黏彈性阻尼器加固穿斗式木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究*

趙 聰，陶 忠，戴必輝，高永林，戴金沙

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650031； 2.云南省工程抗震研究所，云南 昆明 650031；3.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224； 4.昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650031)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)廣泛存在穿斗式木結(jié)構(gòu)民居，為繼續(xù)發(fā)揮其藝術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，多位學(xué)者開展了相關(guān)研究，如薛建陽(yáng)等[1-2]對(duì)木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得到了結(jié)構(gòu)自振周期和耗能能力等；隋等[3]以古建筑木結(jié)構(gòu)鋪?zhàn)鲗优c柱架為研究對(duì)象，對(duì)其抗震性能進(jìn)行了分析；謝啟芳等[4-5]以古木結(jié)構(gòu)直榫及燕尾榫為研究對(duì)象開展抗震試驗(yàn)，并分析其抗震性能。部分木結(jié)構(gòu)房屋具有較好的抗震性能[6]，但在某些災(zāi)害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋在地震中受到一定程度的損害[7-8]。已有學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震與加固開展了大量研究[9-11]，但對(duì)木結(jié)構(gòu)加固的研究較少，為此，以穿斗式木結(jié)構(gòu)為例，對(duì)抗震加固措施進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

基于自主研發(fā)適用于木結(jié)構(gòu)加固的黏彈性阻尼器——櫛固阻尼器開展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，參照云南傳統(tǒng)民居“一顆印”相關(guān)做法，制作2層穿斗式木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)民居作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1，2所示。本試驗(yàn)的主要目的在于通過輸入不同地震波，研究設(shè)置阻尼器和未設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)模型(分別對(duì)應(yīng)加固模型和未加固模型)加速度、層間位移角、位移、應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角等，為阻尼材料設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，為阻尼器產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物

2 荷載設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)荷載按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》相關(guān)規(guī)定取值，樓、屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別取為2.0，0.5kN/m2，考慮地震作用下樓面活荷載組合系數(shù)取為0.5。因木結(jié)構(gòu)房屋通常不鋪設(shè)樓板，0.1kN/m2的樓板恒荷載利用砂袋模擬(實(shí)際配重100kg/m2)。屋面荷載依據(jù)實(shí)際瓦片質(zhì)量計(jì)算，取綜合地震作用組合的計(jì)算荷載。因構(gòu)件截面和節(jié)點(diǎn)均按足尺設(shè)計(jì)，為滿足振動(dòng)臺(tái)尺寸要求，并使節(jié)點(diǎn)內(nèi)力更符合實(shí)際情況，略減小了房屋開間和進(jìn)深，根據(jù)課題組前期試驗(yàn)結(jié)果，模型配重取計(jì)算荷載的2.0倍。木材材料特性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 木材材料特性

3 櫛固阻尼器

為有效地對(duì)受到破壞的木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，課題組前期研發(fā)了第1代黏彈性橡膠阻尼器，如圖3a所示。后經(jīng)改進(jìn)，得到第2代黏彈性橡膠阻尼器——櫛固阻尼器，如圖3b所示。櫛固阻尼器為扇形，由高強(qiáng)度鋼板和高阻尼丁基橡膠組成，鋼板與木結(jié)構(gòu)中的梁、枋和柱通過長(zhǎng)螺栓連接，當(dāng)鋼板在地震作用下發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼板之間的橡膠發(fā)生剪切變形，消耗地震能量。

圖3 阻尼器示意

4 加載與測(cè)試

4.1 加載方案

本試驗(yàn)選擇天然波El-Centro波、2021年5月21日漾濞6.4級(jí)地震中漾濞臺(tái)(距震中7.9km)記錄到的EW向地震波、與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相差≤20%的天然人工波作為激勵(lì)，加載工況如表2所示。試驗(yàn)開始后及每級(jí)加載結(jié)束后均使用白噪聲進(jìn)行掃描，從而獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

4.2 阻尼器布置

將阻尼器布置在木結(jié)構(gòu)模型各層梁與柱、梁與枋的節(jié)點(diǎn)處，試驗(yàn)開始前需進(jìn)行第1次白噪聲掃描。

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

將安裝完成的模型置于振動(dòng)臺(tái)上，模型x軸為東、西方向，y軸為南、北方向，油泵位于模型北側(cè)，控制室位于模型西南側(cè)。加速度傳感器布置如圖4所示，應(yīng)變片布置如圖5所示，拉線式位移計(jì)布置如圖6所示。

圖4 加速度傳感器布置

圖6 拉線式位移計(jì)布置

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

按照破壞現(xiàn)象和劇烈程度可將試驗(yàn)過程分為以下階段。

1)第1階段

此階段為8度多遇地震(加速度峰值為0.07g)階段，加固模型沿平面外x向輕微晃動(dòng)，1層柱晃動(dòng)不明顯，尤其是沿平面外y向幾乎不動(dòng)，結(jié)構(gòu)沿x，y向晃動(dòng)時(shí)均發(fā)出輕微的“吱吱”聲。未加固模型2層樓面以上沿x向有明顯晃動(dòng)，2層樓面以下沿x，y向幾乎未晃動(dòng)。

