石結構滑移隔震縫力學性能試驗研究

江云帆，郭子雄,2，許秀林

(1.華僑大學土木工程學院，福建廈門，361021；2.福建省結構工程與防災重點實驗室，福建廈門，361021)

石結構房屋因其耐久性好、取材方便等優點而被廣泛應用于我國東南沿海村鎮地區。由于結構的材料和砌筑特點，大多數石砌房屋整體性和抗震性能較差[1-2]，在遭遇地震時存在重大安全隱患。已有關于石結構防災技術的研究，更多集中在對既有石結構建筑的加固[3-6]。為傳承石結構建筑文化，YE等[7-11]將現代加工技術應用于石砌體結構中，提出了CFRP筋嵌埋石梁板、機器切割砌筑石墻等新型石結構形式。為提高新型石砌結構房屋的整體抗震性能，急需研究造價低廉、隔震效果好且施工工藝簡單的石結構隔震技術。滑移隔震技術因構造簡單、造價低廉的特點而被應用于村鎮砌體結構。曹萬林等[12]提出了以石墨-玻璃絲布板-石墨為隔震層界面，以鋼筋為限位裝置的隔震體系，并開展了單層滑移隔震砌體房屋的振動臺試驗，發現隔震體系能有效降低房屋的加速度響應。YEGIAN等[13-14]提出了以高強無紡土工織物-超高相對分子質量的聚乙烯為隔震層界面的基礎滑移隔震體系與土壤滑移隔震體系，并通過往復加載試驗對界面的摩擦性能進行了研究，結果表明界面動摩擦因數約為0.07，豎向壓應力、滑動速度和滑動距離對界面動摩擦因數影響不大。NANDA 等[15]提出了以無紡土工織物-大理石為隔震層界面的純摩擦隔震體系，并開展了1/2縮尺單層滑移隔震砌體房屋與固定基礎房屋的振動臺對比試驗，試驗結果表明，隔震房屋屋頂的絕對加速度響應較固接支座房屋下降了65% 左右。AHMAD等[16]對以粗干砂為隔震層的再生砂漿砌筑單層砌體房屋進行了振動臺試驗，發現干砂層隔震效果良好，實驗中耗散了超過70%的輸入地震能量。劉毅等[17]提出了以新型青銅基復合材料-鍍鉻不銹鋼板為摩擦界面的抗拔摩擦擺支座，并對設有該支座的大跨空間廠房有限元模型進行了地震反應分析，結果表明隔震支座能降低網殼桿件55%～80%的內力。2008 年汶川地震中，綿竹市一幢砌體結構房屋表現出了較周邊建筑更好的抗震性能。這是由于在地震作用下，在房屋墻基處灰縫形成了1條貫通內外墻的水平裂縫，產生了類似滑移隔震的效果。基于此實際地震中的隔震現象，并根據機器鋸割條石尺寸統一的特點[10]，本文作者提出一種適用于石砌房屋的滑移隔震縫技術方案。通過開展不同隔震縫雙剪試件的低周反復加載試驗研究不同界面形式隔震縫的力學性能。

1 隔震體系及試驗概況

1.1 石結構滑移隔震體系

石結構滑移隔震體系如圖1所示。該體系具有以下特點：隔震縫直接設置于石墻底部第一與第二皮條石間，無需專門設置隔震基礎或托梁。界面采用間隔支墩式布置形式，每一塊條石相當于1個支墩，施工時只需保證每個支墩處滑移面水平。與傳統連續條帶式布置形式相比，施工工藝更為簡單。

1.2 試驗設計

滑移隔震雙剪試件由3塊機器鋸割條石疊放而成，上下皮條石的長×寬×高為590 mm×200 mm×200 mm，中間皮條石的長×寬×高為800 mm×200 mm×200 mm。試件特征及幾何尺寸如圖2 所示。滑移隔震縫設置于條石間，采用鋼板-料石和雙層鋼板2種界面形式。界面所采用鋼板為拋光不銹鋼板，通過結構膠粘貼于條石表面。所采用結構膠為環氧樹脂植筋膠，具有耐久性、耐腐蝕性、耐酸堿性強的特點。

鋼板-料石試件研究參數包括鋼板尺寸和隔震縫平均豎向壓應力，雙鋼板試件研究參數包括隔震縫平均豎向壓應力和界面潤滑狀態。潤滑狀態包括摩擦界面間未涂抹潤滑劑(簡稱未潤滑)、僅在隔震縫一組摩擦界面間涂抹二硫化鉬潤滑劑(簡稱半潤滑)、摩擦界面間均涂抹潤滑劑(簡稱全潤滑)。試件共8個，具體參數見表1。

