部分出現在窗洞角和梁下，圈梁上也見裂紋，模型2-2橫墻中部有斜裂紋。

試驗結束，2個模型均在基底名義加速度為1.0g時破壞，從圖8和圖9對照明顯可見：模型2-1破壞嚴重近于破碎，縱橫墻有多道斜向和交叉裂縫，墻體裂縫最寬達2 mm，外閃10 mm，圈梁有多道豎向裂縫，2道縱墻都有水平縫，構造柱也有水平縫；模型2-2的破壞，前縱墻裂縫一般為窗角裂縫延伸的斜向和豎向裂縫，且上至圈梁，后縱墻裂縫在寬墻面上中部有豎縫向下斜裂和中部一小段水平縫，后縱墻另一半和內橫墻(未畫出)未見裂縫，兩外山墻在木梁下有通長裂縫，軸1橫墻兩上角有裂縫，橫墻裂縫都延伸到圈梁，構造柱未見裂縫。

圖8 模型2-1裂縫分布Fig.8 Crack distributions of model 2-1

圖9 模型2-2裂縫分布Fig.9 Crack distributions of model 2-2

3 模型結構動力特性及彈性反應分析

3.1模型結構動力特性

模型振動臺試驗過程中，用白噪聲對每一級數的地震作用加載后的模型進行掃頻，目的是對模型動力特性的變化情況進行檢測。2個模型在各級地震加載后不同階段的基頻及阻尼比實測值如表6及圖10、11。

由圖10可見，2個模型的基頻隨激振強度的增大而衰減，模型2-1的X向頻率明顯小于Y向；模型2-2的X、Y向頻率大致相當，X向稍大于Y向；2個模型Y向基頻也大致相當，這表征兩模型結構特性的不同與其剛度的變化。由圖11可見，阻尼比隨激振強度增大而增大，這主要是因模型破壞加重所致。2個模型的阻尼比相差不大，因所用材料相同。

表5 模型2-2裂縫長度及寬度

表6 模型自振頻率和阻尼比實測值

圖10 模型自振頻率變化曲線Fig.10 Change curve of basic frequency

表7和表8列出在4種地震波輸入名義加速度峰值為0.1g、0.15g時，模型結構的彈性反應峰值加速度和與其相對應的基底峰值加速度的動力放大倍數，可見：

1)江油波在X向的結構反應比其他3種波要大得多。顯而易見，模型2-1的基頻為9.15 Hz，江油波的卓越頻率為9.9 Hz，兩者相接近，結構反應就大。而El-Centro波反應譜的峰域區距模型結構基頻較遠，其結構動力放大倍數就小，為1.15，還不到江油波的一半；在Y向，江油波反應雖仍最大，但不如X向，因其兩者頻率不如X向那樣接近，在Y向遷安波的反應次之，也可見其頻率較接近。所以，選擇輸入波對模型結構的振動臺試驗，是其成效的關鍵。

圖11 模型阻尼比變化曲線Fig.11 Change curves of damping ratio

3.2不同地震波下模型結構的彈性反應

2)模型2-2X向的結構反應，比模型2-1要小得多，動力放大倍數還不到模型2-1的70%，且X、Y向的動力放大倍數相當，表明模型2-2的原型縱橫向墻體的抗震能力相當，橫向抗震能力比模型2-1要強得多。

3)模型2-1的動力放大倍數，尤其是X向，固然與頻率有關，同時還能看到，3個測點的反應，中部比東、西兩端要大得多，而模型2-2反而要小些，這雖與測點放在墻體和柱頂有關，但不利的是，木屋蓋約束不了縱橫墻的出平面變形，加大了中部的動力反應。從圖8和圖9的裂縫分布明顯可見，由于出現平面變形，縱墻出現兩端的斜裂縫、中下部的水平縫、墻頂的豎向斜縫。

表7 模型彈性階段X向加速度反應

表8 模型彈性階段Y向加速度反應

3.3加速度反應和動力放大倍數

兩個模型在各級地震動輸入時，結構上3個測點記錄到的加速度峰值列于表9和表10中，表中還列出了這3個測點的均值，及其與基底加速度峰值的比值，即動力放大倍數。

圖12 (a)～(d)分別繪出了這2個模型橫向(X)和縱向(Y)結構反應加速度與基底加速度峰值的關系。這2個模型的關系曲線差異甚大，從3個測點的平均值曲線可見，模型2-1呈二次曲線，而模型2-2近直線，這表明兩個模型結構的振動特性不同。模型2-1可似為單層空曠房屋，兩端有山墻的兩跨排架，在墻體破碎前，中間振幅變形大于兩端，加速度也大于兩端，這從圖12(a)、(b)明顯可見。在圖12(b)中還可看到，后縱墻測點(東北墻角)加速度小于開門窗的前縱墻(西南墻角)，顯然，模型2-1存在扭轉效應。而圖12(c)中模型2-2增加了內橫墻，改變了結構體系，在墻體明顯開裂前，3道剛性橫墻上的3個測點差異甚小，中間測點的加速度峰值要稍小一點，這是角部有局部效應，故反而稍大一點。但從圖12(d)所見，中間測點仍大于兩角，表明增加的內橫墻對非剛性木屋蓋，抗側力作用不大。從墻體裂縫形態也顯而易見，模型2-1縱墻裂縫由出平面振動所致使。

