姚學(xué)群 岳 磊 李旭良 謝正忠 胡加云

(昆明學(xué)院城建學(xué)院，云南 昆明 650214)

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竹木模型結(jié)構(gòu)抗震和砂墊層隔震對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究★

姚學(xué)群 岳 磊 李旭良 謝正忠 胡加云

(昆明學(xué)院城建學(xué)院，云南 昆明 650214)

對(duì)底部固定非隔震和底部在砂墊層上隔震的兩個(gè)上部結(jié)構(gòu)完全相同的竹木模型進(jìn)行了震動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了位移對(duì)比，另外，通過SAP2000軟件，分析了底部固定非隔震模型，和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也作了比較，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)和軟件模擬數(shù)據(jù)比較接近，非隔震的結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)層間位移有較大差異，隔震結(jié)構(gòu)明顯層間位移小，但底部有較大的水平和豎向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。

竹木結(jié)構(gòu)模型，砂墊層，隔震結(jié)構(gòu)，水平位移

0 引言

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)在大震下還是可能損壞嚴(yán)重，不能保證罕遇地震發(fā)生時(shí)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)構(gòu)隔震、耗能減震等控制技術(shù)，現(xiàn)已展現(xiàn)出良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

按隔震裝置的設(shè)置部位不同，可把隔震方式分為：層間隔震、基礎(chǔ)隔震、地基隔震。目前技術(shù)成熟運(yùn)用較多的是基礎(chǔ)隔震和層間隔震，主要通過房屋基礎(chǔ)底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成的具有整體復(fù)位功能的隔震層，以延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，從而大幅度降低建筑物對(duì)地震的響應(yīng)，使上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)減輕，防止上部結(jié)構(gòu)在地震中破壞嚴(yán)重。應(yīng)用較廣泛的基礎(chǔ)隔震主要是橡膠墊隔震方案，少見采用聚四氟乙烯板、潤(rùn)滑鋼板、砂石墊層、滑石粉、柔性石墨等材料作為摩擦滑移材料的滑動(dòng)隔震方案。

地基隔震是通過設(shè)置于建筑物基礎(chǔ)底部與地基土之間的砂、石墊層或土工合成材料，或其他的地基處理方式來達(dá)到減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞的隔震目的，屬于褥墊層隔震的范疇，其隔震、減震機(jī)理與基礎(chǔ)隔震和層間隔震法不同，相對(duì)于目前規(guī)范推薦的橡膠支座隔震的方法，砂、石墊層法隔震更加造價(jià)低廉、施工方法簡(jiǎn)單易行，砂墊層的減震理論目前尚在研究探討中，僅在一些農(nóng)村村鎮(zhèn)房屋的修建中有所運(yùn)用[1,2]。

實(shí)驗(yàn)采用全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中使用的微型振動(dòng)臺(tái)，對(duì)2個(gè)上部結(jié)構(gòu)完全相同的竹木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了2個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是底部固定的竹木結(jié)構(gòu)模型，另一個(gè)是底部不固定的竹木結(jié)構(gòu)模型(下設(shè)砂墊層隔震)，震動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程用高速攝像機(jī)拍攝，應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了層間相對(duì)位移的對(duì)比分析，對(duì)底部固定非隔震的模型另外用SAP2000建模分析，和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)條件

如圖1所示，采用2層框架模型，柱距200 mm，層高250 mm，模型材料用大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中采用的0.35 mm和0.5 mm厚的竹皮為原料，制作出箱形截面柱和工字形截面梁，柱邊長(zhǎng)為6 mm，中間層梁高8 mm，頂層梁高6 mm，梁上下翼緣寬相同為5 mm。隔震模型應(yīng)設(shè)地梁，為使抗震模型和隔震模型統(tǒng)一，2個(gè)結(jié)構(gòu)模型都采用了地梁，地梁采用8 mm邊長(zhǎng)的箱形截面。模型質(zhì)量?jī)H僅45 g，為獲得較大的傾覆力矩和較大的側(cè)向位移，頂部放加載板，施加了2.45 kg的壓力，簡(jiǎn)化成4個(gè)柱頂端受到4個(gè)集中力作用，抗震模型四角柱底部采用固定端約束，用SAP2000對(duì)抗震模型建模，進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分析，按9度(0.4g)，影響系數(shù)最大值0.32，阻尼比0.014，Chinese2010規(guī)范反應(yīng)譜函數(shù)輸入，振型組合采用CQC法，方向組合采用SRSS法，進(jìn)行反應(yīng)譜的分析計(jì)算，結(jié)果表明，第一模態(tài)和第二模態(tài)均為平動(dòng)型，第三模態(tài)為轉(zhuǎn)動(dòng)型，各桿件主應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，按計(jì)算結(jié)果估計(jì)不會(huì)發(fā)生傾覆和破壞現(xiàn)象，實(shí)際實(shí)驗(yàn)也確實(shí)未破壞。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)采用北京波譜世紀(jì)科技發(fā)展有限公司出產(chǎn)的WS-Z30-50型振動(dòng)臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行單向水平震動(dòng)實(shí)驗(yàn)，輸入的地震波采用第八屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽上采用的如圖2所示的三級(jí)地震波。第一級(jí)地震波數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間間隔t為0.005 s，即數(shù)據(jù)采樣頻率f為200 Hz，波形時(shí)長(zhǎng)為32 s。