1.3 加載和量測方案

試驗加載裝置如圖3所示。為防止試件在加載過程中發生平面外的偏移，在中間皮條石及水平作動器兩側設有側向限位滾軸。

圖1 石結構滑移隔震體系Fig.1 Stone structure sliding isolation system

圖2 試件特征及尺寸Fig.2 Dimensions and details of the specimens

表1 試件參數Table 1 Parameters of the specimens

圖3 加載裝置示意圖Fig.3 Diagram of loading setup

豎向荷載由豎向液壓伺服作動器施加，通過上壓鋼墊板均勻施加于試件上表面，其值根據試件壓應力水平確定，并在加載過程中保持恒定。水平荷載通過水平液壓伺服作動器施加于中間皮條石。水平加載采用位移控制，按10，20，30，和40 mm位移幅值加載，各幅值循環3 次，如圖4所示。

圖4 加載制度Fig.4 Loading protocol

分別測量水平、豎向荷載和隔震縫水平滑移位移。水平和豎向荷載通過液壓伺服作動器的拉壓傳感器測量，中間皮料石位移通過布置于料石前后兩側的激光位移計(LDT)測量。支座位移通過布置于上下皮料石側面的電子位移計(LVDT)測量。試件位移計布置見圖3，試驗數據由DH3816N 數據采集儀和計算機全程采集并記錄保存。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

鋼板-料石試件界面損傷特征見圖5。由圖5可見：加載結束時，鋼板面局部產生了若干劃痕，如圖5(a)所示；料石面局部產生了若干劃痕及黑色印記，如圖5(b)所示。其原因是受限于加工技術精度，鋼板及石材表面難以保證完全平整，界面間為局部不平整接觸，接觸面發生磨粒磨損進而產生劃痕。同時，由于往復摩擦過程中局部接觸面溫度較高，不銹鋼板界面部分融化并涂抹于石材表面進而產生黑色印記。

雙鋼板未潤滑試件界面損傷特征見圖6。由圖6可見：加載結束時，鋼板面局部產生了若干條狀刻痕。由金屬摩擦黏著理論可知[18]，這是由于同種材料摩擦副摩擦時，其熔焊節點強度通常比底材的高，導致破裂發生在金屬主體中，進而產生較深的刻痕。

雙鋼板潤滑試件界面損傷特征見圖7。由圖7可見：加載結束時，二硫化鉬仍分布于鋼板表面，如圖7(a)所示；擦除潤滑劑后，鋼板表面未產生可見磨損，如圖7(b)所示。這是由于涂抹潤滑劑后，界面由干摩擦變為流體摩擦，摩擦主要發生在潤滑劑內部，從而避免了鋼板界面產生磨損。半潤滑試件的未潤滑鋼板界面破壞特征與未潤滑試件的相似，潤滑鋼板界面破壞特征與全潤滑試件的相似。

圖5 鋼板-料石界面損傷特征(試件SSP-S1)Fig.5 Damage details of steel plate-stone interface

圖6 未潤滑鋼板界面損傷特征(試件DSP-1)Fig.6 Damage details of unlubricated steel plate

圖7 潤滑鋼板界面磨損特征(試件DSP-3)Fig.7 Damage details of lubricated steel plate

2.2 水平荷載-位移曲線

試件水平荷載-滑移位移曲線如圖8 所示。由圖8可知：1)所有曲線形狀均近似為長方形，具有庫侖摩擦模型的特征。2)當荷載較小時，曲線剛度很大，界面近似處于附著狀態；當荷載大于靜摩擦力時，界面進入滑動狀態。3)處于滑動狀態時，雙鋼板未潤滑試件及半潤滑試件荷載有較大波動，這主要是因為摩擦過程中未潤滑鋼板界面發生了磨損。

2.3 摩擦因數

2.3.1 靜摩擦因數

界面開始滑動所需的切向力為起滑力，其與豎向壓力的比值為靜摩擦因數。本文取試件剛度明顯開始退化點處對應荷載為起滑力。各試件第一循環正向荷載-位移骨架曲線如圖9 所示，各試件靜摩擦因數見表2。由表2 可知：1)鋼板-料石試件靜摩擦因數為0.28～0.46，離散性較大，說明受限于加工精度，界面粗糙度離散性較大，界面起滑力難以控制。2)雙鋼板未潤滑、半潤滑和全潤滑試件的靜摩擦因數分別為0.22，0.17和0.12左右，說明涂抹潤滑膏可顯著降低界面靜摩擦因數。3)豎向壓應力對雙鋼板全潤滑試件靜摩擦因數影響較小。

