考慮SSI效應的設圈梁構造柱農村民居振動臺試驗研究

尹志勇　 孫海峰　景立平　董瑞　徐琨鵬

摘要： 設圈梁構造柱是提高農村民居整體抗震性能的重要措施之一。文章以設圈梁構造柱的砌體結構形式農村民居為對象開展了考慮土－結構相互作用（SSI）的振動臺試驗，試驗的結構模型采用1/4縮尺比例制作，并放置在地基土模型之上。地震波選取為1條天然地震波和2條人工地震波，輸入的地震波幅值分別為0.1g（7度）、0.2g（8度）0.4g（9度）。試驗結果表明：0.4g（9度）地震作用下，結構模型僅縱墻的門窗洞口四角出現細微裂縫，破壞狀態為基本完好，說明設圈梁構造柱的農村民居抗震性能良好;隨著地震作用增大，結構模型的加速度放大系數呈逐漸減小的趨勢，層間位移反應呈緩慢增大的趨勢;當地震作用較大的時候，應適當考慮SSI效應對土層到結構加速度傳遞系數具有一定程度降低的影響。

關鍵詞： 砌體結構; 圈梁; 構造柱; SSI效應; 振動臺試驗

中圖分類號： TU375.3文獻標志碼：A 文章編號： 1000－0844（2023）04-0826-09

DOI：10.20000/j.1000－0844.20220624001

Shaking table test of rural buildings with ring beams and structural columns considering soil－structure interaction effect

YIN ZhiyongSUN Haifeng3， JING Liping2， DONG Rui2， XU Kunpeng2

Abstract：? The setting of ring beams and structural columns is an important measure to improve the overall seismic performance of rural buildings. In this study， a series of shaking table tests considering soil－structure interaction （SSI） was performed on rural buildings with ring beams and structural columns. The 1/4 scaled model of the structure used in the test was manufactured and placed on a foundation soil model. One natural and two artificial seismic waves were selected， and the input seismic amplitudes were 0.1g （7－degree）， 0.2g （8－degree）， and 0.4g （9－degree）. The test results showed that under the action of a 0.4g （9－degree） earthquake， only slight cracks were induced around the corners of doors and windows of the longitudinal wall， and the failure mode was intact， indicating good seismic performance of rural buildings with ring beams and structural columns. With the increase in the seismic action， the acceleration amplification coefficient of the structural model decreased gradually， while the response of the story drift gradually increased. When the seismic intensity is high， the influence of the SSI effect on the acceleration transfer coefficient from the soil layer to the structure should be appropriately considered.

Keywords： masonry structure; ring beam; structural column; SSI effect; shaking table test

0 引言

2008年的汶川地震［1］、2010年的玉樹地震［2］、2013年的蘆山地震［3］對沿地震帶大部分地區的建筑結構造成了不同程度的損壞，而農村地區的建筑結構遭受到的破壞程度最為嚴重。這幾次地震都發生在我國西部地區，而我國西部地區是我國經濟較落后的地區。盡管國家西部大開發的政策使西部地區經濟有了大的發展，但西部地區的經濟發展、科技水平仍落后我國東部發達地區。農村地區的經濟條件差、農民抗震意識不夠，房屋大都自建，基本處于不設防狀態，房屋抗震性能普遍較差，是歷次地震造成農村地區災害損失巨大的原因所在。

近年來，為了提高農村民居的抗震性能，我國各級政府有關部門推出了地震安全農居工程等相關政策，專家學者們針對提高農村民居的抗震性能也提出了一些方法，比如采用圈梁構造柱等抗震構造措施或采用隔震加固措施等。為了驗證圈梁構造柱等抗震構造措施的實際抗震效果，學者們主要從試驗和數值模擬兩個方面開展了大量的工作。

