石結(jié)構(gòu)滑移隔震縫力學(xué)性能試驗(yàn)研究

江云帆，郭子雄,2，許秀林

(1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門，361021；2.福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門，361021)

石結(jié)構(gòu)房屋因其耐久性好、取材方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于我國(guó)東南沿海村鎮(zhèn)地區(qū)。由于結(jié)構(gòu)的材料和砌筑特點(diǎn)，大多數(shù)石砌房屋整體性和抗震性能較差[1-2]，在遭遇地震時(shí)存在重大安全隱患。已有關(guān)于石結(jié)構(gòu)防災(zāi)技術(shù)的研究，更多集中在對(duì)既有石結(jié)構(gòu)建筑的加固[3-6]。為傳承石結(jié)構(gòu)建筑文化，YE等[7-11]將現(xiàn)代加工技術(shù)應(yīng)用于石砌體結(jié)構(gòu)中，提出了CFRP筋嵌埋石梁板、機(jī)器切割砌筑石墻等新型石結(jié)構(gòu)形式。為提高新型石砌結(jié)構(gòu)房屋的整體抗震性能，急需研究造價(jià)低廉、隔震效果好且施工工藝簡(jiǎn)單的石結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)。滑移隔震技術(shù)因構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的特點(diǎn)而被應(yīng)用于村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)。曹萬(wàn)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(kāi)展了單層滑移隔震砌體房屋的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隔震體系能有效降低房屋的加速度響應(yīng)。YEGIAN等[13-14]提出了以高強(qiáng)無(wú)紡?fù)凉た椢?超高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乙烯為隔震層界面的基礎(chǔ)滑移隔震體系與土壤滑移隔震體系，并通過(guò)往復(fù)加載試驗(yàn)對(duì)界面的摩擦性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明界面動(dòng)摩擦因數(shù)約為0.07，豎向壓應(yīng)力、滑動(dòng)速度和滑動(dòng)距離對(duì)界面動(dòng)摩擦因數(shù)影響不大。NANDA 等[15]提出了以無(wú)紡?fù)凉た椢?大理石為隔震層界面的純摩擦隔震體系，并開(kāi)展了1/2縮尺單層滑移隔震砌體房屋與固定基礎(chǔ)房屋的振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隔震房屋屋頂?shù)慕^對(duì)加速度響應(yīng)較固接支座房屋下降了65% 左右。AHMAD等[16]對(duì)以粗干砂為隔震層的再生砂漿砌筑單層砌體房屋進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干砂層隔震效果良好，實(shí)驗(yàn)中耗散了超過(guò)70%的輸入地震能量。劉毅等[17]提出了以新型青銅基復(fù)合材料-鍍鉻不銹鋼板為摩擦界面的抗拔摩擦擺支座，并對(duì)設(shè)有該支座的大跨空間廠房有限元模型進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，結(jié)果表明隔震支座能降低網(wǎng)殼桿件55%～80%的內(nèi)力。2008 年汶川地震中，綿竹市一幢砌體結(jié)構(gòu)房屋表現(xiàn)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(nèi)外墻的水平裂縫，產(chǎn)生了類似滑移隔震的效果?；诖藢?shí)際地震中的隔震現(xiàn)象，并根據(jù)機(jī)器鋸割條石尺寸統(tǒng)一的特點(diǎn)[10]，本文作者提出一種適用于石砌房屋的滑移隔震縫技術(shù)方案。通過(guò)開(kāi)展不同隔震縫雙剪試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究不同界面形式隔震縫的力學(xué)性能。

1 隔震體系及試驗(yàn)概況

1.1 石結(jié)構(gòu)滑移隔震體系

石結(jié)構(gòu)滑移隔震體系如圖1所示。該體系具有以下特點(diǎn)：隔震縫直接設(shè)置于石墻底部第一與第二皮條石間，無(wú)需專門設(shè)置隔震基礎(chǔ)或托梁。界面采用間隔支墩式布置形式，每一塊條石相當(dāng)于1個(gè)支墩，施工時(shí)只需保證每個(gè)支墩處滑移面水平。與傳統(tǒng)連續(xù)條帶式布置形式相比，施工工藝更為簡(jiǎn)單。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

滑移隔震雙剪試件由3塊機(jī)器鋸割條石疊放而成，上下皮條石的長(zhǎng)×寬×高為590 mm×200 mm×200 mm，中間皮條石的長(zhǎng)×寬×高為800 mm×200 mm×200 mm。試件特征及幾何尺寸如圖2 所示?；聘粽鹂p設(shè)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(guò)結(jié)構(gòu)膠粘貼于條石表面。所采用結(jié)構(gòu)膠為環(huán)氧樹(shù)脂植筋膠，具有耐久性、耐腐蝕性、耐酸堿性強(qiáng)的特點(diǎn)。