模型結構加速度反應的動力放大倍數，與輸入地震波的譜特性、結構的動力特性及其破壞程度密切相關。從圖13所見動力放大倍數的趨勢，在彈性階段初期是上升的，這與結構和譜特性有關；其后，模型2-1的放大倍數隨墻體開裂的加劇而衰減，且在彈性階段到初裂，模型2-1的動力放大倍數大于模型2-2；模型2-2的橫向動力放大倍數，加載過程均在1.5左右；模型2-2縱向在結構反應為0.3g時(名義輸入為0.5g～0.6g)，模型墻體初裂，放大倍數曲線有個高跳。

表9 模型破壞階段X向加速度反應

表10 模型破壞階段Y向加速度反應

3.4模型結構位移反應

2個模型測得的橫向(X)和縱向(Y)層間位移列于表11、12。層間位移與基底加速度峰值的關系曲線見圖14。由圖表可見，有內橫墻的模型2-2的橫向層間位移只有模型2-1的15%，進一步看到2個模型結構類型的不同，結構的振動反應不同，這也進一步表明模型2-2的抗震性能比模型2-1要好。2個模型縱向層間位移都比橫向小得多，尤其是模型2-1。由于層間位移值是兩大數相減所得的小數，離散較大。

圖12 模型屋頂加速度峰值變化曲線Fig.12 Change curves of model roof’s acceleration peak

圖13 模型動力放大系數變化曲線Fig.13 Change curves of model dynamic magnification coefficient

圖14 模型層間位移變化曲線Fig.14 Change curves of model’s storey displacement

表11 模型2-1位移反應

表12 模型2-2位移反應

4 結論

1)相比于模型2-1，模型2-2設置了構造柱圈梁抗震體系，增加了內橫墻，且用打包帶網內外加固，試驗過程中表現出了較好的抗震性能，這對擬建民居和已建民居的加固都具有重要借鑒意義。對于傳統空曠民居，新建時不應采用無內橫墻方案，加固時宜增加內橫墻；而對于有內橫墻，且采用構造柱圈梁抗震體系的民居，這種房屋本身抗震能力就很強，對于新建民居可不需再用打包帶網加固，在高烈度區其抗震能力是可滿足的，而對已建民居可以用低價的打包帶網加固，并要用高強度砂漿抹面使之成整體。

2)2個試驗模型由于在實驗室施工，施工質量比較好，而且所用砂漿強度也較高；打包帶網加固制作也比較致細，對模型2-2墻體的傷害不大；承重墻體與屋蓋檁條的連接，試驗模型用搭接和下面墊板方式，但仍在連接的部位出現裂縫，屋蓋體系的產生整體性震害。結構的木梁與木柱的連接，木柱與基礎的連接，模型加工過程中均采用了加強措施，試驗沒有產生破壞。這些連接部位在大量村鎮民居建筑中都應加強，并注重施工質量的監督，這也是建筑抗震抗倒措施的重要的部分。

3)西藏自治區拉薩市當雄縣擬建的傳統建筑形式的60 m2民居，采用構造柱圈梁抗震體系增強，可達到村鎮建筑9度抗震設防目標，基本符合建筑抗震三水準設防的要求。當再增加內橫墻改變結構體系，更有利于抗震。如若房屋墻體再用打包帶網加固，抗震抗倒的能力更強，地震安全性更得以保障。

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本文引用格式：周強，陳珊，孫柏濤，等. 高烈度區構造柱圈梁抗震體系砌體平房振動臺試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(10): 1650 -1660.

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Shakingtabletestofasingle-storymasonrystructurewithaseismicsystemofconstructionalcolumnandringbeaminahigh-intensityseismicregion

ZHOU Qiang1, CHEN Shan2, SUN Baitao2, YANG Yucheng2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China)

This paper aims to research the aseismic performance of a single-story concrete block house that applies the aseismic system of constructional column and ring beam; this house is built in housing projects for farmers and herdsmen in the highly seismic region of Dangxiong, Tibet. This paper also discusses the influence of cross wall and packing belt reinforcement on the house. Shaking table tests of two one-third-scale models were conducted. Two models used a single-story masonry structure; one had no inner cross wall, and the other one had an inner cross wall and was reinforced with packing belts. The dynamic characteristics and aseismic response of models were evaluated under different earthquake levels. Results indicate that the building with the aseismic system of constructional column and ring beam can reach the IX degree seismic fortification goal of rural buildings and accord with the three-level requirement for seismic fortification of buildings. Earthquake resistance ability can improve with the addition of an inner cross wall or through reinforcement with a packing belt net. The results can provide a referential basis for seismic strengthening, design, and construction of comfortable housing projects for farmers and herdsmen in Dangxiong.

high-intensity seismic region; aseismic system of constructional column and ring beam; shaking table test; comfortable housing project of farmers and herdsmen; concrete block; masonry structure; aseismic strengthening; packing belt; Jiangyou seismic wave

10.11990/jheu.201609043

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20170816.1550.040.html

TU317.1 TU362 TU746.3

A

1006-7043(2017)10-1650-11

2016-09-13. < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期：2017-08-16.

國家自然科學基金項目(51608249)；江西省重點研發計劃項目(20161BBG70058)；南昌大學中青年教師出國研修計劃項目.

周強(1983-), 男, 講師，博士.

周強，E-mail:zhouqiang@ncu.edu.cn.