磚墩強度對鋼筋-瀝青復合隔震層內力重分布影響的試驗研究

繆鵬偉 姚 菲 翟毅章

(河海大學 土木與交通學院， 南京 210098)

地震作為一種突發性的自然災害，給人們的生命財產造成了巨大的損失．而且，地震造成損失的大小常常與受災區域的經濟狀況有關．2008年的汶川大地震，造成大量砌體結構的倒塌以及不同程度的損壞[1，2]，直接受災面積達10萬平方公里．針對農村民居多為砌體結構，大多采用條形基礎的特點，尚守平課題組提出了一種適合農村民居的鋼筋-瀝青復合隔震層(Steel-Asphalt Composite Isolation Layer,以下簡稱SACIL)[3]．它具有抗豎向拉拔力強、造價低廉、隔震效果好、抗傾覆力強、安全儲備高等優點，具有廣闊的應用前景．此外，尚守平等[4，5]還對SACIL的預制構件形式——隔震墩開展了一系列的試驗研究，為今后這種隔震技術的推廣做進一步的準備．

文獻[6，7]對SACIL進行了振動臺試驗，研究表明它具有很好的減震效果．文獻[8]給出了SACIL的受力模型與設計公式，該簡化模型認為豎向荷載和水平地震作用完全由鋼筋承擔，只考慮了鋼筋彈性階段的豎向承載力和水平剛度，未考慮磚墩的影響．基于文獻[9，10]可知，在小震或無震情況下，荷載主要由鋼筋承擔；而當水平地震作用較大時，SACIL的水平變形也較大，內力在鋼筋和磚墩之間發生了非線性內力重分布，導致SACIL的本構關系在小變形下存在本質差別，磚墩承受了大部分荷載，SACIL的最終破壞為磚墩的壓壞，因此，磚墩的承載力對SACIL的承載力有極大影響．

1 SACIL的基本原理

SACIL設置在上部結構和基礎之間．主要組成部分包括：鋼筋混凝土上梁和下梁、錨固于上梁和下梁之間的豎向鋼筋、布置在豎向鋼筋之間的磚墩以及灌注于磚墩之間的瀝青油膏．SACIL的結構形式如圖1所示．

圖1 SACIL結構形式

文獻[10]提出的考慮磚墩受力的SACIL計算模型如下：

在豎直方向：

Nb=N-Nscosθ

(1)

在水平方向：

F=Qs+Fs+Ff

(2)

該計算模型中，隨著x的增大，豎向荷載N與水平荷載F在鋼筋與磚墩之間發生重新分布，使得實際受力情況與僅考慮鋼筋受力的計算設計方法存在較大差異．本文通過低周反復荷載試驗[11]，研究磚墩強度對SACIL中內力重分布的影響．

2 SACIL的低周反復荷載試驗

2.1 試驗設計

取1 m長的條形基礎為試件的單位長度，設計制作了2個SACIL試件，試件形狀及尺寸如圖2所示．隔震層高度(即上下梁之間的凈距)為200 mm，每米隔震層分布有16根直徑8 mm的鋼筋．上部結構自重荷載為50 kN，由2個豎向千斤頂加載．試件參數見表1．

圖2 試件尺寸

試件編號a/mm磚墩種類磚墩抗壓強度/MPa4-b4燒結磚砌體3.064-c4混凝土普通磚砌體4.32

注：以4-b，4-c為例，試件編號“4”表示上梁與磚墩之間的豎向距離a為4mm，“b”表示磚墩，“c”表示混凝土普通磚砌體．

為了便于試件下梁固定在溝槽式反力基礎上，試件制作過程中將下梁兩端各多澆筑400 mm，并在澆注過程中用PVC管預留孔洞，以便吊運．試件設計的上梁尺寸為1 000 mm×240 mm×300 mm，下梁尺寸為1 800 mm×240 mm×300 mm．

2.2 試驗內容與加載測量方案

本試驗采用的是低周反復加載方式，水平推力由水平作動器提供，豎向荷載由豎向千斤頂提供．試驗裝置如圖3所示．為了考察SACIL在水平推力作用下，豎向鋼筋受力與水平位移之間的變化關系，在每根豎向鋼筋的中部貼了兩個應變片，SACIL豎向鋼筋的應變測點布置如圖4所示，用于實時觀測SACIL豎向鋼筋的應變變化情況，從而可以得知鋼筋的受力情況．