2)第2階段

此階段為8度基本地震(加速度峰值為0.20g)階段，加固模型沿x，y向均發(fā)生了較大程度的晃動(dòng)，x向晃動(dòng)幅度較大，但劇烈程度較輕。未加固模型整體沿x向晃動(dòng)幅度較大，2層結(jié)構(gòu)沿y向晃動(dòng)幅度較大，且發(fā)出的聲音較大。

3)第3階段

此階段為8度罕遇地震(加速度峰值為0.40g)階段，加固模型y向晃動(dòng)幅度變大，同時(shí)伴隨的“吱吱”聲音更大，2層結(jié)構(gòu)晃動(dòng)更劇烈，屋脊處晃動(dòng)幅度最大。

4)第4階段

此階段為破壞階段，加固模型在9度罕遇地震(加速度峰值為0.62g)作用下柱開裂，如圖7a所示，由于節(jié)點(diǎn)晃動(dòng)劇烈，阻尼器螺栓與木材摩擦，使木屑不斷掉落。加固模型在9度強(qiáng)罕遇地震(加速度峰值為0.95g)作用下，柱開裂較普遍，同時(shí)阻尼器固定螺栓被拔出，如圖7b所示。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)象

5.2 破壞特征分析

1)因穿斗式木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)民居較簡(jiǎn)單，未將柱腳插入礎(chǔ)石中，本試驗(yàn)制作模型時(shí)僅將柱擱置于混凝土板上。在地震作用下，柱腳發(fā)生跳動(dòng)，并與臺(tái)面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，使地腳枋脫落，產(chǎn)生卯口，起一定隔震作用。設(shè)置阻尼器后，結(jié)構(gòu)相對(duì)滑動(dòng)位移減小，阻尼器起到了良好的減震耗能作用。

2)因采用特殊的穿枋和斗枋結(jié)構(gòu)，可在地震作用下反復(fù)拔榫，因此具有良好的耗能能力。設(shè)置阻尼器后，連接節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性增強(qiáng)，不僅提高了結(jié)構(gòu)剛度，且阻尼器自身的耗能能力提高了結(jié)構(gòu)抗震能力。

3)因榫卯節(jié)點(diǎn)具有半剛性特點(diǎn)，在未設(shè)置阻尼器的情況下易發(fā)生幾何變位，當(dāng)峰值加速度達(dá)0.40g后，未加固模型開始出現(xiàn)傾斜，但始終未破壞，結(jié)構(gòu)滿足“墻倒屋不塌”的要求。設(shè)置阻尼器后，結(jié)構(gòu)剛度增大，變形減小，滿足正常使用極限狀態(tài)要求。

5.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

獲得結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)后，通過傳遞函數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比等相關(guān)動(dòng)力特性參數(shù)。通過分析可知，施加地震激勵(lì)前、后結(jié)構(gòu)頻率變化較小，頻譜曲線幾乎重合，說明結(jié)構(gòu)剛度變化較小，基本未受損傷。

5.3.1加速度

以安裝在臺(tái)面的加速度傳感器測(cè)得的加速度最大值為基準(zhǔn)，安裝在其他位置處的加速度傳感器測(cè)得的加速度最大值除以該基準(zhǔn)值得到相應(yīng)位置處加速度放大系數(shù)β，用于評(píng)定各位置處加速度響應(yīng)，如圖8所示。由圖8可知，不同位置處加速度放大系數(shù)為0.6～2.1，低于一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的加速度放大系數(shù)(2～4)，說明穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋自身的耗能減震能力較強(qiáng)。當(dāng)輸入峰值加速度為0.07g，0.20g時(shí)，阻尼器減震作用不明顯。當(dāng)輸入峰值加速度達(dá)0.40g后，加速度放大系數(shù)減小幅度較大，這主要是因?yàn)榇┒肥侥窘Y(jié)構(gòu)房屋自身具有較好的抗震性能，當(dāng)外界輸入的地震作用較小時(shí)，結(jié)構(gòu)自身可抵御，使阻尼器未進(jìn)入減震耗能工作中。當(dāng)輸入峰值加速度為0.62g，0.95g時(shí)，雖無未加固模型加速度放大系數(shù)數(shù)據(jù)，但與輸入峰值加速度0.40g相比，加固模型加速度放大系數(shù)增大不明顯，說明在大烈度地震作用下阻尼器性能可得到較好的發(fā)揮。x向地震作用下屋脊處加速度放大系數(shù)均大于2層樓面，說明在x向屋脊處存在一定鞭鞘效應(yīng)，使加速度反應(yīng)稍強(qiáng)。

圖8 結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)

