張再昱， 周鐵鋼

(西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

0 引言

新疆位于喜馬拉雅-地中海地震帶上，震害較為嚴重[1]。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，自從20世紀以來，新疆平均每年發(fā)生一次里氏6級以上的地震[2-3]。在農(nóng)村房屋的建造上，由于缺乏適當?shù)臉嬙齑胧荒軡M足抗震的基本要求，導致在震害來臨時，往往損失慘重。

為了研究新疆傳統(tǒng)房屋的抗震性能，課題組深入新疆內(nèi)部，對多處土木結構房屋進行考察，并且對當?shù)啬景鍔A芯房屋的抗震性能進行研究[4-6]。本文設計了1/4縮尺比例模型的振動臺試驗，對木板夾芯房屋在水平地震作用下的地震反應和破壞特征進行了探討，通過觀察模型在不同地震加速度峰值作用下的破壞形態(tài)，評估木板夾芯房屋的安全性能，為今后新疆傳統(tǒng)房屋的研究提供理論支持。

1 新疆木板夾芯房屋簡介

在新疆，村鎮(zhèn)居民住房的結構類型主要有磚混結構、磚木結構、石木結構和土木結構，其中木板夾芯房屋就屬于土木結構的一種建筑形式[2]。該結構民居以木質框架和土坯承重，在房屋的四個角分別設置木質角柱，在角柱處設有斜向支撐，在墻體中間每隔一段距離設置木柱，房屋上下都設有木圈梁。木板夾芯房屋在墻體的內(nèi)外兩側設置水平木條包夾，并且水平木條與豎向木柱相連。其中，砌筑墻體的材料主要為土坯和泥漿。由木板夾芯房屋的施工工藝來看，整個房屋使用的建筑材料屬于綠色可再生材料，產(chǎn)生的建筑垃圾對環(huán)境影響較小[7]。木板夾芯房屋為單層房屋，結構高度為3.2m，墻體厚度為250mm，開間尺寸分別為3.3m和3.6m，進深尺寸為5.1m，如圖1所示。

圖1 木板夾芯房屋原型尺寸

墻體由木龍骨及土坯制成，土坯尺寸為330mm×60mm×70mm(長×寬×高)，墻中木柱排列整齊均勻并與底圈梁連接穩(wěn)固。這種房屋具有特殊的木質圈梁，分為頂圈梁和底圈梁，底圈梁與底座通過螺栓連接。在頂部圈梁上部設置木檁條，將木板鋪在檁條上，隨后鋪上一道席子和一層稻草，接著鋪上一層約80mm厚的麥草泥，見圖2。

圖2 模型剖面圖

2 試驗模型設計與制作

2.1 模型設計

本次振動臺模型在設計時考慮到試驗儀器的承載力(4t)和振動臺臺面尺寸(2m×2.2m)等因素，采用縮尺模型來代替其原型結構進行試驗。考慮到豎向應力相似比，保證模型與原型結構豎向壓應變的比值盡量趨近于1[8-9]。參照原型結構，利用相似理論和量綱分析法，確定本次試驗模型選用1/4縮尺比例，根據(jù)相似原理，各參數(shù)的相似關系見表1。

原型與模型相似關系 表1

在添加配重后，豎向壓應力比為1/2，保證了模型仍然具備原型結構的大部分結構特征，模型的詳細尺寸如圖3所示。

圖3 模型平面布置圖

根據(jù)縮尺比例，試驗模型參數(shù)如下：1)模型尺寸1.787m×1.337m×0.870m(長×寬×高)；2)墻體厚度62.5mm，橫向木板間距5mm，模型屋面做法與原型結構相同；3)模型基座為鋼筋混凝土，厚100mm，使用預埋螺栓連接混凝土基座與振動臺臺面；4)根據(jù)測算可知，木板夾芯模型重0.52t，鋼筋混凝土基座重0.90t，需添加配重0.962t。

2.2 模型制作

模型在施工前需先做條形基礎，再裝配墻體木龍骨、圈梁、木柱及角部斜撐。木梁與木柱連接實景照片如圖4所示，兩者采用榫卯連接。在墻體部位的木框架通過鐵釘鉚接，屋面上的做法是用鐵釘將五合板釘在檁條上，預留約10mm長的鐵釘在外部，以減小五合板與麥草泥發(fā)生相對滑移，影響試驗結果。