2.3.2 動摩擦因數

動摩擦因數及其穩定性是衡量界面適用性的重要參數。過大的摩擦因數將導致隔震縫只有在極大地震激勵下才發揮作用，同時將導致隔震縫滑動時傳遞至上部結構的地震力過大。過小的摩擦因數將導致隔震縫滑移位移過大，進而增加建造成本。JAMPOLE 等[19]的研究表明隔震縫動摩擦因數約為0.18 較合理。摩擦因數在往復滑動過程中的不穩定增長將降低隔震縫隔震效果，且將增大隔震結構設計的復雜程度。

圖8 試件荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of specimens

鋼板-料石試件各循環平均動摩擦因數如圖10所示。由圖10可知：1)試件摩擦因數離散性較大，平均動摩擦因數為0.55～0.73。豎向壓應力和鋼板尺寸對試件動摩擦因數的影響無明顯規律，這是因為受限于加工技術的精度，界面粗糙度離散性較大。2)各試件第一循環平均動摩擦因數為0.31～0.55，最后1個循環增大至0.68～0.77，說明界面摩擦性能不穩定。這是因為磨損導致局部接觸界面粗糙度在往復摩擦過程中逐漸增大。3)大鋼板-料石試件和小鋼板-料石試件的動摩擦因數分別在加載6 個和3 個循環后趨于穩定，說明鋼板面積越小，界面摩擦性能越易趨于穩定。4)不同壓應力下同種尺寸鋼板-料石試件動摩擦因數趨于穩定所需的加載循環次數相同，表明豎向壓應力對摩擦性能的穩定性基本無影響。由以上分析可知，鋼板-料石界面摩擦因數和離散性較大，摩擦性能不穩定，不適用于石結構滑移隔震技術。

圖9 第一循環正向荷載-位移骨架曲線Fig.9 Positive load-displacement skeleton curves in the first loading cycle

表2 不同試件靜摩擦因數對比Table 2 Static friction coefficient comparison of different specimens

圖10 鋼板-料石試件各循環平均動摩擦因數Fig.10 Average sliding friction coefficients of steel platestone joints in each loading cycle

雙鋼板試件各循環動摩擦因數如圖11 所示。由圖11 可知：1)雙鋼板未潤滑、半潤滑和全潤滑試件的平均動摩擦因數分別為0.30，0.20 和0.17，表明涂抹潤滑膏會降低界面動摩擦因數。2)隨著加載次數增加，未潤滑試件動摩擦因數由0.21 增大至0.38，明顯增大；半潤滑試件動摩擦因數略微增大，由0.17增大至0.25；全潤滑試件動摩擦因數基本不變，由0.15增大至0.17。這表明涂抹潤滑膏能有效提升雙層鋼板界面摩擦性能穩定性，這是因為潤滑劑能有效避免界面發生摩擦磨損。3)雙層鋼板全潤滑界面摩擦性能穩定，豎向壓應力及加載循環次數對其摩擦因數基本無影響，平均動摩擦因數為0.17，說明其適用于石結構滑移隔震縫。

圖11 雙層鋼板試件各循環平均動摩擦因數Fig.11 Average sliding friction coefficients of double layer steel plate joints in each loading cycle

2.4 耗能性能

試件的耗能能力采用等效黏滯阻尼系數ζeq進行評估。各試件在水平位移幅值20 mm 和40 mm下第一循環滯回環的等效黏滯阻尼系數見表2。由表2 可知：鋼板-料石界面耗能性能穩定，水平位移幅值、鋼板尺寸和豎向壓應力對其等效黏滯阻尼系數基本無影響；雙鋼板無潤滑和半潤滑試件等效黏滯阻尼系數隨位移幅值增加有所增大，這是由于磨損導致界面滑動摩擦力發生波動；雙層鋼板全潤滑試件耗能性能穩定，水平位移幅值和豎向壓應力對其等效黏滯阻尼系數基本無影響。

3 結論

1)鋼板-料石界面摩擦因數偏大，其靜摩擦因數和平均動摩擦因數分別為0.28～0.46 和0.55～0.73，且其摩擦性能不穩定，動摩擦因數在加載初期明顯增大，不適用于石結構滑移隔震縫。

2)采用二硫化鉬潤滑膏涂抹于雙層鋼板界面間不僅能有效降低其摩擦因數(未潤滑、半潤滑和全潤滑雙層鋼板界面的靜摩擦因數分別為0.22，0.17 和0.12，平均動摩擦因數分別為0.30，0.20 和0.17)，而且能提升界面摩擦性能穩定性(未潤滑、半潤滑和全潤滑界面加載過程中動摩擦因數的增量分別為0.17，0.08和0.02)。

3)雙層鋼板全潤滑界面摩擦因數較合理，其靜摩擦因數為0.12，平均動摩擦因數為0.17，且其摩擦性能及耗能性能穩定，適用于石結構滑移隔震縫。