試驗方面的研究工作主要通過擬靜力試驗和振動臺試驗兩種手段來開展，但大多數學者采用擬靜力試驗手段，采用振動臺試驗手段相對較少。擬靜力試驗方面，學者們主要針對帶圈梁構造柱措施的墻體開展抗震性能分析［4－12］。振動臺試驗方面，學者們對帶圈梁構造柱的完整結構模型開展試驗，如：肖建莊等［13］對再生混凝土砌塊的“構造柱－圈梁－現澆板”體系砌體結構模型開展了振動臺試驗，結果表明該體系可抵抗所在地區設防烈度下的地震作用，整體抗震性能較好。曹萬林等［14］開展了異形保溫砌塊帶構造柱砌體房屋與普通保溫砌塊砌體房屋的振動臺對比試驗，結果表明異形保溫砌塊帶構造柱砌體房屋延性更好，綜合抗震能力更高。王海飆等［15］的研究結果表明，圈梁、構造柱以及水平拉結筋構成的約束體系對砌體墻的約束作用非常明顯。熊立紅等［16］針對設置構造柱與圈梁的新疆安居房屋模型開展了1/2大比例尺振動臺試驗，結果表明設置構造柱和圈梁是提高砌體房屋抗倒塌能力的一種有效措施。單玉川等［17］在底層局部框架的典型混合結構體系農居進行振動臺模型試驗基礎上，建議合理布置底層構造柱來提高該類農居抗震能力。周強等［18］通過振動臺試驗研究了圈梁構造柱抗震體系的單層混凝土砌塊房屋的抗震性能，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。

在數值模擬方面學者們通過有限元建立模型對帶構造柱圈梁的砌體結構進行分析，大部分的研究結果均表明圈梁構造柱構造措施可有效約束住墻體，提高砌體結構的延性，增強砌體結構的整體性與抗倒塌性能［19－26］，但對局部破壞影響不大［27］。

綜上所述，學者們通過試驗和數值模擬手段開展了大量工作，研究成果表明砌體結構設置圈梁構造柱抗震措施可有效約束墻體，提高結構的延性，增強砌體結構抗震性能。但振動臺模型試驗方面的成果相對較少，且振動臺試驗中考慮SSI效應近乎空白。鑒于此，本文以設圈梁構造柱的農村民居為對象，通過開展考慮SSI效應的振動臺試驗，考察地震作用下設圈梁構造柱的農村民居的破壞情況，分析地震作用下設圈梁構造柱的農村民居的地震反應規律。

1 振動臺試驗

1.1 試驗設備

文中振動臺試驗在中國地震局工程力學研究所地震模擬實驗室完成，振動臺系統和模型土箱是振動臺試驗的關鍵試驗設備。振動臺試驗采用的振動臺系統和模型土箱如圖1所示。振動臺系統采用電液伺服三向振動臺，擁有6個自由度，臺面尺寸為5 m×5 m，臺面容許的最大承載力為300 kN。模型土箱采用疊層剪切型模型箱［28］，其尺寸為3 700 mm（長）×2 400 mm（寬）×1 700 mm（高），由15層口字形鋼管框架疊合而成，框架之間可以自由滑動，可以較好地解決振動臺試驗中模型箱的邊界效應問題，已多次應用到振動臺試驗中［29－31］。

1.2 模型相似設計

試驗模型包括地基土模型和結構模型。土體是一種非常復雜的材料，常加速度條件下的振動臺試驗，土體的重力相似關系很難滿足。目前，土－結構相互作用振動臺試驗中，大都只考慮結構部分的相似設計而忽略土體的相似關系［32－34］。因此，文中振動臺試驗地基土模型不考慮土體的相似關系，結構模型采用欠人工質量模型近似滿足結構地震反應的相似規律。結構模型的原型選取為農村地區的一層磚砌體結構房屋，設有構造柱、圈梁等抗震措施，平面尺寸為7 200 mm（長）×5 700 mm（寬），房屋高度為3 300 mm，外墻厚度為370 mm，內墻厚度為240 mm。根據張敏政的一致相似律理論［35］，在結構模型的相似比設計中，選取長度、彈性模量和密度為三個基本量。由于振動臺及疊層剪切箱的尺寸限制，長度相似比Sl取1/4。砌體結構模型的磚墻材料與原型結構一致，彈性模量相似比SE取1;在模型配重不影響結構剛度前提下，采用欠人工質量模型［35］。結構原型的重量約為80.69 t，結構模型的重量約為1.82 t，設置人工質量約為0.75 t，密度相似比Sρ取2。結構模型相似關系如表1所列。

