兩種村鎮(zhèn)隔震結(jié)構(gòu)動力特性強震演變規(guī)律的振動臺試驗對比研究

鄒蕊月，郭軍林,2，李英民，袁 康,2，白宏思,2

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000;2. 石河子大學(xué)新疆兵團高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實驗室，新疆石河子832000; 3. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400015)

近年來，我國地震頻發(fā)，村鎮(zhèn)建筑損毀嚴重[1]，研發(fā)因地制宜的村鎮(zhèn)建筑實用抗震性能提升技術(shù)迫在眉睫，其中簡易的村鎮(zhèn)建筑隔震技術(shù)廣受關(guān)注。曹萬林[2-3]提出一種鋼筋-鋼珠基礎(chǔ)滑移隔震層，李英民[4]提出一種瀝青-砂滑移隔震層，Ahmad[5-6]研究了滑移層摩擦系數(shù)對基礎(chǔ)滑移隔震效果的影響，尚守平[7]提出了一種鋼筋-瀝青復(fù)合隔震層，Tsang[8]提出了廢舊輪胎橡膠-土混合隔震層隔震的概念。以上隔震技術(shù)皆可提升村鎮(zhèn)建筑抗震性能，也體現(xiàn)了村鎮(zhèn)建筑“因地制宜、就地取材、簡單有效、經(jīng)濟實用”的抗震原則[9]。

而在我國北方地區(qū)多同時處于高地震烈度區(qū)，以及氣候寒冷或嚴寒地區(qū)，村鎮(zhèn)建筑同時遭受地震及地基凍脹雙重災(zāi)害，砂墊層隔震技術(shù)及復(fù)合隔震技術(shù)在考慮消能減震的同時能與消除凍脹[10]相結(jié)合，適用性較強。在砂墊層隔震技術(shù)方面，竇遠明等[11]、李海濤[12]、鄒穎嫻[13]對砂墊層隔震性能進行了試驗研究，得到了各種因素對砂墊層隔震效果的影響規(guī)律。復(fù)合隔震技術(shù)發(fā)面，袁康等[14-17]提出一種將基底砂墊層和基礎(chǔ)滑移隔震相結(jié)合的砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震技術(shù)。

本文針對砂墊層及砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震技術(shù)，建立縮尺模型，與普通抗震結(jié)構(gòu)模型進行振動臺對比試驗，通過不同輸入地震強度下自振頻率、周期、阻尼比等動力特性強震演變規(guī)律對比研究，總結(jié)隔震結(jié)構(gòu)的工作機理，評價兩種隔震技術(shù)的隔震效果。

1 隔震構(gòu)造及機理

對于砂墊層隔震結(jié)構(gòu)而言，其構(gòu)造見圖1(a)，在基礎(chǔ)底部鋪設(shè)具有換填凍土和隔震功效的砂墊層，墊層的粒徑級配需滿足地基承載力和隔震的要求[18]。其隔震機理為通過砂墊層作為柔性地基對地震動輸入的內(nèi)部塑性變形耗能和阻尼耗能作用，減少上部結(jié)構(gòu)的地震能量輸入，減輕建筑結(jié)構(gòu)的損壞。

對于砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)，在上述砂墊層隔震構(gòu)造的基礎(chǔ)上，在室外地坪處設(shè)置中間鋪設(shè)滑移隔震層的基礎(chǔ)圈梁(上下兩層組成)，沿基礎(chǔ)梁長度方向每隔一定距離設(shè)置限位橡膠束貫穿上、下圈梁見圖1(b)。隔震機理為：在小震作用下，基礎(chǔ)滑移層未開始工作，僅砂墊層發(fā)揮隔震功效；在大震作用下，當(dāng)?shù)撞考袅Υ笥谏喜拷Y(jié)構(gòu)最大靜摩擦力時，兩層基礎(chǔ)圈梁中部的滑移層開始依靠摩擦滑移消耗能量，基礎(chǔ)圈梁一分為二，上部結(jié)構(gòu)隨上層圈梁一起整體滑動，橡膠束發(fā)揮限位作用，砂墊層和基礎(chǔ)滑移層形成串聯(lián)復(fù)合隔震體系共同消能減震，有效減輕上部結(jié)構(gòu)損傷。

