村鎮(zhèn)隔震砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗方案設(shè)計研究1

鄭　瑤　侍雪雷　王毅紅　張又超　靳　娜（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061）

村鎮(zhèn)隔震砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗方案設(shè)計研究1

鄭瑤侍雪雷王毅紅張又超靳娜
（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061）

鄭瑤，侍雪雷，王毅紅，張又超，靳娜，2016.村鎮(zhèn)隔震砌體結(jié)構(gòu)振動臺試驗方案設(shè)計研究.震災(zāi)防御技術(shù)，11（2）：297—305. doi：10.11899/zzfy20160212

為使鉛芯橡膠支座隔震技術(shù)應(yīng)用于村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)，將隔震層設(shè)置于地坪以上，本文給出了隔震構(gòu)造的具體做法。選取典型村鎮(zhèn)2層未設(shè)構(gòu)造柱的磚砌體結(jié)構(gòu)房屋為試驗原型，按1:2縮尺，設(shè)計有隔震層和無隔震層的振動臺對比試驗。首先采用反應(yīng)譜分析方法，對隔震和非隔震結(jié)構(gòu)分別選取三條地震波，然后通過數(shù)值分析，研究隔震和非隔震結(jié)構(gòu)在輸入不同地震波時的地震反應(yīng)規(guī)律，根據(jù)數(shù)值模擬的分析結(jié)果設(shè)計結(jié)構(gòu)振動臺試驗中的傳感器布置和加載方案。本文設(shè)計的砌體隔震振動臺試驗方案已試驗成功，可為振動臺試驗設(shè)計和研究提供參考。

砌體結(jié)構(gòu)鉛芯橡膠支座隔震構(gòu)造試驗方案振動臺試驗有限元模擬傳感器布置

引言

磚砌體結(jié)構(gòu)是我國農(nóng)村新建住宅的主要結(jié)構(gòu)形式，若在村鎮(zhèn)低矮砌體結(jié)構(gòu)房屋中采用隔震技術(shù)，可大幅度提高村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)在地震中的安全性。橡膠墊隔震技術(shù)在國內(nèi)外已研究和應(yīng)用多年，在多高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已日趨成熟。顏學(xué)淵等（2009）進行了高層結(jié)構(gòu)三維基礎(chǔ)隔震抗傾覆試驗研究，開發(fā)了一種三維隔震抗傾覆支座，并對其進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，該支座具有良好的穩(wěn)定性和較強的可靠性，可抵抗8度罕遇烈度地震。張文芳等（2000）進行了九層房屋基礎(chǔ)隔震的試驗、分析及應(yīng)用研究，論述了多層房屋基礎(chǔ)隔震體系的隔震效果和隔震的可靠性。金光輝等（2004）通過工程實例說明了隔震設(shè)計在高層建筑中的應(yīng)用效果，對施工安裝質(zhì)量提出具體要求并進行了經(jīng)濟分析。耿方方等（2011）進行了宿遷某高層剪力墻住宅基礎(chǔ)隔震設(shè)計方法研究，隔震層采用天然橡膠和鉛芯橡膠隔震支座的組合隔震形式，結(jié)果表明，地震作用下兩種隔震支座充分發(fā)揮了其隔震性能，上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)明顯降低，并且隔震層在罕遇地震下工作狀態(tài)穩(wěn)定，滿足抗震規(guī)范要求。然而，目前隔震技術(shù)在村鎮(zhèn)低矮房屋中實際應(yīng)用方面的研究暫未取得突破性進展。研究一種適用于村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)民居的且經(jīng)濟效益高、施工方便、構(gòu)造簡單的隔震技術(shù)和構(gòu)造，對于推廣隔震技術(shù)的應(yīng)用，提高我國村鎮(zhèn)民居的抗震能力具有實際的意義。

本文針對一種將鉛芯橡膠隔震支座設(shè)置于地坪以上的新型隔震構(gòu)造（王毅紅等，2015；2014），選取了典型村鎮(zhèn)二層砌體結(jié)構(gòu)為試驗原型，設(shè)計了隔震和非隔震房屋砌體結(jié)構(gòu)模型的對比試驗（黃維平等，2001；呂西林等，1993；張敏政，1997；趙作周等，2010；中華人民共和國建設(shè)部，2011；2010；2001），采用SAP2000對隔震和非隔震結(jié)構(gòu)模型輸入不同地震波，并進行有限元數(shù)值分析（周穎等，2012；2003；張敏政等，2003），根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計了振動臺試驗方案。

