某鋼榫結(jié)構(gòu)房屋地震模擬振動臺試驗研究

周年強，施衛(wèi)星，歐陽郁汀，陳興華

(1.同濟大學(xué)　土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092；2.南京林業(yè)大學(xué)　土木工程學(xué)院，

江蘇　南京210037；3.蘇州寶獅窗業(yè)有限公司，江蘇　蘇州　215100)

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某鋼榫結(jié)構(gòu)房屋地震模擬振動臺試驗研究

周年強1,2，施衛(wèi)星1，歐陽郁汀1，陳興華3

(1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092；2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，

江蘇南京210037；3.蘇州寶獅窗業(yè)有限公司，江蘇蘇州215100)

摘要：鋼榫連接的新型集成房屋榫卯節(jié)點受力復(fù)雜，很難通過理論計算和有限元軟件分析來評估結(jié)構(gòu)抗震性能。對蘇州某公司設(shè)計、生產(chǎn)的一棟單層鋼榫結(jié)構(gòu)集成房屋進(jìn)行了足尺結(jié)構(gòu)地震模擬臺試驗，通過對試驗現(xiàn)象的觀察和試驗數(shù)據(jù)的分析，證實鋼榫節(jié)點強度較高，連接可靠，在地震中無損傷，整體結(jié)構(gòu)具有抵抗9級及以上大地震考驗的能力，可以適用于高烈度地區(qū)。

關(guān)鍵詞：鋼榫結(jié)構(gòu)；振動臺試驗；足尺結(jié)構(gòu)試驗

鋼榫連接是一種新型的鋼結(jié)構(gòu)連接形式，它借鑒了木結(jié)構(gòu)的榫頭連接形式，而又不顯著降低連接部位的強度，并具有一定轉(zhuǎn)動和延性特性。相比較傳統(tǒng)的焊接和純螺栓構(gòu)造，具有設(shè)計簡單，加工方便，現(xiàn)場施工強度低，可更換的特點。采用鋼榫結(jié)構(gòu)的集成房屋以傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)為設(shè)計依據(jù)，將鋼構(gòu)件與木板材相結(jié)合，是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。目前國內(nèi)尚未見到針對此類結(jié)構(gòu)的動力試驗的相關(guān)報道[1-2]，也沒有針對鋼榫結(jié)構(gòu)集成房屋的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，針對集成房屋的計算和設(shè)計僅有與鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，考慮到該建筑中大量采用的套筒形式，極端情況下可能表現(xiàn)出高度非線性的特點，且木板材與鋼構(gòu)件的連接特點等因素都決定了鋼榫結(jié)構(gòu)的集成房屋采用傳統(tǒng)的理論計算和軟件分析是很難準(zhǔn)確評估其抗震性能的。借助地震模擬振動臺試驗，可以較為真實地反映鋼榫結(jié)構(gòu)集成房屋在各類地震作用下的動力響應(yīng)，進(jìn)而研究其抗震性能。

1試驗對象及設(shè)備

1.1　試驗對象

由蘇州某公司提供的本次試驗研究對象為一間3000mm×2000mm×2600mm(長×寬×高)的鋼榫結(jié)構(gòu)集成足尺房屋(實為整棟房屋其中的一間)，房屋具體尺寸如圖2所示。

1.2　試驗設(shè)備

本試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室進(jìn)行，該實驗室對模型結(jié)構(gòu)的限高為8m，吊車最大吊重為15t。MTS模擬地震振動臺臺面尺寸為4m×4m，最大荷重為250kN，可對試驗對象進(jìn)行X、Y、Z三方向六自由度的激振，激振類型可為簡諧振動、沖擊、地震激勵等，振動臺工作頻率范圍為0.1～50Hz，X、Y、Z方向的臺面最大位移分別為±100、±50、±50mm，X、Y、Z方向的最大速度分別為±1000、±600、±600mm/s，X、Y、Z方向的空臺最大加速度分別為±4.0、±2.0、±4.0g。數(shù)據(jù)采集采用MTS496數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，96通道，采樣頻率100kHz，信號放大100～5000倍，頻響0～500Hz。加速度傳感器采用頻響范圍為0.1～50Hz壓電式加速度傳感器，位移傳感器采用拉線式位移傳感器。采用應(yīng)變片測量關(guān)鍵部位的應(yīng)變數(shù)值。