2 振動臺試驗概況

本試驗在重慶大學(xué)多功能地震模擬振動臺試驗室進行，振動臺為美國MTS公司設(shè)計制造的三向六自由度模擬地震振動臺，試驗為對比模型試驗。

2.1 模型概況

模型按照新疆石河子市場地條件(8度0.2g區(qū))設(shè)計，包括3棟2層的砌體結(jié)構(gòu)房屋，分別為普通抗震結(jié)構(gòu)砌體房屋MA(Model of Aseismic Structure )、砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)砌體房屋MC(Model of Composite Isolation )及砂墊層隔震結(jié)構(gòu)砌體房屋MS(Model of Sand Cushion Isolation)?？紤]到村鎮(zhèn)自建房普遍存在構(gòu)造柱和圈梁布置缺失的現(xiàn)象，試驗中三種模型皆未設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱，以便對比隔震結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)在相同構(gòu)造措施下的抗震性能。

模型采用欠人工質(zhì)量模型，相似比取Sa=2.0，彈性模量相似常數(shù)取SE=1，按照1/4比例縮尺，見圖2。模型總高為1.575m，平面尺寸為1.725m×1.05m，女兒墻砌筑高度為150mm，墻體厚度為60mm，模型磚尺寸為56mm×53mm×25mm，灰縫厚度為2.5mm，樓板采用30mm厚預(yù)制板并配以雙層雙向8#@55鍍鋅鐵絲。

本試驗定義模型結(jié)構(gòu)縱墻方向為X向，橫墻方向為Y向，高度方向為Z向。

2.2 隔震措施

基礎(chǔ)滑移隔震層構(gòu)造：模型MC底部基礎(chǔ)圈梁為上、下兩層，分兩次澆筑而成，在上、下層圈梁接觸面布置滑移層。上、下圈梁(此模型下圈梁等同于下底板)分別制作，將橡膠束按照尺寸要求安置其中，橡膠束的規(guī)格為80 mm×30 mm×110 mm，橡膠束在圈梁中的布置見圖3。

砂隔震墊層構(gòu)造：有砂箱模型MC和模型MS，兩者區(qū)別在于模型MC為砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震模型，而模型MS為砂墊層隔震，未設(shè)置基礎(chǔ)滑移隔震層。

兩個模型所使用砂箱的作用為模擬砂墊層，便于試驗，二者上部結(jié)構(gòu)與砂墊層連接構(gòu)造措施為將下底板直接放置于砂墊層之上，見圖4。砂箱混凝土強度采用C40；砂箱底板厚度為150 mm，平面尺寸為2 950 mm×2 200 mm；砂箱側(cè)板高度取為410 mm，厚度為150 mm；砂箱四壁內(nèi)側(cè)及底部均粘貼20 mm厚苯板，砂礫粒徑采用5～10 mm河砂，與《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79-2012)》[18]中的粒徑要求滿足相似比。每隔100 mm厚分層碾壓壓實，并在試驗前進行靜載預(yù)壓7 d。有砂箱模型在振動臺臺面的布置見圖5。

圖2 模型建筑布置圖Fig.2 Architecture layouts of the model

圖3 基礎(chǔ)圈梁剖面圖Fig.3 Profile map of the foundation ring beam

圖4 模型上部結(jié)構(gòu)與砂墊層連接構(gòu)造Fig.4 Connection construction of the upper structure and sand cushion layer

圖5 有砂箱模型立面布置圖Fig.5 Elevations of the sand-box model

2.3 試驗方案

2.3.1加載工況

采用重慶大學(xué)研究開發(fā)的雙頻選波程序[19]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)[20]要求，選取2組天然波(El-Centro和PER00004)和1組人工波(簡稱ACC1)，試驗共進行了47個工況，出于篇幅考慮，且主要分析內(nèi)容為結(jié)構(gòu)動力特性，故本文選擇試驗中模型較為敏感(模型出現(xiàn)標(biāo)志性損傷現(xiàn)象)的El-Centro波及ACC1波，以及白噪聲工況進行分析，所分析的加載工況見表1。加載制度采用單向、雙向水平輸入混合式，各工況加載順序為：先天然波后人工波，先弱后強，激振方向為先水平X向后水平Y(jié)向最后水平雙向。每個激振工況施加完成后停歇觀察記錄，而后進入下一級加載。