第二級(jí)和第三級(jí)輸入的地震波：地震波數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)間間隔t為0.002 s，即數(shù)據(jù)采樣頻率f為500 Hz，波形時(shí)長(zhǎng)為90 s。

通過控制測(cè)試及軟件分析，取得以下有關(guān)三級(jí)地震波的頻譜分析結(jié)果，功率譜分析可看出三級(jí)地震波的能量分布，第一級(jí)地震波在頻率約3 Hz～5 Hz(周期大約0.2 s～0.33 s)時(shí)震動(dòng)幅值較大。第二級(jí)地震波在頻率約1.7 Hz～4.5 Hz(周期大約0.22 s～0.58 s)時(shí)震動(dòng)幅值較大。第三級(jí)地震波在頻率約0.75 Hz～1.75 Hz(周期大約0.57 s～1.25 s)時(shí)震動(dòng)幅值較大，大賽采用的地震波可激發(fā)共振的頻譜范圍是比較廣的。

隔震模型除設(shè)置地梁外，地梁底部設(shè)砂墊層如圖3所示。參考有關(guān)文獻(xiàn)[3]～[7]，砂墊層在松散狀態(tài)下的減震效果比較好，砂子單一粒徑相對(duì)連續(xù)級(jí)配的隔震效果要好。最后實(shí)驗(yàn)采用篩選的圓粒河砂(粒徑為0.68 mm～1.0 mm)，密實(shí)程度較為松散，含水率較低、比較干燥的細(xì)砂做墊層，砂墊層的厚度為300 mm。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比分析

2.1 抗震模型軟件模擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比

用SAP2000模擬的抗震模型各階模態(tài)的周期與位移的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 抗震模型各階模態(tài)的周期與位移的數(shù)據(jù)

用前述三級(jí)地震波進(jìn)行小振動(dòng)臺(tái)的模型抗震實(shí)驗(yàn)，每級(jí)地震波下振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸出最大加速度在(0.4±0.03)g范圍內(nèi)波動(dòng)，實(shí)際抗震模型實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到的振動(dòng)模態(tài)以第一平動(dòng)振型和第一扭轉(zhuǎn)振型為主，其他振型模態(tài)不明顯，實(shí)際結(jié)構(gòu)在每級(jí)地震波下的位移數(shù)據(jù)見表2。

表2 抗震模型各級(jí)地震波下的位移數(shù)據(jù)

第一級(jí)地震波下，觀測(cè)到平動(dòng)位移較大，扭轉(zhuǎn)位移較小；第二級(jí)地震波下，平動(dòng)位移和扭轉(zhuǎn)位移均比第一級(jí)地震波明顯要大，說明共振響應(yīng)較第一級(jí)要大；第三級(jí)地震波下，扭轉(zhuǎn)位移和水平位移又比第一級(jí)和第二級(jí)地震波大，平扭耦合更為明顯。除去實(shí)際模型制作上與計(jì)算理想模型的差異，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)位移值與軟件模擬值較為接近。

2.2 砂墊層隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比

由于隔震的需要，竹木結(jié)構(gòu)底部不固定，而是通過在竹木結(jié)構(gòu)底部設(shè)置地梁，地梁底面平整，地梁底面受到上部結(jié)構(gòu)傳下來的壓力與砂墊層接觸，接觸面在震動(dòng)中存在一定的摩擦滑移，但觀測(cè)到的摩擦滑移水平位移很小，不到4 mm，且震動(dòng)中模型有陷入砂層中的現(xiàn)象，而震動(dòng)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到地梁整個(gè)底面有一側(cè)向上抬起脫離墊層，另一側(cè)陷入砂墊層內(nèi)部的現(xiàn)象，也即隔震結(jié)構(gòu)會(huì)有發(fā)生豎向向上或向下顛簸的位移問題，第三級(jí)地震波下此豎向位移尤其明顯，豎向位移甚至超過了頂部水平位移，同時(shí)伴有整個(gè)結(jié)構(gòu)繞豎軸一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)量測(cè)，隔震結(jié)構(gòu)在每級(jí)地震波下的位移數(shù)據(jù)見表3。

