王鳳華, 黃襄云, 王偉明
(1.廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510440;2.廣州大學(xué)工程抗震研究中心,廣州 510405)
古塔是我國古代建筑的主要組成部分,是優(yōu)秀的歷史文化遺產(chǎn),在漫長的歷史過程中,古塔歷經(jīng)滄桑,受到了人為和自然的破壞。我國是一個(gè)地震頻發(fā)的多地震國家,擁有許多歷史悠久的古塔建筑,這些古塔建筑大多處于地震高發(fā)區(qū)域。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),導(dǎo)致古塔破壞和倒塌的原因大部分是由于大地震造成的,如何對古塔進(jìn)行檢測及抗震加固已越來越受人們的重視,一些學(xué)者開始著手探討古塔的動(dòng)力性能和抗震加固方法,但往往局限于個(gè)別古塔的理論及試驗(yàn)分析與探討上[1-9]。因此,文中提出用動(dòng)測法測定古塔自身的強(qiáng)度、剛度和動(dòng)力學(xué)特性,對古塔結(jié)構(gòu)在地震中受到的震害進(jìn)行分析,這是考察古塔抗震能力,對其進(jìn)行抗震或可靠性鑒定及震害預(yù)測的基礎(chǔ),有了這些資料,才能分析古塔在遭遇地震作用時(shí)的反應(yīng)和可能出現(xiàn)的損壞情況,找出古塔結(jié)構(gòu)在地震中容易受到損壞的薄弱環(huán)節(jié),對其采用有效的抗震加固措施進(jìn)行修復(fù)和保護(hù),為類似古塔的抗震與可靠性鑒定、震害預(yù)測提供了一種新的手段。
我國古塔多數(shù)為多層磚砌體結(jié)構(gòu),體形簡單且構(gòu)件單一,根據(jù)文獻(xiàn)[10],側(cè)向剛度可表示:
式中,H為古塔等磚砌體的高度;E為砌體的彈性模量;G為砌體的剪切模量;ξ為剪切力不均勻系數(shù);A為磚砌體截面積;JZ為慣性矩。
古塔等砌體結(jié)構(gòu)軸心受壓時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線可根據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)資料,砌體軸心受壓時(shí)σ-ε可用式(2)表示[11]:
式中,αm為剛度與軸心強(qiáng)度的關(guān)系系數(shù);α為彈性特征值,據(jù)我國176種墻體的試驗(yàn)[11]數(shù)據(jù),對磚砌體取αm=463;fm為砌體結(jié)構(gòu)的軸心抗壓強(qiáng)度平均值;fu為砌體結(jié)構(gòu)的軸心抗壓強(qiáng)度極限值。
將古塔的割線模量式(3)代入側(cè)向剛度式(1),得到古塔等砌體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系如式(4)所示。
古塔等砌體結(jié)構(gòu)可簡化為多質(zhì)點(diǎn)體系的數(shù)學(xué)計(jì)算模型[12],如圖1所示。其特征方程:
圖1 古塔結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)計(jì)算模型
特征方程中,[K]、[M]分別為剪切型剛度矩陣及主對角線型質(zhì)量矩陣。
設(shè)Ki為古塔結(jié)構(gòu)第i層層間剛度;Mi為古塔第i層層間集中質(zhì)量;f為古塔基本頻率;Ai(i=1,2…,n)為古塔在基本振型下各層的位移,令:
因此,古塔等砌體結(jié)構(gòu)各層墻體的側(cè)向剛度可用式(8)、式(9)計(jì)算。
第一層間:
把用動(dòng)測法測定的古塔的基本頻率f和基本振型下各層位移實(shí)測值A(chǔ)i及Mi(i=1,2,…,n)代入用模態(tài)識別法求解得古塔各層砌體的側(cè)向剛度式(5)~式(9),得出各層砌體側(cè)向剛度Ki(i=1,2,…,n),從而識別古塔各層間的材料特性,進(jìn)行古塔的幾何特性分析,最后代入式(4)可得各層砌體軸心抗壓強(qiáng)度fm,求解古塔各層砌體的軸心抗壓強(qiáng)度。
古塔等砌體結(jié)構(gòu)的骨架曲線可用三線型模型表示見圖2[13-17],結(jié)構(gòu)變形達(dá)到極限位移及臨界倒塌時(shí)的延性系數(shù)分別為μu及μw,如式(10)所示。
圖2 三線型模型