2.3.2觀測方案

振動臺試驗中，采用加速度計、位移計和裂縫觀察儀等設(shè)備對模型加速度、位移以及裂縫發(fā)展等進行觀察和記錄。加速度計分別布置在底座、地基板、上圈梁及一、二層樓板頂?shù)腦、Y向，共30個，位移計分別布置在四個模型X向的地基板、一層樓板、二層樓板處，共11個。

表1 試驗加載工況

3 試驗現(xiàn)象

隨著地震輸入的增大，三種模型分別出現(xiàn)了不同程度的損傷，直至破壞(見圖6)，標(biāo)志性的裂縫發(fā)展工況如下。

圖6 模型破壞形態(tài)圖Fig.6 Failure modes of the model

1) 模型MA在工況S13(0.10g)時橫墻出現(xiàn)水平裂縫并迅速貫通，縱墻門窗角出現(xiàn)細微裂縫，模型輕微破壞；工況S28(0.30g)時模型縱墻墻角和橫墻角部出現(xiàn)大量裂縫，二層窗角破壞嚴重，模型嚴重破壞；工況S35(0.44g)時橫墻裂縫嚴重、縱墻窗邊裂縫發(fā)展迅速，模型瀕臨倒塌。

2) 模型MS直到工況S39(0.62g)無任何裂縫，模型完好無損；在工況S43(0.8g)模型橫墻突然發(fā)生貫穿斜裂縫，縱墻首層樓板上部出現(xiàn)水平裂縫，模型中度破壞；在工況S46(1.02g)模型窗間墻突然發(fā)生交叉裂縫，窗邊墻發(fā)生大位移錯位，墻角大面積坍塌，因模型橫墻發(fā)生剪切破壞退出工作。

3) 模型MC在工況S35(0.44g)前無任何裂縫，處于彈性狀態(tài)，到工況S36基底滑移層開始工作，出現(xiàn)細微裂縫，工況S39(0.62g)時滑移層裂縫四周貫通，工況S43(0.80g)時模型沿滑移層滑動，模型完好無損，工況S46(1.02g)時滑移層發(fā)生錯位，頂層出現(xiàn)裂縫，工況S47(1.24g)時破壞特征主要體現(xiàn)在頂層樓板與縱墻墻體的水平脫離和橫墻的斜裂縫破壞及頂層橫墻發(fā)生嚴重錯位使模型退出工作。

4) 模型MC模型在7度中震(0.44g)前結(jié)構(gòu)依靠砂墊層隔震及自身抗震，7度大震(0.62g)后結(jié)構(gòu)依靠滑移層滑移隔震，最終在9度大震(實際加速度為1.24g)退出工作，說明砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震技術(shù)具有較好的隔震能力，但模型整體性尚待加強，應(yīng)在考慮隔震的同時適當(dāng)設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱等增強結(jié)構(gòu)整體性的措施，模型MS在7度大震(0.62g)前，依靠砂墊層隔震，模型保持完好，隨后模型逐漸破壞，最終在8度大震(1.02g)時發(fā)生破壞退出工作，說明砂墊層隔震技術(shù)具有一定效果。