1　原型結(jié)構(gòu)選取和設(shè)計

村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)民居多為1—2層，選取2層未設(shè)置構(gòu)造柱的帶門窗洞口的單開間房屋為研究對象。平面尺寸為4.5m×3.9m，層高3.3m，窗洞1.5m×1.8m，門洞0.9m×2.1m。墻厚240mm，采用MU10磚，M7.5水泥砂漿砌筑。樓、屋面板采用120mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土。在房屋四角設(shè)置鉛芯橡膠隔震支座，隔震層在地坪以上，上托梁在門洞口處斷開，在門兩側(cè)設(shè)置相同豎向剛度的滑移支座，房屋平面及隔震支座布置見圖1，支座由西安達盛隔震技術(shù)有限公司制作。

圖1　房屋平面及隔震支座布置圖（單位：mm）Fig.1　Building plane and isolation bearing arrangement （unit:mm）

根據(jù)洞口跨度及荷載選取過梁截面b×hb=240mm×120mm，縱筋選用28，箍筋采用6@150。樓板長短跨方向配筋均為8@150。上托梁高450mm，寬300mm。上托梁和下托梁之間設(shè)置隔震層，下托梁設(shè)置在基礎(chǔ)以上，頂面高出室內(nèi)外地坪450mm。

2　模型設(shè)計與施工

2.1模型相似系數(shù)的確定

振動臺試驗在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室進行，振動臺臺面尺寸為4m×4m，最大載重量30t。

根據(jù)振動臺的臺面尺寸和負(fù)載要求，選用全配重的1:2縮尺模型，運用量綱分析法，首先確定長度相似系數(shù)SL=1/2、彈性模量相似系數(shù)SE=1和豎向應(yīng)力相似系數(shù)Sσ=1，再推導(dǎo)出其他量的相似系數(shù)（表1）。縮尺后的模型尺寸為2.25m×1.95m×3.3m，墻厚為120mm，上托梁截面150mm×225mm，下托梁截面150mm×225mm，過梁截面120mm×60mm，樓板厚度60mm。凝土采用C30。

表1　滿配重相似關(guān)系Table 1　Full weight similarity relation

本試驗采用原型磚，及保留原型磚厚度方向的尺寸進行切割加工而成的模型磚，三類砌筑磚如圖2（a）所示，尺寸分別為240mm×115mm×53mm、120mm×115mm×53mm、60mm×115mm×53mm。磚墻砌體采用一順一丁的砌筑方式，模型墻體為原型墻體厚度的1/2，如圖2（b）。

圖2　模型磚尺寸及墻體砌筑方式Fig.2　Size and wall masonry method of model bricks

2.2模型設(shè)計與施工

有限元分析表明，隔震支座位移超限先于上部結(jié)構(gòu)的破壞，因此試驗設(shè)計為隔震試驗完成之后廢除結(jié)構(gòu)隔震層，再進行無隔震層的砌體結(jié)構(gòu)抗震振動臺試驗，以便將無隔震層與加設(shè)隔震層砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能進行對比。在開展隔震模型施工時，首先澆筑模型底座及下托梁，澆筑下托梁過程中應(yīng)預(yù)埋隔震支座的下預(yù)埋板，待底座養(yǎng)護28天后進行隔震支座的安裝和上托梁的澆筑。墻體砌筑到門窗高度時澆筑混凝土過梁，樓、屋面板澆筑完畢養(yǎng)護28天后再澆筑混凝土配重塊。在開展非隔震模型施工時，首先是將隔震縫的上下面鑿毛，用素混凝土填實，將隔震層廢除，再用膨脹螺栓將角鋼的兩肢分別與上下托梁可靠固定，使基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)成為整體。