1.3 模型制作

結構模型包括主要包括磚墻、構造柱、圈梁、屋面板和過梁。原型結構的磚塊采用燒結普通磚，強度等級為MU10，其尺寸為235 mm（長）×115 mm（寬）×45 mm（高），模型結構的磚塊在原型結構磚塊基礎上在長、寬方向按長度相似比的比例切割，而厚度方向考慮到施工工藝的限制按1/2的比例切割，切割后模型結構磚塊的尺寸為55 mm（長）×26 mm（寬）×21 mm（高）。構造柱、圈梁、屋面板、過梁采用微粒混凝土澆筑，結構模型制作過程如圖2所示。結構模型平面尺寸根據長度相似關系縮尺，為1 800 mm（長）×1 425 mm（寬），總高度為825 mm，其平面圖和立面圖如圖3所示。

地基土模型的土體選取為某施工場地的粉質黏土，其天然密度為1.88 g/cm3，含水率為17.3%，內摩擦角為26.36°，黏聚力為37.61 kPa，通過動三軸試驗得到的地基土剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ 隨剪應變變化曲線如圖4所示。地基土模型在土箱內采用分層壓實法完成，地基土的總厚度為1 000 mm，結構基礎埋深為200 mm。具體做法如下：（1）采用分層壓實法制作1 000 mm厚的地基土，分層夯實，刮毛，每層地基土厚度為200 mm;（2）對地基土進行自由場試驗，保證地基土趨于密實;（3）挖出結構基礎位置的地基土預留給結構模型;（4）吊裝結構模型至地基土上，并回填地基土。

1.4 傳感器布置

振動臺試驗中主要用到加速度傳感器和位移傳感器，傳感器的布置情況如圖5所示。加速度傳感器采用了兩種類型，第一種為壓電式IEPE三向加速度傳感器，布置在結構模型，用SA表示;第二種為壓電式IC單向加速度傳感器，布置在地基土模型中，用A表示。位移傳感器為SW－3型拉線相對式位移傳感器，布置在結構模型和模型土箱外框上，用D表示。

1.5 地震波及加載制度

根據原型結構所在場地類別，選取天然地震動El－Centro波南北分量以及兩個人工波作為輸入地震動，對模型進行水平激勵。輸入地震動的加速度時程曲線和傅里葉譜如圖6所示。對模型依次輸入峰值為0.1g（7度）、0.2g（8度）、0.4g（9度）的地震動，每個加速度峰值下分別輸入El－Centro波南北分量、人工波1、人工波2，試驗開始前和每級地震動加載結束后分別輸入幅值為0.07g的白噪聲進行掃頻來考察結構模型的自振頻率變化，地震波加載次序如表2所列。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞現象

地基土模型在加載完成后，并未發現明顯破壞。結構模型在0.1g（7度）和0.2g（8度）地震作用下產生不同程度的振動，但未出現肉眼可見的裂縫;在0.4g（9度）地震作用下，結構模型振動劇烈，橫墻無肉眼可見裂縫，縱墻的門窗洞口四角出現了細微裂縫，并沿著灰縫表面發展。根據《建（構）筑物地震破壞等級劃分》［36］中建筑物破壞等級劃分的宏觀描述，可以推斷結構模型在經歷0.4g（9度）地震作用后仍基本完好，說明設有圈梁構造柱的新建農村民居在經歷0.4g（9度）地震作用后表現出良好的抗震性能。結構模型和地基土模型在地震荷載加載完成后的破壞情況如圖7所示。

2.2 結構動力特性

試驗前后及每一級荷載加載結束后，對試驗模型輸入白噪聲進行掃頻，得到結構模型在輸入方向的一階自振頻率如表3所列。可以看出，試驗前結構模型的自振頻率為19.5 Hz，結構模型自振頻率在加載至0.2g（8度）之前基本沒有變化，0.4g（9度）地震作用之后結構模型自振頻率略有下降。結合結構模型震害分析原因，加載初期地震作用相對較小，結構模型未出現裂縫，0.4g（9度）地震作用后，結構模型開始出現裂縫，結構剛度發生退化，結構自振頻率的衰減變化與試驗中結構模型破壞的情況吻合。