1.3　試驗方法

由MTS模擬地震振動臺施加各類型地震作用，根據(jù)地震反應(yīng)評價結(jié)構(gòu)的抗震性能。主要測試內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)各部分的加速度反應(yīng)、位移反應(yīng)、臺面輸入加速度、關(guān)鍵部位應(yīng)變等。

由于本次試驗對象為足尺結(jié)構(gòu)，因此各項相似系數(shù)均為1，屋內(nèi)地面固定鋼板重量為12kN(G=2m×3m×2kN/m2=12kN)模擬樓面荷載。

1.4　試驗測點布置

本次試驗主要采用三類傳感器，分別為壓電式加速度傳感器，拉線式位移傳感器和電阻應(yīng)變傳感器。分別監(jiān)測結(jié)構(gòu)主要部位的動力響應(yīng)，并通過攝像機記錄各試驗工況的影像資料。測點布置示意圖如圖3所示。

1.5　試驗工況

試驗激勵主要采用白噪聲和天然地震記錄，其中天然地震記錄采用El-Centro波、SanFernando波、Chichi波和上海人工波按照7度、8度到9度的順序進(jìn)行試驗，所對應(yīng)的加速度峰值分別為0.10、0.20、0.40g。試驗后期，根據(jù)試驗對象情況，增加了0.6、0.8、1.0g加速度的地震模擬響應(yīng)。

El-Centro波，為1940年5月18日美國IMPERIAL山谷地震記錄，持時53.73s；最大加速度：南北方向341.7cm/s2，東西方向210.1cm/s2，豎直方向206.3cm/s2；場地土屬Ⅱ～Ⅲ類，震級6.7級，震中距11.5km，屬于近震，原始記錄相當(dāng)于8.5度地震。SanFernando波，為1971年2月9日美國SanFernando地震記錄，持續(xù)時間49.39s；最大加速度：南北方向為137.86cm/s2，東西方向為238.83cm/s2，豎直方向為148.21cm/s2；場地土屬于Ⅱ～Ⅲ類，震級為6.4級，震中距40.5km，屬于近震，原始記錄相當(dāng)于8度地震。Chichi地震波，為1999年臺灣921集集大地震記錄。上海人工地震波SHW2，該地震波為《上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程》推薦的人工擬合的地震波。

1.6　試驗步驟

試驗加載工況按照7度、8度和9度的順序分三個階段對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬地震試驗。在不同水準(zhǔn)地震波輸入前后，對模型進(jìn)行白噪聲掃頻，測量結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特征參數(shù)。在進(jìn)行每個試驗階段的地震試驗時，由臺面依次輸入ElCentro波、SanFernando波、ChiChi波和SHW2波。地震波持續(xù)時間為原始記錄的長度，輸入方向分為X單向輸入和三向輸入，三向輸入時各加速速度峰值比為X:Y:Z=1:0.85:0.65。各水準(zhǔn)地震下，臺面輸入加速度峰值均按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行調(diào)整，以模擬不同水準(zhǔn)地震作用。

2試驗結(jié)果分析

2.1　試驗現(xiàn)象

由于由企業(yè)提供的房屋外表面附有裝飾層，試驗進(jìn)行中無法直接看到墻體、柱節(jié)點等結(jié)構(gòu)部位在試驗過程中出現(xiàn)的損傷情況，但經(jīng)仔細(xì)觀察其試驗現(xiàn)象主要如下：

(1)試驗過程中，隨著地震加速度增大，歷經(jīng)各工況，房屋外觀整體始終無明顯變形、散架等現(xiàn)象發(fā)生。

(2)房屋的局部部件無破壞。地震加速度達(dá)1.0g后，門窗依舊完好，并可以正常開啟和閉合，包括門窗套角等應(yīng)力集中處沒有脫膠、開裂或松動等現(xiàn)象發(fā)生。

(3)試驗過程中，沒有發(fā)現(xiàn)有固體樣碎渣、粉末等掉落，證明房屋材料沒有破碎現(xiàn)象發(fā)生，但大震過程有液體從房屋四邊墻體滴落，經(jīng)過確認(rèn)液體是運輸過程中，房屋墻體吸收的雨水，分析認(rèn)為雨水對房屋的抗震性能無影響。

