婁晏寧, 胡穎平, 盛 濤, 吳 晨

(1 寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，寧波 315211；2 蘇州立誠建筑設(shè)計(jì)院有限公司，蘇州 215413)

0 概述

我國農(nóng)村地域廣闊且經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡,農(nóng)民自建房出于經(jīng)濟(jì)成本考慮往往忽視其抗震設(shè)防要求,導(dǎo)致缺乏足夠抗震措施,地震危險性較大。在2008年汶川地震、2013年和2022年雅安地震中,抗震性能薄弱的農(nóng)村建筑造成了大量人員傷亡和財產(chǎn)損失,致使農(nóng)村建筑的抗震問題引起了社會各界的廣泛關(guān)注。近年來,相關(guān)學(xué)者對各地農(nóng)村建筑震害進(jìn)行了相關(guān)研究。張航華等[1]分析了農(nóng)村各類型建筑物破壞的情況及原因,發(fā)現(xiàn)其普遍存在抗震能力低、材料性能差、監(jiān)管力度弱等特點(diǎn)。潘毅等[2-3]比較了四川滬縣、長寧等地不同房屋結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞情況,發(fā)現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)在地震破壞中較為嚴(yán)重;劉建輝等[4]通過現(xiàn)場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)云南寧蒗農(nóng)村地區(qū)木結(jié)構(gòu)房屋也存在較嚴(yán)重震害現(xiàn)象。自2016年起,我國地震局和建設(shè)主管部門提高了各類建筑物的抗震設(shè)防要求,且建議在農(nóng)村建筑中推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)。但傳統(tǒng)鉛芯橡膠隔震支座造價高、資源消耗大,施工安裝難度高,不適合在量大面廣的農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。為此,我國2021年發(fā)布的《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51408—2021)中明確要求農(nóng)村建筑應(yīng)優(yōu)先選用重量輕、無復(fù)雜連接要求和施工簡便的隔震支座。但目前國內(nèi)外能滿足這些要求的支座還較為缺乏。

李雅靜等[5]指出,目前農(nóng)村建筑隔震措施主要包括基礎(chǔ)滑移隔震、橡膠墊層隔震、復(fù)合基礎(chǔ)隔震。James[6]應(yīng)用纖維增強(qiáng)復(fù)合板(FRP)代替鋼板制作了疊層橡膠支座,大幅減輕了其重量,但復(fù)合板的平面外剛度較小,使其大剪切變形下的穩(wěn)定性問題較突出。黃襄云等[7]將高分子纖維布與疊層橡膠硫化成整體,制作了簡易型隔震支座,通過減小尺寸來提高其穩(wěn)定性。譚平等[8]利用短切纖維工程塑料板代替鋼板制作了疊層橡膠支座,降低了重量和造價。Turer、田原源等[9-10]將廢舊輪胎切割成墊片,將墊片粘接疊放后制作了簡易隔震支座,具有施工簡便、成本低廉等優(yōu)勢。陳彪漢、才增霞等[11-12]也對疊層輪胎墊片的承載及隔震性能開展了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)其隔震性能較好。Losanno等[13-14]研究者通過數(shù)值模擬研究了再生橡膠-纖維增強(qiáng)板隔震支座,并結(jié)合喜馬拉雅山地區(qū)的農(nóng)村建筑分析了其可行性。Katasmakat等[15]提出了一種低成本滾動橡膠隔振器,并證明了該隔振器可大大降低傳遞到上層建筑的加速度。以上支座應(yīng)用于農(nóng)村建筑時均具有可行性,但也存在一些不足。例如:Mohajeani等[16]認(rèn)為廢舊輪胎中重金屬和化學(xué)品的毒性不適合在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用;而纖維塑料板也難以降解,不具有綠色環(huán)保功能。除此之外,上述支座的加工過程也較為復(fù)雜,施工簡易性仍有待改進(jìn)。

目前,在“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略背景下,竹材的強(qiáng)大儲碳能力,較高的拉、壓強(qiáng)度和較輕的質(zhì)量引起了人們高度重視,一度被認(rèn)為是替代鋼材的最佳材料之一。此外,竹材種植難度低、生長周期短、取材方便、價格低廉,適合在農(nóng)村地區(qū)大范圍推廣。本文以重組竹板代替鋼板,結(jié)合高強(qiáng)度冷粘型膠水,為農(nóng)村建筑研發(fā)了一種低碳、低成本,且重量輕、無復(fù)雜連接要求,加工和施工難度低的疊層竹板橡膠隔震支座,并通過靜力和擬靜力試驗(yàn)檢驗(yàn)了新型支座的力學(xué)性能及可行性。

1 新型支座設(shè)計(jì)