鋼板-料石試件研究參數(shù)包括鋼板尺寸和隔震縫平均豎向壓應(yīng)力，雙鋼板試件研究參數(shù)包括隔震縫平均豎向壓應(yīng)力和界面潤(rùn)滑狀態(tài)。潤(rùn)滑狀態(tài)包括摩擦界面間未涂抹潤(rùn)滑劑(簡(jiǎn)稱未潤(rùn)滑)、僅在隔震縫一組摩擦界面間涂抹二硫化鉬潤(rùn)滑劑(簡(jiǎn)稱半潤(rùn)滑)、摩擦界面間均涂抹潤(rùn)滑劑(簡(jiǎn)稱全潤(rùn)滑)。試件共8個(gè)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 加載和量測(cè)方案

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。為防止試件在加載過(guò)程中發(fā)生平面外的偏移，在中間皮條石及水平作動(dòng)器兩側(cè)設(shè)有側(cè)向限位滾軸。

圖1 石結(jié)構(gòu)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(shù)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(dòng)器施加，通過(guò)上壓鋼墊板均勻施加于試件上表面，其值根據(jù)試件壓應(yīng)力水平確定，并在加載過(guò)程中保持恒定。水平荷載通過(guò)水平液壓伺服作動(dòng)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(huán)3 次，如圖4所示。

圖4 加載制度Fig.4 Loading protocol

分別測(cè)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(guò)液壓伺服作動(dòng)器的拉壓傳感器測(cè)量，中間皮料石位移通過(guò)布置于料石前后兩側(cè)的激光位移計(jì)(LDT)測(cè)量。支座位移通過(guò)布置于上下皮料石側(cè)面的電子位移計(jì)(LVDT)測(cè)量。試件位移計(jì)布置見(jiàn)圖3，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由DH3816N 數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)全程采集并記錄保存。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

鋼板-料石試件界面損傷特征見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：加載結(jié)束時(shí)，鋼板面局部產(chǎn)生了若干劃痕，如圖5(a)所示；料石面局部產(chǎn)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(shù)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(fā)生磨粒磨損進(jìn)而產(chǎn)生劃痕。同時(shí)，由于往復(fù)摩擦過(guò)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(jìn)而產(chǎn)生黑色印記。

雙鋼板未潤(rùn)滑試件界面損傷特征見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：加載結(jié)束時(shí)，鋼板面局部產(chǎn)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?xí)r，其熔焊節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度通常比底材的高，導(dǎo)致破裂發(fā)生在金屬主體中，進(jìn)而產(chǎn)生較深的刻痕。

雙鋼板潤(rùn)滑試件界面損傷特征見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)：加載結(jié)束時(shí)，二硫化鉬仍分布于鋼板表面，如圖7(a)所示；擦除潤(rùn)滑劑后，鋼板表面未產(chǎn)生可見(jiàn)磨損，如圖7(b)所示。這是由于涂抹潤(rùn)滑劑后，界面由干摩擦變?yōu)榱黧w摩擦，摩擦主要發(fā)生在潤(rùn)滑劑內(nèi)部，從而避免了鋼板界面產(chǎn)生磨損。半潤(rùn)滑試件的未潤(rùn)滑鋼板界面破壞特征與未潤(rùn)滑試件的相似，潤(rùn)滑鋼板界面破壞特征與全潤(rùn)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(rùn)滑鋼板界面損傷特征(試件DSP-1)Fig.6 Damage details of unlubricated steel plate

圖7 潤(rùn)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(zhǎng)方形，具有庫(kù)侖摩擦模型的特征。2)當(dāng)荷載較小時(shí)，曲線剛度很大，界面近似處于附著狀態(tài)；當(dāng)荷載大于靜摩擦力時(shí)，界面進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài)。3)處于滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，雙鋼板未潤(rùn)滑試件及半潤(rùn)滑試件荷載有較大波動(dòng)，這主要是因?yàn)槟Σ吝^(guò)程中未潤(rùn)滑鋼板界面發(fā)生了磨損。

2.3 摩擦因數(shù)

2.3.1 靜摩擦因數(shù)

界面開(kāi)始滑動(dòng)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(shù)。本文取試件剛度明顯開(kāi)始退化點(diǎn)處對(duì)應(yīng)荷載為起滑力。各試件第一循環(huán)正向荷載-位移骨架曲線如圖9 所示，各試件靜摩擦因數(shù)見(jiàn)表2。由表2 可知：1)鋼板-料石試件靜摩擦因數(shù)為0.28～0.46，離散性較大，說(shuō)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(rùn)滑、半潤(rùn)滑和全潤(rùn)滑試件的靜摩擦因數(shù)分別為0.22，0.17和0.12左右，說(shuō)明涂抹潤(rùn)滑膏可顯著降低界面靜摩擦因數(shù)。3)豎向壓應(yīng)力對(duì)雙鋼板全潤(rùn)滑試件靜摩擦因數(shù)影響較小。

2.3.2 動(dòng)摩擦因數(shù)