表1　結(jié)構(gòu)自振周期及阻尼比

(4)在震動加速度達(dá)0.8g時，觀察到室內(nèi)放置的一把椅子傾倒，說明椅子受到了由房屋地板傳遞來的地震作用力十分強烈。

(5)試驗結(jié)束拆除裝飾層后，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件有明顯變形。

2.2　自振頻率和阻尼比

在白噪聲作用下，得到結(jié)構(gòu)各測點加速度傳感器測試信號，采用NExT-ITD法、有理式多項式法等多種模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)行分析和辨識，得到結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比和振型等動力特性[3-4]，如表1所示。雖然X向開有門窗洞口，但結(jié)構(gòu)在X方向的尺寸比Y向大，即結(jié)構(gòu)在繞Y軸的抗彎剛度強于繞X軸，整體表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的X方向頻率較Y向略大。其中，結(jié)構(gòu)的X向一階平動的自頻率在13.38～15.19Hz之間，Y向一階平動頻率在11.23～13.8Hz之間。各階頻率隨歷經(jīng)各級地震后呈緩慢下降趨勢，尤其是在0.1g地震加速度后頻率下降最為顯著。

阻尼比是反映結(jié)構(gòu)物耗能性能的重要指標(biāo)，從數(shù)據(jù)分析看，各項阻尼比變化較明顯，普遍隨地震破壞數(shù)值持續(xù)增加，提示結(jié)構(gòu)內(nèi)部有輕微損傷發(fā)生。

2.3　加速度反應(yīng)

結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)與地震波頻譜特征、結(jié)構(gòu)的自振周期以及結(jié)構(gòu)的阻尼比有關(guān)。圖4在X單向地震作用下，結(jié)構(gòu)不同高處的加速度放大系數(shù)。從圖中可以看出，同一工況下1樓樓頂反應(yīng)最大，底部最小。同一峰值下，總是SanFernando波的反應(yīng)最小，而EL-Centro波和上海人工波的反應(yīng)均較大，由地震動波譜中可以得知，EL-centro波和SHW2波主要能量涵蓋了1～15Hz的范圍，而SanFernando波能量主要集中在0～3Hz范圍，而結(jié)構(gòu)的自振頻率為11～15Hz，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期和地震波的主周期比較接近時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生類共振現(xiàn)象。

一般來說，隨著地震強度的增加，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的破壞后，結(jié)構(gòu)剛度逐漸退化、阻尼比增大，動力放大系數(shù)會逐漸降低。但本次試驗中，隨著地震動強度的增大，各點動力放大系數(shù)并未降低。處于較低高度的一樓地面的數(shù)值甚至后來略有增加。由此說明結(jié)構(gòu)隨歷經(jīng)較大震動，但未顯著破壞。

2.4　位移反應(yīng)

圖6為各測點相對于臺面的最大位移。從圖中可以看出：在0.4g加速度前，結(jié)構(gòu)基本保持整體穩(wěn)定；在0.6g后層間變形顯著增加；當(dāng)?shù)卣鸺铀俣葹?.0g時，結(jié)構(gòu)的最大位移反應(yīng)峰值小于20mm，即此時結(jié)構(gòu)的層間位移變形小于1/150，沒有超過GB50011-2010中對多高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值的規(guī)定。

2.5　墻骨柱應(yīng)力

隨地震強度增大，結(jié)構(gòu)柱腳位置對應(yīng)的X、Y應(yīng)變均增大，且X方向結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)峰值大于Y方向。根據(jù)鋼材型號Q235，其彈性模量為2.06×105N/mm2，屈服強度為235MPa，則屈服應(yīng)變?yōu)?140με，從表2、表3中可以看出最大應(yīng)變僅129με，大大小于屈服應(yīng)變，證明柱角部件仍舊處于彈性工作階段。由于四根柱角是整個房屋最重要的受力部位，負(fù)責(zé)承擔(dān)豎向重力、豎向地震作用，以及傳遞水平地震荷載的工作，它在試驗結(jié)束后，仍處于彈性工作階段，說明結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受地震加速度達(dá)到1.0g的地震影響。