表3 隔震模型各級(jí)地震波下的位移數(shù)據(jù)

與前述非隔震的抗震結(jié)構(gòu)相比，實(shí)際實(shí)驗(yàn)的位移數(shù)據(jù)表明，非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的層間位移有較大差異，隔震結(jié)構(gòu)層間位移較小，說明隔震結(jié)構(gòu)的減震效果是明顯的。由于底部不固定，結(jié)構(gòu)存在偶然偏心和振動(dòng)試驗(yàn)中轉(zhuǎn)動(dòng)振型被激發(fā)的原因，整個(gè)模型結(jié)構(gòu)在砂墊層上會(huì)有一定的整體水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于在震動(dòng)過程中隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的豎向位移甚至超過了頂部水平位移的現(xiàn)象，在減輕了上部結(jié)構(gòu)承受的荷載基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明上部結(jié)構(gòu)荷載減輕后可減小此豎向位移。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，作為隔震結(jié)構(gòu)中的一種類型，砂石墊層的減震效果也是明顯的，但尚需做更多的研究實(shí)驗(yàn)，豐富其設(shè)計(jì)理論，以便今后制定更科學(xué)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。此次的實(shí)驗(yàn)框架模型高寬比為2.5，模型頂部加載質(zhì)量與模型本身質(zhì)量之比達(dá)到了50多倍，傾覆力矩較大但未發(fā)生傾覆破壞，如果是實(shí)際使用的建筑結(jié)構(gòu)，加載質(zhì)量與結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量之比遠(yuǎn)不會(huì)那么大，高寬比不太大而又未發(fā)生強(qiáng)度破壞時(shí)，整體的傾覆破壞一般不易出現(xiàn)，而出現(xiàn)的不能恢復(fù)的較大水平與豎向位移和持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)問題是砂墊層隔震結(jié)構(gòu)需要尤其重視的問題，應(yīng)考慮增加限位裝置解決這一問題。另外砂墊層隔震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的較大豎向位移，也說明在支座或與地梁連接的框架柱之類的豎向構(gòu)件中，要重視拉、壓應(yīng)力超過承載力的問題，類似的如同對(duì)橡膠隔震支座墊的要求，在抗震規(guī)范中就有要“防止支座壓屈、壓應(yīng)力超限或出現(xiàn)拉應(yīng)力超過1 MPa”的規(guī)定，今后在有關(guān)的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中需要特別注意這些問題，可增加有關(guān)支座或豎向構(gòu)件拉壓應(yīng)力、應(yīng)變大小的量測(cè)內(nèi)容。

限于實(shí)驗(yàn)條件所限，小振動(dòng)臺(tái)難以承受較大重量，模型未能采用鋼材或砌體、混凝土等材料制作，此次試驗(yàn)分析研究結(jié)果僅供參考。另外由于SAP2000不適宜模擬此砂墊層隔震模型的受力和邊界條件，尚需用其他軟件如ANSYS進(jìn)行砂墊層隔震結(jié)構(gòu)的受力變形模擬，再與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

[1] 姚學(xué)群，徐從發(fā)，江曉敏.地基砂石墊層隔震的研究現(xiàn)狀和幾個(gè)有關(guān)問題[J].四川建筑科學(xué)研究,2010,36(4)：171-174.

[2] 錢國(guó)禎，許 哲，石樹中.兩種農(nóng)村簡(jiǎn)易隔震試點(diǎn)建筑介紹[J].工程抗震與加固改造,2014,36(2)：27-34.

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[10] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Comparative experimental study on bamboo model structure of anti-seismic and sand cushion isolation★

Yao Xuequn Yue Lei Li Xuliang Xie Zhengzhong Hu Jiayun

(InstituteofKunming,InsituteofUrbanConstruction,Kunming650214,China)

The paper carries out vibration test for two same bamboo model with fixed non-vibration isolation bottom and sand cushion vibration isolation bottom, carries out their displacement comparison by applying testing data achievements, uses SAP2000 software, and compares fixed non-vibration isolation bottom to experimental data. Results show that: the experimental data is in accordance with software simulating data; the inter-layer displacement of non-vibration isolating structure and vibration isolating structure is different; the displacement of vibration isolating structure is relatively small, however, it will occur obvious horizontal and vertical displacement and alteration phenomenon at the bottom.

bamboo-structure model, sand cushion, vibration isolating structure, horizontal displacement

1009-6825(2017)10-0040-03

2017-01-21★:實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為昆明學(xué)院2016年大學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目

姚學(xué)群(1970- )，女，副教授

TU352

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