3　模型有限元分析

采用SAP2000對隔震砌體模型和非隔震砌體模型進行有限元模擬分析。在建立計算模型時，墻體和樓板采用薄殼單元進行模擬，網(wǎng)格劃分后，經(jīng)網(wǎng)格尺寸驗證，取150mm×150mm較為合理?？v橫墻交界處采用自動邊約束來保證單元之間的變形協(xié)調(diào)。隔震和非隔震砌體結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分如圖3、4所示，C30混凝土和HPB300鋼筋的材料本構(gòu)模型如圖5、6所示。

圖3　隔震砌體模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.3　Isolation constitutive model and themeshing densities

圖4　非隔震砌體模型及網(wǎng)格劃分Fig.4　Without-isolation masonry model and the meshing densities

圖5　混凝土本構(gòu)模型Fig.5　Constitutive model of concrete

圖6　鋼筋本構(gòu)模型Fig.6　Constitutive model of steel

3.1地震波的選取

該結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的場地類別為第Ⅱ類，地震分組為第二組，根據(jù)場地類別和地震分組確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計反應(yīng)譜，將地震波原始信息轉(zhuǎn)換為地震波反應(yīng)譜。利用SAP2000模擬結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，得出結(jié)構(gòu)第一周期振型參與質(zhì)量達97%，選擇模型第一周期點處地震波反應(yīng)譜的包絡(luò)值與設(shè)計反應(yīng)譜值相差不超過20%的地震波。各地震波選取過程如表2所示，所有α值為歸一化后數(shù)值。

表2　地震波的選取Table 2　Seismic wave selection process

續(xù)表

隔震結(jié)構(gòu)最終選定唐山東西向波、江油92南北向波兩條天然波及一條西安地區(qū)人工合成波，非隔震砌體最終選定El-centro波、松藩波兩條天然波及一條西安人工合成波作為振動臺臺面激勵。

3.2結(jié)構(gòu)分析

加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)是地震反應(yīng)的主要表現(xiàn)。采用SAP2000對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析，對隔震結(jié)構(gòu)分別施加0.4g地震荷載，依次輸入唐山波、人工波、江油波；對非隔震結(jié)構(gòu)分別施加0.4g地震荷載，依次輸入Elcentro波、人工波、松藩波。得到結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)如圖7、8，位移反應(yīng)如圖9、10。

圖7　隔震加速度反應(yīng)Fig.7　Acceleration response with isolation

圖8　非隔震加速度反應(yīng)Fig.8　Acceleration response without isolation

由隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)可知，由于有隔震支座的作用，上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)有明顯減小，位移反應(yīng)明顯增大，結(jié)構(gòu)受力大幅減弱。在一層樓板高度處，隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)趨勢發(fā)生改變，非隔震結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)加劇，此高度處受力較復(fù)雜。由于混凝土樓板的作用，在輸入唐山波時隔震結(jié)構(gòu)一層樓板高度處位移發(fā)生突變，非隔震結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)趨勢發(fā)生變化。在結(jié)構(gòu)頂部，加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)對于不同地震波的離散性較大，也最為劇烈。在各層1/2墻高處，墻體距離支承邊較遠(yuǎn)，加速度反應(yīng)和位移反應(yīng)趨勢有所改變。

圖9　隔震位移反應(yīng)Fig.9　Displacement response with isolation

圖10　非隔震位移反應(yīng)Fig.10　Displacement response without isolation

隔震結(jié)構(gòu)當(dāng)輸入0.51g的地震荷載時，隔震層最大位移為56mm，當(dāng)輸入0.62g地震荷載時，隔震層最大位移達到59mm，接近隔震支座的極限位移60mm，故隔震結(jié)構(gòu)的承載能力為0.62g，相當(dāng)于烈度為9度的罕遇地震。為避免隔震層位移過大發(fā)生整體傾覆，隔震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗應(yīng)加載到0.62g為止。