動(dòng)摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定性是衡量界面適用性的重要參數(shù)。過(guò)大的摩擦因數(shù)將導(dǎo)致隔震縫只有在極大地震激勵(lì)下才發(fā)揮作用，同時(shí)將導(dǎo)致隔震縫滑動(dòng)時(shí)傳遞至上部結(jié)構(gòu)的地震力過(guò)大。過(guò)小的摩擦因數(shù)將導(dǎo)致隔震縫滑移位移過(guò)大，進(jìn)而增加建造成本。JAMPOLE 等[19]的研究表明隔震縫動(dòng)摩擦因數(shù)約為0.18 較合理。摩擦因數(shù)在往復(fù)滑動(dòng)過(guò)程中的不穩(wěn)定增長(zhǎng)將降低隔震縫隔震效果，且將增大隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)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(huán)平均動(dòng)摩擦因數(shù)如圖10所示。由圖10可知：1)試件摩擦因數(shù)離散性較大，平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.55～0.73。豎向壓應(yīng)力和鋼板尺寸對(duì)試件動(dòng)摩擦因數(shù)的影響無(wú)明顯規(guī)律，這是因?yàn)槭芟抻诩庸ぜ夹g(shù)的精度，界面粗糙度離散性較大。2)各試件第一循環(huán)平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.31～0.55，最后1個(gè)循環(huán)增大至0.68～0.77，說(shuō)明界面摩擦性能不穩(wěn)定。這是因?yàn)槟p導(dǎo)致局部接觸界面粗糙度在往復(fù)摩擦過(guò)程中逐漸增大。3)大鋼板-料石試件和小鋼板-料石試件的動(dòng)摩擦因數(shù)分別在加載6 個(gè)和3 個(gè)循環(huán)后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明鋼板面積越小，界面摩擦性能越易趨于穩(wěn)定。4)不同壓應(yīng)力下同種尺寸鋼板-料石試件動(dòng)摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定所需的加載循環(huán)次數(shù)相同，表明豎向壓應(yīng)力對(duì)摩擦性能的穩(wěn)定性基本無(wú)影響。由以上分析可知，鋼板-料石界面摩擦因數(shù)和離散性較大，摩擦性能不穩(wěn)定，不適用于石結(jié)構(gòu)滑移隔震技術(shù)。

圖9 第一循環(huán)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(shù)對(duì)比Table 2 Static friction coefficient comparison of different specimens

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

雙鋼板試件各循環(huán)動(dòng)摩擦因數(shù)如圖11 所示。由圖11 可知：1)雙鋼板未潤(rùn)滑、半潤(rùn)滑和全潤(rùn)滑試件的平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.30，0.20 和0.17，表明涂抹潤(rùn)滑膏會(huì)降低界面動(dòng)摩擦因數(shù)。2)隨著加載次數(shù)增加，未潤(rùn)滑試件動(dòng)摩擦因數(shù)由0.21 增大至0.38，明顯增大；半潤(rùn)滑試件動(dòng)摩擦因數(shù)略微增大，由0.17增大至0.25；全潤(rùn)滑試件動(dòng)摩擦因數(shù)基本不變，由0.15增大至0.17。這表明涂抹潤(rùn)滑膏能有效提升雙層鋼板界面摩擦性能穩(wěn)定性，這是因?yàn)闈?rùn)滑劑能有效避免界面發(fā)生摩擦磨損。3)雙層鋼板全潤(rùn)滑界面摩擦性能穩(wěn)定，豎向壓應(yīng)力及加載循環(huán)次數(shù)對(duì)其摩擦因數(shù)基本無(wú)影響，平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.17，說(shuō)明其適用于石結(jié)構(gòu)滑移隔震縫。

圖11 雙層鋼板試件各循環(huán)平均動(dòng)摩擦因數(shù)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(shù)ζeq進(jìn)行評(píng)估。各試件在水平位移幅值20 mm 和40 mm下第一循環(huán)滯回環(huán)的等效黏滯阻尼系數(shù)見(jiàn)表2。由表2 可知：鋼板-料石界面耗能性能穩(wěn)定，水平位移幅值、鋼板尺寸和豎向壓應(yīng)力對(duì)其等效黏滯阻尼系數(shù)基本無(wú)影響；雙鋼板無(wú)潤(rùn)滑和半潤(rùn)滑試件等效黏滯阻尼系數(shù)隨位移幅值增加有所增大，這是由于磨損導(dǎo)致界面滑動(dòng)摩擦力發(fā)生波動(dòng)；雙層鋼板全潤(rùn)滑試件耗能性能穩(wěn)定，水平位移幅值和豎向壓應(yīng)力對(duì)其等效黏滯阻尼系數(shù)基本無(wú)影響。

3 結(jié)論

1)鋼板-料石界面摩擦因數(shù)偏大，其靜摩擦因數(shù)和平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.28～0.46 和0.55～0.73，且其摩擦性能不穩(wěn)定，動(dòng)摩擦因數(shù)在加載初期明顯增大，不適用于石結(jié)構(gòu)滑移隔震縫。

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

3)雙層鋼板全潤(rùn)滑界面摩擦因數(shù)較合理，其靜摩擦因數(shù)為0.12，平均動(dòng)摩擦因數(shù)為0.17，且其摩擦性能及耗能性能穩(wěn)定，適用于石結(jié)構(gòu)滑移隔震縫。