新型疊層竹板橡膠隔震支座的三維剖視圖和實(shí)物圖如圖1所示,其僅包含重組竹板、橡膠片和鋼環(huán)三個組成部件。竹板和橡膠的接觸面應(yīng)用高強(qiáng)度橡膠專用的518膠水粘接。該冷粘型加工方式對機(jī)械設(shè)備要求不高,且成本低廉,適合在農(nóng)村地區(qū)推廣?？紤]到一般農(nóng)村建筑的重量較輕,為降低其隔震頻率,橡膠片采用邵氏硬度HS35的天然橡膠,其剪切模量約0.35MPa。為使竹板順、橫紋向具有相近力學(xué)特性,且不喪失其橫紋向的平面外剛度,沿竹板外圍應(yīng)用0.5mm厚的薄鋼片包裹加固,使竹板橫紋向拉力轉(zhuǎn)換為薄鋼片拉力。

圖1 新型支座圖

此外,如圖1所示,新型支座與傳統(tǒng)疊層鋼板橡膠隔震支座不同,其省去了與上、下部結(jié)構(gòu)之間連接專用鋼板,可直接將支座嵌固在基礎(chǔ)和隔震層梁的預(yù)留空槽內(nèi),一方面簡化了隔震層施工流程,另一方面便于震后迅速更換隔震支座。

2 竹板的力學(xué)性能試驗(yàn)

新型支座的隔震性能取決于加固重組竹板的壓剪力學(xué)性能及518膠水的粘接強(qiáng)度。本文結(jié)合高性能壓力試驗(yàn)機(jī)和自制壓剪靜力加載裝置開展竹板的純壓試驗(yàn)和壓剪試驗(yàn),以評估竹板和膠水的力學(xué)可靠性。

2.1 純壓試驗(yàn)

試驗(yàn)時采用如圖2(a)所示的直徑220mm、厚度10mm的加固重組竹板,按0.5kN/s的速率加載至30MPa。每間隔5MPa取下竹板觀察其裂縫變化情況。各級壓力下的試驗(yàn)如圖2(b)、(c)所示。最后一次加載的力-位移曲線如圖2(d)所示。

圖2 重組竹純壓試驗(yàn)圖

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)竹板在純壓狀態(tài)下的裂縫均沿順紋向發(fā)展,橫紋向沒有裂縫;2)竹板具有較高的抗壓承載力,加載至15MPa時出現(xiàn)細(xì)微裂縫,加載至20MPa時出現(xiàn)貫通型裂縫;3)薄鋼環(huán)可顯著抑制竹板裂縫寬度,使其保持整體性,因此可顯著提升竹板的抗壓強(qiáng)度。

《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51408—2021)[17]建議農(nóng)村建筑簡易隔震支座的豎向壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值為5MPa。根據(jù)本文純壓試驗(yàn)結(jié)果,竹板的安全承載系數(shù)遠(yuǎn)高于3,因此具有較高冗余度。

2.2 壓剪試驗(yàn)

仿照疊層鋼板橡膠隔震支座的試驗(yàn)方法,設(shè)計(jì)了如圖3(a)、(b)所示的竹板壓剪試驗(yàn)裝置。該裝置主體結(jié)構(gòu)為水平向單向拉伸自反力架,由力傳感器測試其水平剪力,由千分尺測試其水平位移。

圖3 重組竹壓剪試驗(yàn)圖

試驗(yàn)時將該裝置固定于2 000kN壓力試驗(yàn)機(jī)內(nèi),施加5MPa恒定豎向壓應(yīng)力。再依據(jù)《橡膠支座 第1部分:隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》(GB/T 20688.1—2007)[18],在竹板的上、下表面粘貼橡膠片,通過推動橡膠片給竹板施加剪力。因此,試驗(yàn)結(jié)果還可用于評估冷粘膠水的粘結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)過程中觀察竹板的開裂情況,記錄力-位移曲線。最終狀態(tài)下的竹板及其力-位移曲線如圖3(c)、(d)所示,剪應(yīng)力最大值為1.5MPa。

試驗(yàn)時,順紋向加載的竹板未出現(xiàn)任何裂縫,說明其順紋向強(qiáng)度較高。橫紋向加載時,當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到1MPa時,竹板發(fā)出明顯聲響,證明其部分纖維出現(xiàn)斷裂和重排列情況,其剪切剛度也有所降低。繼續(xù)沿橫紋向加載至1.5MPa時,聲響較大,停止加載。高溫環(huán)境下將膠水融化后,發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)如圖3(c)所示的兩條貫通型裂縫,但竹板外觀完整,仍具承載力。

當(dāng)竹板壓應(yīng)力為5MPa時,等效為承重170kN,若隔震周期為1.5s,場地特征周期為0.25s(山區(qū)),設(shè)防烈度為9度,由式(1)可知,罕遇地震時竹板的最大剪力為48kN,等效為1.5MPa。

(1)

式中:α為水平影響系數(shù);Tg為場地特征周期;T為隔震周期;αmax為水平影響系數(shù)最大值;Gek為建筑重力荷載代表值;Fek為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。

由此可知,重組竹板經(jīng)過薄鋼環(huán)加固后具有良好的壓剪復(fù)合受力性能,可滿足《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51408—2021)中高烈度區(qū)農(nóng)村建筑承載所需。此外,上述試驗(yàn)過程中并未出現(xiàn)膠水剝離現(xiàn)象,證明518膠水粘接強(qiáng)度可靠。且由圖3(d)可知,竹板順、橫紋向的力學(xué)性能相近,可近似為各向同性,證明薄鋼片可顯著提升竹板縱橫向整體性。