式中,Δy為等效屈服位移;Δu為極限位移;Δw為極限位移及臨界倒塌(即Vw=0.8Vu)時(shí)的位移;Vu為極限荷載。據(jù)文獻(xiàn)[13]~[17]對97個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分歸類和分析表明,磚墻片的μu及μw值離散性較小,故文中μu及μw取其平均值。
古塔等砌體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與等效屈服位移之間的關(guān)系可表示:
式中,K為該砌體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度;Am為該砌體結(jié)構(gòu)水平截面毛面積;ζ為該砌體結(jié)構(gòu)剪切力分布不均勻系數(shù);α0為K與Δy之間的系數(shù);fv為磚砌體抗剪強(qiáng)度;σ0為層高半高處由墻自重產(chǎn)生的平均壓應(yīng)力。
根據(jù)文獻(xiàn)[13]~[17]的統(tǒng)計(jì)分析,砌體結(jié)構(gòu)墻體α0值離散性較小,因此文中α0值取其平均值。當(dāng)古塔墻體側(cè)向剛度K利用動(dòng)測法測定之后,由式(11)可得到等效屈服位移Δy。
根據(jù)我國《震害預(yù)測工作大綱》及《建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》[(90)建抗字第377號],古塔在基本完好和輕微破壞狀態(tài)時(shí),屬于彈性階段,可以采用底部剪力法計(jì)算各層的水平地震作用力,如式(12)所示:
由各層墻體的側(cè)向剛度式(8)、式(9)和側(cè)向剛度與等效屈服位移之間的關(guān)系式(11),可求得古塔各層在彈性階段下的層間位移:
古塔等多層砌體結(jié)構(gòu)屬于多層剪切型結(jié)構(gòu),根據(jù)文獻(xiàn)[18],當(dāng)震害破壞等級為中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌時(shí),古塔處于彈塑性階段,其剛度明顯降低,地震反應(yīng)位移增長速率加大。由層間彈性位移乘以彈塑性位移增大系數(shù)ηp可得到層間彈塑性位移。
其中層間彈塑性位移增大系數(shù)ηp取值與樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)ξ(i)有關(guān),根據(jù)文獻(xiàn)[18],文中取屈服強(qiáng)度系數(shù)依次為0.5、0.4及0.3,對應(yīng)預(yù)估層間震害等級,分別確定在不同震害破壞等級下的層間彈塑性位移增大系數(shù)ηp,如表1所示。
表1 彈塑性位移增大系數(shù)
根據(jù)古塔各層墻體地震反應(yīng)位移計(jì)算結(jié)果及地震破壞等級判別準(zhǔn)則,可得到古塔結(jié)構(gòu)各層墻體震害等級,根據(jù)古塔各層墻體的震害等級即可綜合評估古塔整體的震害等級。
文中對廣州市某古塔進(jìn)行檢測與評定,古塔外形輪廓如圖3、圖4所示,該塔由主塔和小塔組成,總高度由現(xiàn)地面起計(jì)34.246m,古塔為砌體結(jié)構(gòu)[19]。將其根據(jù)集中質(zhì)量法等效為五質(zhì)點(diǎn)體系的多自由度計(jì)算模型,計(jì)算簡圖如圖5所示。從塔身抽取磚試件試壓,抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示。磚砌體表層灰縫材料用砂漿回彈儀進(jìn)行檢測,其回彈值為零,可知磚和砂漿強(qiáng)度都偏低,為計(jì)算參數(shù)選取的需要,取砂漿強(qiáng)度為最低標(biāo)號的砂漿-M0.4。
圖3 古塔整體外觀
圖4 古塔外形輪廓
圖5 古塔動(dòng)力計(jì)算
表2 古塔抽取磚塊試樣尺寸及抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果
測試過程和方法按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行:JGJ 101-96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》、CECS 74-95《場地微震動(dòng)測量技術(shù)規(guī)范》、GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。