4　傳感器布置

根據(jù)模型分析結(jié)果以及模型的尺寸條件，傳感器的實際布置位置如下。

4.1加速度傳感器

加速度傳感器采用PCB型系列3801GFB3G/30AY加速度傳感器，最大加速度測量范圍±3g，頻率范圍為0—500Hz，橫向靈敏度為1%。

根據(jù)有限元分析結(jié)果顯示，通過監(jiān)測模型底座、樓面和屋面可以看出模型的整體加速度反應(yīng)，故在上下托梁、一層和二層樓板四邊中心布置加速度傳感器，由于正面開門處上托梁被打斷，故在上托梁門洞兩側(cè)放置加速度傳感器，共17個，由于南北立面有門窗，故只在東西立面每層1/2墻高處布置加速度傳感器，共4個，總計21個加速度傳感器，具體編號及位置如圖11、12。

4.2位移傳感器

位移傳感器采用891型位移傳感器，有效量程有100mm，頻率范圍1—80Hz。

圖11　南（北）立面加速度計布置圖Fig.11　The south（north）facade accelerometer arrangement

為測量模型底座的實際位移軌跡，在模型底座中心沿兩個相互垂直方向（X，Y）布置位移傳感器VX1、VY1。為監(jiān)測隔震支座的位移和上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在上托梁對角各沿兩個相互垂直方向（X，Y）布置位移傳感器VX2、VY2、VX4、VY4。為監(jiān)測一層和二層樓板高度處的位移，在樓面和屋面放置位移傳感器，由于樓面和屋面澆筑有配重塊，在配重塊與樓板的角部沿兩個相互垂直的方向（X，Y）布置位移傳感器，一層樓板布置位移傳感器VX3、VY3，二層樓板布置位移傳感器VX5、VY5。試驗中總共布置10個位移傳感器，具體編號及位置如圖13。

圖12　東（西）立面加速度計布置圖Fig.12　The east（west）facade accelerometer arrangement

圖13　位移計布置圖Fig.13　Displacement meter arrangement

5　試驗加載方案

5.1地震波的調(diào)整

對結(jié)構(gòu)進行水平X向、Y向地震波交替輸入，不考慮豎向地震波作用。為了使模型結(jié)構(gòu)在輸入地震波時，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)由小到大，將各地震波在第一周期點處各方向上的值按X:Y=1:0.85加權(quán)求和，按求和值從小到大確定地震波的輸入順序。隔震結(jié)構(gòu)地震波輸入順序依次為：西安人工波、唐山東西向波、江油92波；非隔震結(jié)構(gòu)地震波輸入順序依次為：El-Centro波、西安人工波、松藩波。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、加速度相似系數(shù)和時間相似系數(shù)對地震波的振幅和持時進行調(diào)整。試驗用地震波調(diào)整結(jié)果如表3。

表3　試驗用地震波信息Table 3　Experimental site seismic information

5.2試驗加載工況

試驗加載工況按照設(shè)防烈度為6度、7度、8度和9度的順序依次進行水平X向、Y向交替加載，對應(yīng)的峰值加速度分別為0.05g、0.10g、0.20g和0.40g。每個峰值加速度下依次輸入所選地震波。在該組地震動輸入前后，對模型進行白噪聲掃頻。為了研究隔震支座在特大地震中的隔震效果，特增加8.5度和9度罕遇地震加載工況，對應(yīng)的峰值加速度分別為0.51g和0.62g。

本文設(shè)計的砌體隔震試驗?zāi)Ｐ?，已在振動臺上經(jīng)歷了試驗全過程，試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的模型取得了預(yù)期效果。

6　結(jié)論

（1）本文研究得到的砌體結(jié)構(gòu)房屋隔震和抗震振動臺試驗方案已實施并得到了預(yù)期效果，表明通過SAP2000對模型進行軟件模擬，確定地震波的選取、傳感器的測點位置和試驗加載方案的方法具有合理性和有效性。

（2）本文采用反應(yīng)譜分析方法，為隔震和非隔震結(jié)構(gòu)分別選取兩條天然波和一條共用的西安地區(qū)人工波，并對第一周期點處各方向反應(yīng)譜值進行加權(quán)求和，按地震響應(yīng)由小到大確定了地震波輸入順序。研究表明，為有利于進行對比試驗的分析，在振動臺試驗地震波的選取過程中，應(yīng)盡量選取一條共用的地震波。

（3）本文采用SAP2000對隔震和非隔震結(jié)構(gòu)進行模型分析，分析得知結(jié)構(gòu)的樓板位置和1/2墻高位置受力和變形情況較復(fù)雜，隔震結(jié)構(gòu)的上下托梁相對位移較大，其承載能力為0.62g。為合理確定試驗中傳感器的設(shè)置位置和加載方案，對結(jié)構(gòu)模型進行有限元數(shù)值分析是必要的且有效的手段。

耿方方，李愛群，張志強，2011.宿遷某高層剪力墻住宅基礎(chǔ)隔震設(shè)計方法研究.江蘇建筑，6：16—19.

