代宇飛，郭軍林，袁康

（石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003）

砌體結構是我國村鎮(zhèn)建筑的主要形式，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國村鎮(zhèn)建筑中砌體結構房屋所占比例達64.12%[1]，歷年來地震災害表明，村鎮(zhèn)建筑的破壞非常嚴重，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[2-3]。對此，國內(nèi)諸多學者對此做了很多關于村鎮(zhèn)建筑滑移隔震技術的研究，總結了很多經(jīng)驗。曹萬林[4]針對村鎮(zhèn)建筑特點，總結了國內(nèi)外主要的隔震材料以及研究現(xiàn)狀，其中包括砂、石墨、玻璃絲布、土工布、大理石、不銹鋼板和鋼球等并提出了玻璃珠砂漿層隔震；尚守平[5]提出用瀝青作為滑移隔震層；李英民[6]提出用瀝青-砂作為滑移隔震層；劉軍生[7]針對框架結構提出了一種二硫化鉬固體潤滑劑涂層的新型分離式摩擦滑移隔震裝置。Ahmad[8]用聚四氟乙烯板作為滑移隔震層材料對用粗干砂作為滑移隔震層材料砌體結構做了振動臺對比試驗。Kelly J M[9-10]等人提出采用碳纖維等材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)疊層鋼板橡膠隔震支座內(nèi)部的疊層鋼板，以達到降低隔震支座的造價和減輕隔震支座重量的目的；Miha Toma evic[11]等對采用纖維隔震支座的砌體房屋與普通結構砌體房屋進行了振動臺試驗對比研究，結果表明纖維隔震支座有較好的隔震效果。

村鎮(zhèn)建筑基礎滑移隔震技術關鍵點在于滑移隔震層開裂控制，滑移隔震層滑移能力的實現(xiàn)及滑動位移限制。本文所涉及的滑移隔震技術[12]（圖1），以低標號改性砂漿作為滑移隔震層，以捆綁橡膠束作為滑移限位裝置。低標號改性砂漿滑移隔震層，即在低標號砂漿的基礎上摻入一定量滑石粉或石墨粉作為滑移隔震層，其同時具有開裂控制及滑移雙重功能。低標號改性砂漿滑移隔震層的工作原理和預期目標為：在小震作用下，滑移隔震層不發(fā)生破壞，結構依靠自身整體抗震；在中、大震作用下，滑移隔震層水平貫通開裂并滑動耗能。

圖1 簡易滑移隔震技術布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of simple sliding isolation technology

本文設計以強度等級M2.5水泥砂漿為基礎，滑石粉或石墨粉摻入增量為2.5%，7種配合比，共39種工況，分別對其進行抗壓、壓剪及摩擦系數(shù)試驗，分析各工況的豎向承載、水平承載及滑移能力，從而篩選適用于村鎮(zhèn)建筑砌體結構滑移隔震技術的低標號改性砂漿滑移隔震層配方。

1 試驗設計

1.1 滑移隔震層豎向承載力試驗

由于滑移隔震層位于上下層基礎圈梁之間，所以滑移隔震層須滿足一定的豎向承載力要求，以保證滑移隔震層在上部結構豎向靜力荷載作用下不發(fā)生破壞。滑移隔震層豎向承載力試驗選取砂漿標號為M2.5、M5、M7.5的普通水泥砂漿，以滑石粉及石墨粉摻量為2.5%為基礎摻量，摻量梯度為2.5%，選擇7個梯度，共39種工況，試驗工況設計如表1所示。

試件選用砂漿抗壓標準試件，尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每組3個試件。需要說明的是，在改性砂漿拌合時水量無法確定，因此以稠度為指標，用以確定基礎滑移隔震層所使用改性砂漿配比中的水量，M2.5、M5、M7.5改性砂漿稠度控制各為80 mm、75 mm、70 mm。試件制作完成自然養(yǎng)護28天后，進行改性砂漿抗壓強度試驗。

試驗設備選用30 t萬能試驗機，加載制度為位移加載，加載速率為1 mm/min；加載到試塊的壓力曲線出現(xiàn)下降段，即試件喪失承載能力時試驗結束。

表1 滑移隔震層配方工況表Tab.1 Working conditions of sliding isolation layer

1.2 滑移隔震層壓剪試驗

低標號改性砂漿滑移隔震層在滿足豎向承載力的基礎上，其在豎向壓力作用下的水平抗剪承載力決定了能否滿足“小震不壞，中、大震開裂啟滑”的設計目標，故而進行低標號改性砂漿滑移隔震層的壓剪試驗。