試驗(yàn)采用丹麥產(chǎn)4381V型傳感器及其配套的電荷放大器見圖6。測試時(shí)沿古塔結(jié)構(gòu)塔身高度從下至上,沿東南西北四個(gè)方向均勻布置10個(gè)加速度傳感器,傳感器布置如圖7所示,每一方向測試10次,每次測試約10min。采用DASP信號采集儀記錄加速度變化的時(shí)程。采用橡膠錘敲擊古塔塔身施加沖擊力,產(chǎn)生水平向激振,采集古塔產(chǎn)生的微小振動(dòng),以識別古塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
圖6 丹麥產(chǎn)4381V型傳感器和放大器
圖7 傳感器布置示意圖
由測試可得古塔各測點(diǎn)的加速度時(shí)程,通過自功率譜函數(shù)分析可得結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼及結(jié)構(gòu)振型,計(jì)算結(jié)果見表3,結(jié)構(gòu)第一振型見圖8。
表3 古塔自振頻率及阻尼
圖8 古塔結(jié)構(gòu)第一振型
通過測試得到:
(1) 古塔動(dòng)力特性:古塔結(jié)構(gòu)的一階頻率為1.25Hz,周期為 0.8s,二階頻率為 2.5Hz,周期為 0.4s,三階頻率為5.5Hz,周期為0.182s,四階頻率為10.3Hz,周期為0.097s。
(2) 結(jié)構(gòu)阻尼比為0.023。
(3) 古塔各測點(diǎn)的加速度時(shí)程。
用底部剪力法分別計(jì)算不同地震烈度下古塔各質(zhì)點(diǎn)的水平地震力,地震剪力和層間地震反應(yīng)位移,由彈性模量式(3)及古塔側(cè)向剛度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系式(4)計(jì)算古塔各質(zhì)點(diǎn)的側(cè)向剛度和軸心抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如表4所示。
表4 古塔各質(zhì)點(diǎn)的側(cè)向剛度和軸心抗壓強(qiáng)度檢測計(jì)算結(jié)果
用底部剪力法計(jì)算不同地震烈度下古塔各質(zhì)點(diǎn)水平地震力,地震剪力和層間地震反應(yīng)位移,結(jié)果如表5所示。由彈性模量式(3)及古塔側(cè)向剛度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系式(4)計(jì)算層間等效屈服位移,極限位移和臨界倒塌位移,確定震害等級區(qū)間,結(jié)果如表6所示。比較分析古塔結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)位移與變形能力,并根據(jù)地震破壞等級判別準(zhǔn)則判斷各層結(jié)構(gòu)的震害等級,綜合評估古塔整體的震害等級,結(jié)果如表7所示。
表5 古塔各質(zhì)點(diǎn)地震反應(yīng)位移計(jì)算結(jié)果
表6 古塔各質(zhì)點(diǎn)震害等級區(qū)間
表7 各質(zhì)點(diǎn)以及古塔整體震害等級評估結(jié)果
文中提出用動(dòng)測法對古塔等砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評估,并用該方法對廣州市某古塔的抗震性能進(jìn)行實(shí)際檢測與評定,得出以下結(jié)論:
(1) 提出用動(dòng)測法對古塔等砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行監(jiān)測評定,為古塔的強(qiáng)度和質(zhì)量評估提供了有效的手段。
(2) 采用底部剪力法對古塔進(jìn)行彈塑性地震分析,找出古塔結(jié)構(gòu)在地震中容易受到損壞的薄弱環(huán)節(jié)。
(3) 通過計(jì)算古塔等砌體結(jié)構(gòu)的層間變形與地震反應(yīng)位移,根據(jù)地震破壞等級判別準(zhǔn)則得出古塔各層的震害等級,從而綜合評估古塔整體的震害等級,為類似古塔的抗震或可靠性鑒定、震害預(yù)測提供了一種新的手段。