4 結(jié)構(gòu)的動力特性分析

根據(jù)模型裂縫發(fā)展情況，在試驗開始前和S13、S16、S21、S30、S35、S40、S43等工況后對模型結(jié)構(gòu)利用白噪聲掃描，每個白噪聲激勵工況完成后暫停試驗，進行觀察記錄。通過對激勵工況下各測點的加速度的頻譜特性、傳遞函數(shù)[21]進行分析，得到模型結(jié)構(gòu)的自振頻率、周期、阻尼比以及振型等。傳遞函數(shù)曲線峰值處對應(yīng)的頻率值即模型結(jié)構(gòu)的自振頻率，三種模型在標(biāo)志性工況下的傳遞函數(shù)曲線見圖7(圖中采用“模型-加載工況-加載方向”來描述，如“MA-S14-X”表示普通抗震結(jié)構(gòu)模型在工況S14下X向的傳遞函數(shù)曲線)，自振頻率見圖8。利用半功率法得到了三種結(jié)構(gòu)模型的阻尼比示于圖9。隨地震強度提高，頻率減小越慢，阻尼比減小過程越長，耗能效果越好。由于MS和MC為帶砂箱結(jié)構(gòu)，MA不帶砂箱，且在加載過程中砂墊層發(fā)揮隔震作用等因素，故不帶砂箱和帶砂箱結(jié)構(gòu)不能直接進行比較，下文分別進行論述。

圖7 三種模型標(biāo)志性工況下的傳遞函數(shù)曲線Fig.7 Transfer function curve of the three models under the symbolic working conditions

圖8 模型結(jié)構(gòu)自振頻率Fig.8 Model natural frequency

圖9 模型結(jié)構(gòu)阻尼比Fig.9 Model structure damping ratio

4.1 頻率與周期分析

三種模型X向、Y向的結(jié)構(gòu)自振頻率隨輸入地震強度的變化情況見圖8。由圖8可知如下結(jié)果。

1) 模型MA的自振頻率逐漸減小，原因為輸入地震強度增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模型的破壞加??；模型Y向的頻率大于X向且模型X向的頻率平均下降21.16%、Y向下降9.45%，這是由于模型X向開洞較多，故而結(jié)構(gòu)X向剛度小于Y向；在經(jīng)過7度中震(工況S35)作用后，由于模型未設(shè)置構(gòu)造柱，首層墻角發(fā)生嚴重破壞，結(jié)構(gòu)退出工作。

2) 模型MS的X向自振頻率先保持不變后下降，說明在輸入地震強度較小時由于砂墊層的耗能作用，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫，剛度未退化，自振頻率保持不變；隨著輸入強度繼續(xù)增大，砂墊層內(nèi)部發(fā)生塑性變形耗能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度下降，自振頻率減??；模型在工況S36下X向剛度較工況S31退化約12%，Y向剛度退化約為38.5%，且由于砂箱X向剛度更大，X向自振頻率大于Y向自振頻率。

3) 模型MC在工況S41之前的自振頻率的變化規(guī)律和模型MS大致相同，在此之前模型MC同樣是依靠砂墊層的消能作用來減小地震作用；工況S41后自振頻率保持不變，說明工況S36后滑移層開始工作，工況S41時模型上部沿滑移層滑動，上部結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)剛度不再繼續(xù)下降。

4) 7度大震(工況S36)時模型MC的X向自振頻率小于模型MS，是由于此時模型MC滑移層出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)整體剛度小于模型MS整體剛度；在8度大震(工況S44)作用時，復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)的頻率平均大于砂墊層隔震結(jié)構(gòu)11.4%，表明砂墊層隔震結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷程度大于復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)，與試驗現(xiàn)象較為吻合。

4.2 阻尼比分析

三種結(jié)構(gòu)模型X向、Y向的結(jié)構(gòu)阻尼比隨輸入地震強度變化情況見圖9。由圖9可知如下結(jié)果。

1) 模型MA的阻尼比是逐漸增大的，在工況S35后模型結(jié)構(gòu)退出工作，說明隨著輸入地震強度的增大，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)不斷通過自身的塑性變形來耗能，直至退出工作。

2) 模型MS的阻尼比大致變化趨勢是先減小后增大。隨著地震作用的加強，模型底部的砂墊層先被振密實，阻尼比逐漸減??；隨后砂墊層內(nèi)部出現(xiàn)非線性塑性耗能，且模型結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，剛度退化較為明顯，阻尼比進一步增大(工況S41的X向阻尼比比工況S36增大14.5%)。