表2　X單向地震作用下柱腳部位應(yīng)變反應(yīng)峰值/με

表3　XYZ三向地震作用下柱腳部位應(yīng)變反應(yīng)峰值/με

加速度大小方向工況號0.6g-XYZ三向0.8g-XYZ三向1.0g-XYZ三向26EL27SAN28CHI30EL31SAN32CHI34EL35SAN36CHI傳感器編號101754454120649612995113102283234454646507380

2.6　結(jié)構(gòu)的抗震能力評估

以上對鋼榫結(jié)構(gòu)各種地震反應(yīng)的分析表明：在歷經(jīng)各級地震后，房屋的外觀基本完好，無明顯破損；房屋的結(jié)構(gòu)主頻出現(xiàn)了12～19%的下降，考慮到結(jié)構(gòu)主體仍然完好，且最主要受力部位仍處于彈性階段，判斷主頻的下降是由于結(jié)構(gòu)的連接部位出現(xiàn)了松動導(dǎo)致，不影響房屋的正常使用。對試驗數(shù)據(jù)的分析表明：房屋結(jié)構(gòu)的剛度較大，其X向和Y向基頻約為13～15Hz(初始狀態(tài))，Z向約47Hz，較普通房屋高。避開了大多數(shù)地震的能量最集中的低頻部分，房屋本身能有效抵抗地震帶來的影響。房屋在試驗中的各項性能指標(biāo)均處于規(guī)范限值以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，本研究認(rèn)為與本試驗對象類似的鋼榫結(jié)構(gòu)集成房屋能夠滿足我國規(guī)范的8度抗震設(shè)防要求。

3結(jié)論

1)作為結(jié)構(gòu)主要特點的鋼榫連接部位在地震中保持完整，震后檢查外觀完好，無破損和殘余變形，數(shù)據(jù)分析顯示所有接觸件均處于彈性變形范圍，證明該連接形式是安全可靠的，甚至富有余量。

2)該足尺“單層鋼榫結(jié)構(gòu)集成房屋”可以有效抵御1.0g地震加速度的破壞，并整體完好無損。作為整棟大房屋的一個單間，本次試驗房屋的結(jié)論可以作為衡量整棟房屋的抗震性能的參考。

3)基于地震發(fā)生的概率和經(jīng)濟性的考量，建議生產(chǎn)單位可以適當(dāng)削減材料用量，在有效降低房屋建造成本的同時而不損失安全性。

4)考慮地震對房屋內(nèi)部設(shè)施的影響，建議使用減震隔震新技術(shù)，如通過橡膠支座、阻尼器等裝置隔離、消耗地震能量，有效降低地震發(fā)生時對房屋內(nèi)部人員和家具等設(shè)施的影響。

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(特約編輯李軍)

Shakingtableteststudyofanintegratedhousewithsteel

mortise-tenonconnection

ZHOUNian-qiang1,2,SHIWei-xing1,OUYANGYu-ting1,CHENXing-hua3

(1.ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction，CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,

Shanghai200092,China;2.CollegeofCivilEngineeringofNanjingforestUniversity,JiangsuNanjing21037,China;

3.SuzhouPorshsealUPVCWindowsCo.,Ltd.,JiangsuSuzhou215100,China)

Abstract：Asanewstructuraltype,theintegratedhousewithsteelmortise-tenonconnectionhashischaracteristictechnicalsuperioritysuchaseconomicalcost,simpledesign,modularproductionandconstruction.InvolvingcomplexstructurestressandmanydifficultiesinanalyzingbytraditionaltheoriesandFEMsoftware,itishardtodefineandassessseismiccapacityofthebuildings.SothispaperconsignedbyacompanyinSuzhoustudiedtheseismicbehaviorofintegratedbuildingsbystructuralmodelswithfullscaleonshakingtable.Throughsimulatedearthquaketestonashakingtable,thispaperanalyzedtheexperimentdataandphenomenon.Theresultsprovesthatthistypeofcompositejointhadhighstrengthandrigidity,andthehousecanresist9-magnitudeearthquakesandiswellsuitedtobedeployedinearthquakestrickenzones.

Keywords：steelmortise-tenonstructure;shaking-tabletest;full-scalestructuretest

中圖分類號：TU398.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0063-06doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.014

作者簡介：周年強(1980-)，男，安徽蕪湖人，博士，實驗師，從事結(jié)構(gòu)試驗與檢測技術(shù)等方面的研究。

收稿日期：2015-06-29