基礎滑移隔震層壓剪試驗主要針對低標號改性砂漿的配方進行，旨在研究其采用的改性砂漿在低層房屋豎向壓應力作用下的水平抗剪性能。基礎滑移隔震層應能保證在多遇地震作用下基礎滑移隔震層不發(fā)生開裂，結構依靠整體抗震；在設防烈度地震作用下基礎滑移隔震層成為結構薄弱部位實現(xiàn)開裂貫通，開始發(fā)揮隔震作用，有效減輕建筑物上部結構的損傷。通過基礎滑移隔震層壓剪試驗，可選擇出不同烈度區(qū)能夠滿足基礎滑移隔震層“小震不壞，中、大震開裂啟滑”設計要求的配方。

基礎滑移隔震層壓剪試驗試件由2個尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，標號為C20的素混凝土塊，中間鋪設一層厚度為10mm的改性砂漿層共同組成。試驗工況與配方試驗工況相同，共39種，如表2所示。

表2 壓剪試驗工況設計Tab.2 The working condition design of compression-shear test

基礎滑移隔震層壓剪試驗裝置采用自行設計的壓剪箱[14（]圖2），試驗設備采用500 t壓力機進行豎向加載，20 t液壓千斤頂進行水平加載，20 t力傳感器和TDS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試件砌筑、養(yǎng)護完成后（圖3），將試件放入壓剪箱內(nèi)，壓力機加載豎向荷載0.2 MPa，手動加載水平荷載，直到基礎滑移隔震層發(fā)生破壞時試驗結束。

圖2 壓剪試驗裝置圖Fig.2 The device of compression-shear test

1.3 滑移隔震層的摩擦系數(shù)試驗

滑移隔震層在滿足抗壓及“小震不壞，中、大震開裂啟滑”的基礎上，其自身滑移能力決定了滑移層能否在開裂后具有較好的滑移能力，從而實現(xiàn)隔震的目的。因此，本研究對滑移隔震層進行摩擦系數(shù)試驗，旨在選擇滑移性能較好的低標號改性砂漿配方。

本研究將壓剪試驗后帶有滑移隔震層的試件作為測定滑移隔震層滑移性能的試件進行試驗，測定方法及試驗裝置如圖4所示，滑移隔震層的滑移性能試驗工況與壓剪試驗的工況相同，共39種。

圖3 壓剪試驗試件Fig.3 Pressure shear test specimen

圖4 摩擦系數(shù)測定裝置圖Fig.4 Device of friction factor testing

2 試驗結果與分析

2.1 滑移隔震層豎向承載力試驗

滑移隔震層豎向承載力試驗的試塊破壞形態(tài)如圖5所示，摻有滑石粉及石墨粉的改性砂漿試塊破壞形態(tài)與無摻料的砂漿試塊基本相同，不同配比下的抗壓強度值如表3所示，改性砂漿抗壓強度變化情況如圖6所示。

表3 不同配合比下的抗壓強度Tab.3 Compressive strength at different mix proportion

圖5 不同砂漿試塊的破壞形態(tài)Fig.5 Failure pattern of mortar specimen

由圖6可見：

（1）在稠度相同的條件下，M2.5的普通砂漿在摻入滑石粉或石墨粉后，隨著摻量的增大，抗壓強度不斷降低，但降低幅度較慢；M5的普通砂漿在摻入滑石粉或石墨粉后，隨其摻量的增大，抗壓強度總體呈現(xiàn)先增大后降低趨勢，在滑石粉摻量較小（2.5%）時，曲線出現(xiàn)小幅波動，究其原因可能是材料存在拌合不均勻的離散作用導致；M7.5的普通砂漿在摻入滑石粉或石墨粉后，隨其摻量的增大，抗壓強度皆先升高后降低。

（2）當滑石粉摻量為7.5%，石墨粉摻量為5%時，M5和M7.5砂漿抗壓強度都達到最大值。

圖6 不同改性砂漿的抗壓強度曲線Fig.6 The curve of modified mortar compression strength

由于砌體結構砌筑砂漿強度等級不應低于M5[13]，考慮到基礎滑移隔震層為預設薄弱層，其抗壓強度在滿足豎向承載力的情況下應盡量選取較低標號的改性砂漿。從研究結果來看，M2.5的改性砂漿在不同摻量下的抗壓強度差異性較小，又可滿足一層或兩層房屋的豎向抗壓要求（試驗中的M2.5滑石粉和石墨粉改性砂漿的抗壓強度最小值為0.3 MPa）。因此，從抗壓角度而言，可以選擇M2.5的改性砂漿作為基礎滑移隔震層，但石墨粉摻量不宜過高。