圖4 木柱與木梁連接實景照片

3 振動臺試驗方案設計

3.1 加載方案

本次試驗主要研究水平地震對于木板夾芯房屋的影響，共選用兩組地震波[10-11]。第一組為El Centro波，持續(xù)時間為53.73s，輸入的地震波形如圖5(a)所示；第二組為San Fernando波，持續(xù)時間為79.48s，輸入的地震波形如圖5(b)所示。在試驗開始時，先對模型進行錘擊試驗，以確定模型的結構特性，接著將兩組地震波交替輸入，每次交替輸入地震波前都重新進行錘擊試驗，在墻體產(chǎn)生嚴重的交錯裂縫后，只輸入一種El Centro波，直至試件完全破壞。試驗的各個工況如表2所示。

圖5 地震波形

3.2 傳感器布置

本次試驗共安裝加速度傳感器4個，位移傳感器5個，具體參數(shù)見表3。加速度傳感器分別布置在振動臺上、基座立面、縱墻底部和頂部，位移傳感器分別布置在振動臺上、模型兩個開間地面和模型的兩側墻面，具體的模型成品如圖6所示。

試驗工況 表2

傳感器參數(shù) 表3

圖6 木板夾芯房屋模型

4 木板夾芯房屋模型的破壞形態(tài)及分析

本次木板夾芯房屋模型振動臺試驗在西安建筑科技大學進行，將計算所得配重和傳感器安裝完成后，輸入相應地震波并觀察模型破壞形態(tài)[12-14]。隨著地震加速度峰值的增加，模型的破損程度逐漸加劇，總結如下：

(1)當加速度峰值為36gal時，模型震動幅度不大，表面無明顯裂縫。

(2)當加速度峰值為110gal時，整個模型有輕微晃動，表面有部分細碎土料掉落，觀察模型的背立面，可見一段細微裂紋，長為50mm，寬為0.05mm。這種現(xiàn)象是由于窗戶開洞削弱了整個墻體的平面內(nèi)剛度，削弱模型的抗剪能力，當?shù)卣饋砼R時，洞口角部應力集中較為嚴重，率先被破壞，如圖7(a)所示。

(3)當加速度峰值為220gal時，在模型的背側窗戶洞口處，細微裂紋繼續(xù)產(chǎn)生和發(fā)展，裂縫長度為65～80mm，寬度為0.05mm，在模型右下方的墻角處可見長為110mm，寬為0.05mm的裂縫，在圈梁與墻體的連接部位同樣出現(xiàn)了細微裂縫，削弱了房屋的整體性能，這種現(xiàn)象是由于墻角處受扭轉作用顯著，如圖7(b)所示。

(4)當加速度峰值為620gal時，模型墻體土料嚴重脫落，部分墻體出現(xiàn)鼓包和裂縫，這是由于木框架在震動中局部變形嚴重。在模型墻體下方出現(xiàn)了一條寬約0.7mm的通長裂縫，在震動過程中，隨著震動的幅度，裂縫寬度不斷變化，并且在此期間角柱和木質圈梁附近的裂縫迅速發(fā)展，這是由于模型上部配重較為集中，墻體局部彎矩較大造成的。由于木材具有良好的韌性，并且梁柱間節(jié)點連接狀況完好，使得木框架整體未發(fā)生分離現(xiàn)象。在水平地震作用下，墻體表面開裂和木框架局部變形能夠耗散能量，減小地震波對主體結構的損壞，如圖7(c)所示。

(5)當加速度峰值為800gal時，模型的墻面裂縫迅速發(fā)展，整個模型震動較為明顯，出現(xiàn)多條寬為1mm以上的較大裂縫，并在每次晃動中，迅速延伸。由于本次試驗是橫向加載，因此，墻體在多次反復震動作用下產(chǎn)生了較為密集的交錯裂縫，如圖7(d)所示。

圖7 模型破壞形態(tài)

(6)為了驗證模型在木框架出現(xiàn)明顯損壞時，是否會出現(xiàn)節(jié)點脫落和框架倒塌現(xiàn)象，將地震加速度峰值調(diào)大到1 020gal。此時，在模型墻體上有大量明顯的交錯裂縫產(chǎn)生，并且逐漸擴張加深，深度可達2.5mm。將模型表面土料清理干凈，觀察到內(nèi)部木柱與墻體的橫向木板連接較好，無松動現(xiàn)象，整個墻體結構沒有較大損壞，但上下兩道木質圈梁形成了明顯的貫通裂縫，門窗洞口處的裂縫與圈梁部位的裂縫相連。從外部觀察，整個模型嚴重變形，但整體結構未松散，如圖7(e)所示。