5.3.2位移

通過拉線式位移計(jì)采集的數(shù)據(jù)分析不同位置處最大相對(duì)位移及最大層間位移角(見圖9，10)，其中，最大相對(duì)位移為不同位置處的位移與臺(tái)面位移差值的最大值。由圖9可知，對(duì)于未加固模型，隨著輸入峰值加速度的不斷增大，不同位置處最大相對(duì)位移增大。對(duì)于加固模型，隨著輸入峰值加速度的不斷增大，不同位置處最大相對(duì)位移同樣增大。當(dāng)輸入峰值加速度相同時(shí)，加固模型最大相對(duì)位移較小。當(dāng)輸入漾濞波和人工波時(shí)，1層樓面x向最大相對(duì)位移出現(xiàn)較大值，說明結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生了一定程度的損傷， 使結(jié)構(gòu)剛度退化較快。 當(dāng)輸入漾濞波且峰值加速度為0.40g時(shí)，加固模型與未加固模型均在2層樓面處y向最大相對(duì)位移出現(xiàn)較大值，說明2層樓面沿y向發(fā)生了損傷，使結(jié)構(gòu)剛度退化較快。x向最大相對(duì)位移整體上大于y向，這說明模型y向整體剛度較x向大，這也解釋了模型x向晃動(dòng)幅度較大的試驗(yàn)現(xiàn)象。設(shè)置阻尼器后，模型x向晃動(dòng)幅度明顯減小，表明阻尼器在x向發(fā)揮的作用更大。

圖9 結(jié)構(gòu)最大相對(duì)位移

由圖10可知，隨著輸入加速度峰值的不斷增大，結(jié)構(gòu)最大層間位移角增大。設(shè)置阻尼器后，結(jié)構(gòu)最大層間位移角得到了較好的控制。

圖10 結(jié)構(gòu)最大層間位移角

5.3.3應(yīng)變

地震作用下榫卯節(jié)點(diǎn)會(huì)成為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，但由于榫頭和卯口無法布置應(yīng)變片，且課題組前期研究成果已證明阻尼器加固后的節(jié)點(diǎn)不再是薄弱環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)受力被阻尼器承擔(dān)，傳至與其連接的梁、柱和枋，因此對(duì)柱端部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行分析(見圖11)。

圖11 柱應(yīng)變

由圖11可知，隨著輸入峰值加速度的不斷增大，柱端拉應(yīng)變和壓應(yīng)變均增大，根據(jù)材料性能試驗(yàn)結(jié)果可知，未達(dá)到材料變形極限。

5.3.4剪力

對(duì)結(jié)構(gòu)層間剪力與基底總剪力比值進(jìn)行分析，可知剪力分布基本與樓層質(zhì)量成正比，2層樓面剪力占總剪力的比值較小，約為10%，1層樓面與屋脊剪力占總剪力的比值相當(dāng)，各占約45%。

5.3.5彎矩

當(dāng)輸入峰值加速度為0.62g，0.95g時(shí)，雖無未加固模型柱彎矩?cái)?shù)據(jù)，但與輸入峰值加速度0.40g相比，加固模型柱彎矩有所增大，說明阻尼器吸收了應(yīng)由榫卯節(jié)點(diǎn)承受的彎矩，將其傳至柱端。

5.3.6應(yīng)力

與結(jié)構(gòu)對(duì)稱性相對(duì)應(yīng)，柱應(yīng)力分布也具有較高的對(duì)稱性，即與荷載輸入方向垂直的同排柱受力特性相似，處于側(cè)邊中部位置的柱所受荷載較大。加固模型中柱應(yīng)力分布較復(fù)雜，說明設(shè)置阻尼器后，柱部分應(yīng)力發(fā)生了重分布，這是因?yàn)樽枘崞魇峭ㄟ^螺釘釘入木材中，從而實(shí)現(xiàn)固定，受釘入角度和深度影響，加之人員操作時(shí)的不可控人為因素，使木材內(nèi)部發(fā)生無規(guī)律變化，從而導(dǎo)致設(shè)置阻尼器后應(yīng)力分布較復(fù)雜。

6 結(jié)語

1)櫛固阻尼器可為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼和附加剛度，設(shè)置阻尼器加固的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)較小，可知阻尼器減震加固效果較好。

2)櫛固阻尼器在大震下的耗能效率更高，小震時(shí)穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋自身的抗震能力可抵抗地震作用，使阻尼器無法進(jìn)入工作階段。

3)櫛固阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)剛度較低的x向一側(cè)加固效果更明顯。

4)設(shè)置櫛固阻尼器加固后，阻尼器會(huì)承擔(dān)榫卯節(jié)點(diǎn)處的彎矩和能量，并將一部分荷載傳至梁、枋和柱端，造成應(yīng)力重分布，重分布的荷載均在安全范圍內(nèi)，因此阻尼器可提高木結(jié)構(gòu)材料利用率。

5)阻尼器失效源自固定螺栓的拔出，而非自身的破壞，建議對(duì)連接方式進(jìn)行一定優(yōu)化處理。