2.2 滑移隔震層壓剪試驗

滑移隔震層壓剪試驗中隔震層的破壞形式均為脆性破壞，在整個加載過程中，加載裝置連同試件無任何異響及肉眼可觀測到的變化，試件的破壞形態(tài)基本一致（圖7），即沿改性砂漿隔震層上表面發(fā)生剪切破壞，開裂面較為平整。相同砂漿標號情況下，滑石粉和石墨粉的摻量越大，表面觸感越光滑；相同滑石粉和石墨粉摻量的條件下，砂漿標號越高，其表面觸感越粗糙。通過基礎滑移隔震層壓剪試驗，可得到不同工況下的基礎滑移隔震層抗剪承載力及其變化情況（圖8）。

圖7 不同改性砂漿的隔震層開裂面圖Fig.7 Cracking surface of modified mortar isolation layer

圖8 不同改性砂漿的隔震層壓剪試驗結果Fig.8 Result of compression-shear test

由圖8可見：

（1）不同標號的滑石粉改性砂漿，基礎滑移隔震層的抗剪強度呈現(xiàn)波動變化，在摻量為10%時達到最大值，摻量為7.5%時抗剪強度達到最小。

（2）對摻入石墨粉配方，抗剪強度整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中M5及M7.5的石墨粉改性砂漿在石墨粉摻量為5%時達到最大。

（3）對比抗壓強度試驗結果，對于摻量為7.5%滑石粉的改性砂漿滑移層，其抗壓強度最高，但抗剪強度最低。

究其原因主要是：本文試驗中發(fā)生的剪切破壞面均位于滑移層與試塊表面，而非滑移層內(nèi)部，其抗剪強度主要取決于改性滑移層與界面的粘結能力。

2.3 滑移隔震層的摩擦系數(shù)試驗

通過基礎滑移隔震層摩擦系數(shù)實驗，得到39種工況下的摩擦系數(shù)及其變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 不同改性砂漿的滑移隔震層摩擦系數(shù)曲線Fig.9 Friction factor curve of base sliding isolation layer

由圖9可知：

（1）對于摻入滑石粉的改性砂漿，隨著摻量增大摩擦系數(shù)曲線整體呈現(xiàn)先增高后波動下降的趨勢，摻量為2.5%時達到最大值，表明改性材料摻量較小時摩擦系數(shù)反而略有上升。該結果可由試驗現(xiàn)象“當摻量較小時界面有較多氣孔存在，導致剪切破壞面更為粗糙”解釋。

（2）對于摻入石墨粉的改性砂漿，M5和M7.5的改性砂漿隨著摻量增大，摩擦系數(shù)曲線整體也呈現(xiàn)先增高后波動下降的趨勢，摻量為5%時，摩擦系數(shù)達到最大值。其原因與摻入滑石粉時一致。

（3）M2.5的石墨粉改性砂漿的隔震層摩擦系數(shù)對石墨粉的摻量影響不大。

2.4 滑移隔震層摩擦系數(shù)的取值范圍

通過上述滑移隔震層的豎向承載力試驗、壓剪試驗和摩擦系數(shù)試驗分別得到了滑移隔震層的豎向抗壓承載力、水平抗剪承載力和滑移性能。為保證滑移隔震層在中、大震下具有較好的滑移性能，對滑移隔震層在地震作用下的受力特點進行簡單的近似計算。

由于砌體結構層數(shù)低，剛度沿高度分布較均勻，并以剪切變形為主，所以可采用底部剪力法計算，計算公式如下：

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》，對于多層砌體的房屋，宜取水平地震影響系數(shù)最大值α1=αmax[13]，而對于低層村鎮(zhèn)建筑，可近似認為G≈Geq；再假設基礎滑移隔震層的動摩擦力模型采用庫倫摩擦力模型，則基礎滑移隔震層的動摩擦力為

因此，只需比較基礎滑移隔震層的摩擦系數(shù)μ與不同地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值αmax的關系，即可篩選出滿足基礎滑移隔震層在中、大震下滑移性能較好的低標號改性砂漿配方。

表4給出了高烈度區(qū)摩擦系數(shù)取值范圍。

表4 高烈度區(qū)摩擦系數(shù)取值范圍Tab.4 The value of friction coefficient in high seismic intensity