5 振動臺試驗結果分析

5.1 模型結構動力特性

在試驗初期，使用錘擊對模型的原始結構動力特性進行了檢測，采用自譜分析的方法收集不同工況下模型房屋的自振頻率，如表4所示。

多個工況下模型的自振頻率 表4

通過研究各個工況下的自振頻率可以發(fā)現(xiàn)，結構的自振頻率隨著地震波峰值的增長而逐漸減小，這是由于模型在多次地震作用下，內(nèi)部形成多條細微裂縫，隨著試驗的繼續(xù)，形成累積損傷，造成模型的整體剛度退化，自振頻率減小。由于模型在圈梁出現(xiàn)裂縫后，裂縫擴張迅速且發(fā)展充分，所以房屋剛度退化較快。

5.2 模型結構動力反應放大系數(shù)

結構動力反應放大系數(shù)可以很好地反映出結構自身的特性變化，并且隨著地震加速度峰值的變化而不斷改變。在圖8中繪制了模型在屋頂處的動力放大系數(shù)的變化趨勢。

圖8 模型屋頂處動力反應放大系數(shù)

由圖8可以看出，模型動力反應放大系數(shù)在兩組地震波的作用下，變化趨勢基本相同。在加速度峰值為300gal時，動力放大系數(shù)下降情況較為明顯。在這個階段，模型結構出現(xiàn)輕微破損，逐漸有細微裂紋發(fā)展成明顯的裂縫，并且這些裂縫隨著地震加速度峰值的加大而不斷擴展加深，墻體中的土坯由于破裂無法繼續(xù)參與承重，基本退出工作。木骨架逐漸成為主要的承重構件，在地震作用下表現(xiàn)出良好的韌性，房屋搖晃嚴重但并未倒塌。

5.3 模型結構的位移反應

根據(jù)5個位移傳感器數(shù)據(jù)，得到模型頂部在多個工況下的相對位移和位移角，見表5。由表5可知，隨著地震加速度峰值的增大，房屋頂部的相對位移和位移角逐漸增大。在工況10下，模型的自振頻率下降明顯，門窗洞口等薄弱位置出現(xiàn)較寬裂縫，此時模型的相對位移為4.29mm，位移角為1/203。在工況24下，模型在地震中的累積損傷嚴重，兩個部位木質圈梁裂縫貫通，木框架表現(xiàn)出良好的韌性，模型整體處于彈塑性階段，主要承重結構未倒塌，相對位移達到51.49mm，位移角為1/17。

各個工況下模型結構的位移反應 表5

5.4 水平剪力分析

由于木板夾芯房屋模型的質量大部分集中于屋頂，因此近似將模型看作一個質量塊，按照單質點體系進行分析。通過底部剪力法，將模型質量與各個工況下的地震加速度峰值相乘，可求得模型在各個工況下所承受的慣性力。由于該體系為單自由度體系，因此模型所受水平剪力與慣性力相等，公式如下所示：

V=F(t)=-ma(t)

(1)

式中：V為水平剪力；F(t)為慣性力；m為模型及配重總質量；a(t)為不同工況下的地震加速度峰值。

如圖9所示，隨著地震加速度峰值的增加，模型所受水平剪力呈現(xiàn)線性增長。在加速度峰值為220gal時，水平剪力為2 117.5N。在加速度峰值為620gal時，水平剪力為5 967.6N。

圖9 各加速度峰值下模型水平剪力

6 結論

本文通過對1/4縮尺比例單層木板夾芯房屋模型進行模擬地震振動臺試驗研究，觀察了模型房屋在不同工況下的結構動力特性、加速度和位移反應，得到的試驗結論如下：

(1)木板夾芯房屋模型在遭遇7度罕遇地震時(加速度峰值220gal)，墻體裂縫逐漸增多，模型整體性能下降，結構剛度大幅度退化，自振頻率下降明顯，隨著地震加速度峰值的增加，屋頂處的加速度和位移反應有明顯變化。

(2)模型在遭遇9度罕遇地震時(加速度峰值620gal)，土坯墻體大面積損壞，基本退出工作，木框架成為主要受力構件，表現(xiàn)出良好的韌性，雖然木質圈梁破損，房屋整體變形較為嚴重，但并未倒塌。

(3)木板夾芯房屋能夠滿足新疆大部分地區(qū)“大震不倒”的8度抗震設防要求。