圖3 試件加載裝置 圖4 應變測點位置

2.3 試驗現象

總體來說，當隔震層水平變形較小時，豎向鋼筋發生較小幅度的擺動，磚墩與隔震層上梁之間開始產生相對位移．當隔震層水平變形較大時，部分磚墩開始發生破壞，這是由于施工誤差，磚墩上表面不完全在同一平面上，以及磚墩本身施工質量的差異，造成上梁并非同時接觸到每個磚墩，因此每個磚墩破壞不是同步的．試件的破壞情況包括砌體的整體受壓破壞、砌體的局部受壓破壞以及磚墩灰縫的剪切破壞，如圖5所示．

圖5 破壞現象

3 試驗結果及分析

3.1 豎向內力重分布試驗結果分析

根據所測出的鋼筋的應變[12]，可計算出每根鋼筋的軸力Ns．但是試驗過程中發現，每個計算單元受力并不均勻，這是由于試件長度所限，在水平推力下產生了傾覆力矩所致．鑒于實際工程中，條形基礎的長度遠遠超過試件的長度，在基礎中段的計算單元受力比較接近．故為了簡化分析問題，將所有計算單元的鋼筋受力求和，再求出平均值作為一個計算單元的鋼筋受力．而豎向總壓力N可以直接測出，由公式(1)可求出一個計算單元的磚墩的豎向受力Nb，從而繪制SACIL豎向力-位移曲線如圖6所示．為了便于比較，將各試件的鋼筋豎向力-位移曲線繪于圖7．

由圖6可知：試件4-b和4-c的力-位移曲線變化趨勢有相近之處，均分為4個階段．

階段1：水平段．此時磚墩尚未參與受力，鋼筋軸力的豎向分量Ns與豎向總壓力N基本接近，磚墩豎向壓力Nb為零．

階段2：鋼筋受壓上升段．此時磚墩開始參與受力，與鋼筋共同承受豎向壓力，此時Ns與Nb均為負值，表示磚墩與鋼筋均受壓．隨著水平位移的增大，磚墩分擔的壓力越來越多，鋼筋所承受的壓力則逐漸減小，直至Ns為零．

階段3：鋼筋受拉上升段．隨著隔震層水平位移的增大，鋼筋所受壓力逐漸減小，此時Ns由負值變成正值，表示鋼筋開始由受壓轉為受拉，Nb的絕對值已開始大于N．

階段4：下降段．此時磚墩已經發生破壞，喪失承載能力，Nb迅速下降，鋼筋受力也隨之下降．

圖6 SACIL豎向力-位移曲線

由圖7可知：試件4-c與4-b在的鋼筋豎向力-位移曲線變化趨勢接近，階段1與階段2之間的轉折點接近，其中4-b的鋼筋豎向力的峰值力明顯大于試件4-b．這是由于SACIL最終的破壞為磚墩的破壞，而試件4-c中磚墩的強度高于試件4-b．

圖7 兩個試件鋼筋豎向力-位移曲線對比圖

定義磚墩開始參與受壓時的水平位移值為x1，鋼筋受力為零時的水平位移值為x2，鋼筋受力達到峰值時的水平位移值為x3，數值列于表2．試件4-c的x1該試件由于施工誤差，導致上梁與個別磚墩之間的距離過小，因此比試件4-b提前發生了接觸．

表2 曲線關鍵點

3.2 SACIL水平內力重分布試驗結果分析

繪制SACIL水平力-位移曲線如圖8所示．

圖8 SACIL水平力-位移曲線

由圖8可得出如下結論：

1)當磚墩參與受力后，Qs+Nssinθ的曲線在Ff的下方，表明在整個受力過程中，水平力主要由磚墩與隔震層上梁之間的摩阻力Ff承擔．進一步說明了磚墩對鋼筋復合隔震層的影響是不容忽視的．

2)試件4-c的水平承載能力較試件4-b有所提高．進一步證實了磚墩的材料強度對SACIL水平承載力的影響．

3)從磚墩參與受力前后水平力的相對大小可知，磚墩參與受力之后，水平力迅速上升，隔震層水平剛度也迅速增加．說明鋼筋-瀝青復合隔震層與其他常規結構不同，變形較大時剛度不但不退化，反而上升，磚墩對隔震層的位移有限制作用．

4 結 論

1)擬靜力試驗結果表明：試件4-b和4-c的豎向受力過程可以分為4個階段，即水平段、鋼筋受壓上升段、鋼筋受拉上升段和下降段隨著磚墩與上梁之間距離的增加，磚墩與上梁發生接觸時的水平位移也隨之增加．

2)由于磚墩材料的不同，試件4-c的豎向與水平承載力大于試件4-b．

3)當磚墩參與受力后，水平力主要由磚墩與隔震層上梁之間的摩阻力Ff承擔．

4)鋼筋-瀝青復合隔震層與其他常規結構不同，變形較大時剛度不但不退化，反而上升，磚墩對隔震層的位移有限制作用．

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