2.3 加速度反應

圖8為試驗模型每一測點位置的加速度放大系數，其中0.0 m為地表處的測點，0.0 m以下為地基土各深度處的測點，0.0 m以上為結構模型基礎和屋面板處的測點。從圖中可發現，隨著地基土埋深的減小，地基土層中加速度放大系數隨之增大;隨著地震作用增大，結構模型的加速度放大系數呈逐漸減小的趨勢，這是由于結構模型在各級地震作用下，結構損傷累積使結構剛度逐漸下降和阻尼比增加，導致結構加速度反應增長減緩。

值得注意的是，0.1g（7度）地震作用時，地表處到結構基礎的加速度放大系數呈增大趨勢，而0.2g（8度）、0.4g（9度）地震作用時，地表處到結構基礎的加速度放大系數基本呈減小趨勢。為了描述地表處到結構基礎的加速度放大系數的變化程度，定義結構基礎的加速度與地基土地表處的加速度比值為加速度傳遞系數TA，即

TA=A1／A2 （1）

式中：A1為結構基礎的加速度;A2為地基土地表處的加速度。

表4為不同地震作用下的加速度傳遞系數。從表中可以看出，0.1g（7度）地震作用時，地基土地表處到結構基礎的加速度傳遞系數大于1，在0.2g（8度）、0.4g（9度）地震作用時，地基土地表處到結構基礎的加速度傳遞系數逐漸減小，且基本都小于1，即隨著地震作用增大，加速度傳遞系數逐漸減小。這是由于隨著地震作用增大，結構與土之間的動力相互作用越強烈，土體的變形耗能越多，導致土層向結構基礎的加速度傳遞系數逐漸降低。這說明當地震作用較大時，應適當考慮SSI效應對土層到結構的加速度傳遞系數具有一定程度降低的影響。

2.4 層間位移反應

圖9為結構的基礎與屋面板之間的層間位移反應。從圖中可以看出，在前兩級地震激勵作用下，結構的層間位移基本上呈線性增大趨勢;在0.4g（9度）地震作用下，結構的層間位移增大趨勢較前兩級地震激勵作用時變緩，導致層間位移變化呈非線性增大趨勢，即隨著地震作用的增大，結構模型的層間位移也隨之逐漸增大，但增長趨勢逐漸變緩，總體呈非線性增大的趨勢。結合試驗的破壞現象和結構加速度傳遞系數分析，產生上述現象的原因主要是：一方面，隨著地震作用增大，從土層傳遞到結構基礎的加速度傳遞系數逐漸減小;另一方面，當0.4g（9度）地震作用時，結構模型出現了損傷。

3 結論

本文對設圈梁構造柱的砌體結構農村民居縮尺模型開展了考慮SSI效應的振動臺試驗，并對不同地震作用下模型的震害現象及地震反應規律進行了分析，得到以下結論：

（1） 0.4g（9度）地震作用下，結構模型僅縱墻的門窗洞口四角出現細微裂縫，破壞狀態為基本完好，說明設圈梁構造柱的農村民居抗震性能良好。

（2） 隨著地震作用增大，結構損傷累積使結構剛度逐漸下降和阻尼比增大，且土層傳遞到結構基礎的加速度傳遞系數逐漸減小，結構模型的加速度放大系數呈逐漸減小的趨勢，層間位移反應總體呈非線性增大的趨勢。

（3） 地震作用越大，結構與土之間的動力相互作用越強烈，土體的變形耗能越多，從土層向結構基礎的加速度傳遞系數越小。當地震作用比較大的時候，應適當考慮SSI效應對土層到結構的加速度傳遞系數具有一定程度降低的影響。

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Classification of earthquake damage to buildings and special structures：GB/T 24335—2009［S］.Beijing：Standards Press of China，2009.（本文編輯：賈源源）

收稿日期：2022-06-24

基金項目：湖南文理學院博士科研啟動項目（21BSQD39）;中國地震局地震科技星火計劃攻關項目（XH16010）;中國地震局工程力學研究所基本科研業務費專項資助項目（2017B10）;湖南文理學院大學生創新性試驗計劃項目（YB2120）;湖南文理學院大學生創新性訓練計劃項目（XDC202266）

第一作者簡介：尹志勇（1993-），男，博士，講師，主要從事巖土地震工程、工程結構抗震研究。E－mail：iemyzy@163.com。