黃維平，王連廣，2001.人工質(zhì)量在磚混結(jié)構(gòu)振動臺試驗中的作用.地震工程與工程振動，21（3）：99—103.金光輝，張凌云，2004.隔震設(shè)計在高層建筑中的應(yīng)用.建筑科學(xué)，20（4）：19—21.

呂西林，周德源，1993.砌體結(jié)構(gòu)墻體模型振動臺試驗及其動力相似關(guān)系.工程抗震與加固改造，（3）：12—16.

王毅紅，靳娜，孫藝嘉等，2015.橡膠隔震支座應(yīng)用于村鎮(zhèn)低矮砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能及構(gòu)造設(shè)計.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，32（5）：1—7.

王毅紅，張又超，樊琨等，2014.村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)疊層橡膠支座隔震試驗研究.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，36（2）：15—20.

顏學(xué)淵，張永山，王煥定等，2009.高層結(jié)構(gòu)三維基礎(chǔ)隔震抗傾覆試驗研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，30（4）：1—8.

張文芳，程文，李愛群等，2000.九層房屋基礎(chǔ)滑移隔震的試驗、分析及應(yīng)用研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，21（3）：60—76.

張敏政，1997.地震模擬實驗中相似律應(yīng)用的若干問題.地震工程與工程振動，17（2）：52—58.

張敏政，孟慶利，劉曉明，2003.建筑結(jié)構(gòu)的地震模擬試驗研究.工程抗震與加固改造，（4）：31—35.

趙作周，管樺，錢稼茹，2010.欠人工質(zhì)量縮尺振動臺試驗結(jié)構(gòu)模型設(shè)計方法.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，31（7）：78—85.

周穎，呂西林，2012.建筑結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗方法與技術(shù).北京：科學(xué)出版社.

周穎，盧文勝，呂西林，2003.模擬地震振動臺模型實用設(shè)計方法.結(jié)構(gòu)工程師，（3）：30—33.

中華人民共和國建設(shè)部，2011.砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50033—2011）.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國建設(shè)部，2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

中華人民共和國建設(shè)部，2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50011—2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

Experiment Scheme Design for Rural Isolation Masonry Structure with Shaking Table

Zheng Yao，Shi Xuelei，Wang Yihong，ZhangYouchao and JinNa
（School of Civil Engineering，Chang'an University，Xi'an 710061，China）

In order to apply isolation techniques of lead rubber bearing into the rural masonry structure，and to set the isolation layer in the floor above，we present the concrete practice of isolated structure in this paper.A two-layer typical dwelling house of the rural masonry structure without constructional column was selected as the experimental prototype.The shaking table tests with isolation layer and without isolation layer were designed by 1:2 scale.Three seismic waves were selected for isolated and non-isolated structures by response spectrum analysis method.Then the seismic response rule of isolated and non-isolated structures were studied with different seismic waves input through the numerical analysis.The sensor layout plan and loading schemes in shaking table test were designed according to the results of the numerical simulation analysis.The design scheme of shaking table test has been tested successful.It can provide references for design and research of shaking table test.

Masonry structure；Lead rubber bearing；Isolation structure；Test scheme；Shaking table test；Finite element simulation；Sensor placement

科技部“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計劃項目（2014BAL06B00）及陜西省工程標(biāo)準(zhǔn)《村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)民居隔震技術(shù)規(guī)程》編制項目（陜建函〔［2013］768號）共同資助

2015-11-10

鄭瑤，男，生于1983年。長安大學(xué)建筑工程學(xué)院博士研究生。主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail：175233935@qq.com

侍雪雷，男，生于1992年。長安大學(xué)建筑工程學(xué)院碩士研究生。主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail：1019817555@qq.com