3 結論

（1）本文提出的滑石粉和石墨粉改性砂漿作為低層村鎮(zhèn)建筑滑移隔震層可以滿足豎向抗壓承載力、中大震開裂啟滑耗能減震的預期目標。

（2）本文建立了水平地震影響系數(shù)與滑移層摩擦系數(shù)之間的關系，得到了不同抗震設防烈度相對應的摩擦系數(shù)的取值范圍（表4）。

3）根據(jù)低層村鎮(zhèn)建筑就地取材、簡單經(jīng)濟的抗震需求，對一到兩層的村鎮(zhèn)建筑建議選擇滑石粉摻量為5%的M2.5的改性砂漿作為滑移隔震層，實際應用中應注意控制材料的離散性。

[1] 王毅紅,韓崗,卜永紅,等.村鎮(zhèn)既有砌體結構民居建筑抗震性能現(xiàn)狀分析[J].建筑結構，2010,40(12):101-104 Wang Y H，Han G，Bu Y H,et al.Existing research on seismic behavior of masonry structure in village buildings[J].Building Structure，2010,40(12):101-104

[2] 清華大學、西南交通大學、北京交通大學土木工程結構專家組.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結構,2008,29(4):1-9.Civil and Structural Groups of Tsinghua University,Xi nan Jiao tong University and Beijing Jiao tong University.Analysis on seismic damage of buildings in the Wen chuan earthquake[J].Building Structure，2008,29(4):1-9.

[3] 王成.玉樹4·1地震建筑結構震害調(diào)查與分析[J].建筑結構,2010,40(8):106-109.Wang C.Investigation and analysis of building structure damage in Yu shu Earthquake[J].Building Structure，2010,40(8):106-109.

[4] 曹萬林，戴租遠，葉煒，等.村鎮(zhèn)建筑低成本隔震技術研究現(xiàn)狀與展望[J].自然災害學報，2014，23(6):38-46.Cao W l,Dai Z Y,Ye W,et al.Research and prospect of low-cost isolation techniques for rural buildings[J].Journal of Natural Disasters，2014,23(6):38-46.

[5] 尚守平，楊龍.鋼筋瀝青隔震層位移控制研究[J].土木工程學報，2015，48(2):26-33.Shang S P,Yang L.Research on displacement control of steel-asphalt isolation layer[J].China Civil Engineering Journal，2015，48(2):26-33.

[6] 李英民，卜長明，劉凱，等.簡易消能減震砌體結構模型振動臺試驗[J].重慶大學學報，2013，36(6):46-52.LI Y M，Bu C M，Liu K，et al.Shaking table experiments on a simple energy dissipation masonry structure[J].Journal of Chongqing University，2013，36(6):46-52.

[7] 劉軍生，石韻，曹曉輝.采用新型分離式摩擦滑移系統(tǒng)的隔震結構振動臺試驗研究[J].建筑結構，2015，43(4):22-26.Liu J S，Shi Y，Cao X H.Shaking table test on isolated structure with innovative separated friction sliding device[J].Building Structure，2015,43(4):22-26.

[8] Ahmad S,Masood A,Husain A.Seismic pure friction base isolation performance using demolished waste in two-story masonry building[J].Journal of the Institution of Engineers(India):Civil Engineering Division,2011,91(FEB):10-17.

[9] Kelly J M,Dimitrios Konstantinidis.Low-cost Seismic Isolators for Housing in Highly-seismic Developing Countries[C]//10th World Conference on Seismic Isolation,Energy Dissipation and Active Vibrations Control of Structures,Istanbul,Turkey,2007:28-31.

[10] Kelly J M,Shakhzod M.Takhirov.Fiber-reinforced Seismic Bearings for Low-cost Seismic Isolation Systems[C]//10 th World Conference on Seismic Isolation,Energy Dissipation and Active Vibrations Control of Structures,Istanbul,Turkey,2007:28-31.

[11]Miha Toma evi,Iztok Klemenc,Polona Weiss.Seismic Upgrading of Old Masonry Buildings by Seismic Isolation and CFRP Laminates:A Shaking-table Study of reduced Scale Models[J].Bull Earthquake Eng,2009,7:293-321.

[12]石河子大學.內(nèi)置滑移減震圈梁建筑體:2013207716140[P].2014-05-21.

[13]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑抗震設計規(guī)范GB50010-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010:35-36.

[14] 石河子大學.一種用于試件壓剪試驗的試驗裝置:2015205122132[P].2015-12-16.