3) 模型MC的阻尼比是先減小后增大，減小原因和模型MS一致，隨后滑移層裂縫逐漸增多且砂墊層內(nèi)部出現(xiàn)非線性塑性耗能，其耗能能力增強，阻尼比增大。

4) 由圖9(b)可看出，模型MC的阻尼比小于模型MS。由于模型MC主要依靠砂墊層與滑移層形成的復(fù)合隔震體系消耗地震能量，而模型MS只依靠砂墊層隔震，且出現(xiàn)損傷更早更嚴重，故其阻尼比更大。

4.3 振型分析

將白噪聲工況下加速度折算為位移后，確定各模型在一層及二層樓板處的最大位移，設(shè)定與砂墊層接觸的下底板處位移為0，二層樓板處位移為1，確定一層樓板位移與二層樓板處的比例關(guān)系，便得到模型振型。三個試驗?zāi)Ｐ蚆A、MC、MS在代表性工況下X、Y向第一階振型見圖10。由圖10可知如下結(jié)果。

1) 模型MA的X、Y向振型在加載初期表現(xiàn)為剪切型，隨著輸入強度的增大轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?，到加載后期，由于首層出現(xiàn)明顯的變形集中，振動形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟行?；工況S31首層的Y向振幅是X向振幅的1.45倍，表明模型MA的Y向破壞更加嚴重。

2) 模型MS的X、Y向振型隨著輸入地震強度的增大，逐漸由初期的剪切型轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?，進入到破壞階段后又轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟行?工況S42下模型首層層間位移角為1/337，頂層的層間位移角為1/617)；特別注意到工況S45下模型首層的振幅達到了最大值，表明此時結(jié)構(gòu)底部的剛度發(fā)生的嚴重退化。

3) 模型MC的X、Y向振型在加載初期基本表現(xiàn)為剪切型，底層的振幅隨著輸入地震強度的增大而增大，加載進入后期，隨著頂層層間位移的增大，逐漸由剪切型轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?；特別地，工況S42一階振型接近線性分布，此時首層層間位移角為1/490，頂層層間位移角為1/465，此時基礎(chǔ)滑移層裂縫貫通，使得上部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了預(yù)期的滑移耗能，最終由于頂層橫墻發(fā)生嚴重錯位而退出工作，其振型變化情況和試驗現(xiàn)象基本吻合。

5 結(jié) 論

從上述對模型試驗現(xiàn)象和動力特性演變規(guī)律的對比分析，可得出以下幾點結(jié)論。

1) 砂墊層-基礎(chǔ)滑移隔震結(jié)構(gòu)模型在7度中震(0.44g)前結(jié)構(gòu)依靠砂墊層隔震，7度大震(0.62g)后砂墊層與基礎(chǔ)滑移層形成復(fù)合隔震體系，最終在9度大震(1.24g)發(fā)生彎曲破壞，其自振頻率先不變后減小，阻尼先減小后增大，振型由剪切型逐漸轉(zhuǎn)為彎曲型，復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同地震水準下不同的消能隔震機制。

2) 砂墊層隔震結(jié)構(gòu)模型在7度大震(0.62g)前保持完好，在8度大震(1.02g)時退出工作，其自振頻率先保持不變后下降，阻尼比先減小后增大，振型經(jīng)歷由剪切型到彎曲型，再到剪切型的變化過程，砂墊層隔震結(jié)構(gòu)可以依靠砂墊層減小上部地震作用。

3) 對比三種結(jié)構(gòu)模型，普通結(jié)構(gòu)破壞較早，自振頻率減小及剛度退化較快，而隔震結(jié)構(gòu)的裂縫出現(xiàn)和破壞階段皆相對較晚，模型自振頻率減小、剛度退化，皆具有較好的隔震效果。其中砂墊層—基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震模型破壞階段最晚，體現(xiàn)出更為優(yōu)越的隔震能力，其破壞表現(xiàn)為上層破壞的彎曲型形態(tài)，故應(yīng)考慮適當(dāng)設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱，以確保上部結(jié)構(gòu)在滑動過程中的整體性。