3 某農(nóng)村建筑基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)

3.1 農(nóng)村建筑概況

為響應(yīng)新農(nóng)村建設(shè)號召,以四川省汶川縣某兩層農(nóng)居建筑為例,應(yīng)用新型支座設(shè)計(jì)基礎(chǔ)隔震方案。該建筑所在建設(shè)場地的抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g,場地類別Ⅰ1類(山區(qū)),設(shè)計(jì)地震分組為第一組(近震)。該建筑采用砌體結(jié)構(gòu),建筑面積約200m2,其建筑立面圖和平面圖分別如圖4(a)、(b)所示,隔震層支座布置圖如圖4(c)所示,其擬應(yīng)用12個新型隔震支座。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙估算得到其總重力荷載代表值約2 000kN,分配到每個支座上的重力荷載代表值如圖4(c)所示。

圖4 汶川縣某農(nóng)村建筑

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[19](簡稱抗規(guī))相關(guān)要求,隔震支座的尺寸選取不僅要滿足壓應(yīng)力限值,還要滿足變形性能。同時考慮到農(nóng)村建筑體量小,扭轉(zhuǎn)變形不明顯,支座選型宜統(tǒng)一,以便加工、運(yùn)輸和安裝,因此統(tǒng)一采用直徑220mm的支座作為基礎(chǔ)隔震方案,每個支座的壓應(yīng)力如圖4(c)所示,最大值5MPa,滿足規(guī)范中的壓應(yīng)力要求。

3.2 基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)

為了滿足抗規(guī)中的變形性能要求,新型支座的尺寸如圖5所示,采用9層橡膠片和10層竹板。其中,竹板與薄鋼片的厚度、直徑等尺寸與第2節(jié)相同。為保證支座具有良好穩(wěn)定性,需要盡量減小橡膠層總厚度,為了抵御罕遇地震,支座需要具有較大的水平向變形能力。綜合上述要求,選取HS35、厚度4mm、直徑210mm的軟橡膠墊,與竹板形成“內(nèi)嵌”結(jié)構(gòu),可使橡膠片的壓剪應(yīng)力均勻化。

圖5 新型支座尺寸圖

支座的第一形狀系數(shù)S1為13.1,第二形狀系數(shù)S2為5.8,穩(wěn)定性良好。在實(shí)際應(yīng)用時,支座外圍增設(shè)橡膠保護(hù)層,防水防潮及防蟲蛀,也可以防老化和腐蝕等問題。

傳統(tǒng)疊層鋼板橡膠隔震支座的抗剪剛度KH計(jì)算公式如式(2)所示。其中,G為橡膠材料的剪切彈性模量;A為橡膠板平板面積;h為橡膠層總厚度。根據(jù)HS35天然橡膠的剪切模量估算得到新型支座的剪切剛度約0.3kN/mm。

(2)

此時,該農(nóng)村建筑的隔震剛度為3.6kN/mm,對應(yīng)的隔震周期為1.5s。根據(jù)式(1)所示的反應(yīng)譜法計(jì)算得到隔震層在小震、中震和大震時的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值約9.3、19.02、28.5kN。對應(yīng)的剪應(yīng)變分別為88%、176%和264%,滿足抗規(guī)中“支座極限剪切變形應(yīng)小于橡膠層總厚度的300%及0.55倍的有效直徑”相關(guān)要求。

根據(jù)原材料市場價格,每塊重組竹板約10～20元,每塊橡膠板約10元,不銹鋼條價格約5元/m,518膠水約25元/100ml。實(shí)際加工過程發(fā)現(xiàn)每個支座材料成本不足500元。包含隔震層梁及各類預(yù)埋件的材料成本以及施工中的人工成本后,預(yù)估采用隔震技術(shù)增加的費(fèi)用不超過1萬元。應(yīng)用隔震技術(shù)后,還可適當(dāng)減少圈梁、構(gòu)造柱的數(shù)量,因此該隔震建筑的建設(shè)成本相當(dāng)?shù)土?更具推廣價值。

4 支座的隔震性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

為證明新型支座的隔震性能,如圖6所示,結(jié)合高性能MTS作動器和自制的豎向自反力架,開展“雙剪”擬靜力試驗(yàn)。該試驗(yàn)方法不受試驗(yàn)設(shè)備摩擦力的干擾,可準(zhǔn)確評估支座的阻尼性能。

圖6 試驗(yàn)裝置圖

參照《橡膠支座 第1部分:隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》(GB/T 20688.1—2007),試驗(yàn)時固定支座的豎向壓應(yīng)力為5MPa,按位移控制水平向加載進(jìn)程,加載速度為1mm/s。另外,按抗規(guī)要求,沿縱、橫紋向分別加載至100%、200%和300%剪應(yīng)變,對應(yīng)小震、中震和大震三種情況,各剪應(yīng)變下均往復(fù)循環(huán)3次。之后再沿橫紋向按300%剪應(yīng)變往復(fù)加載20次,評估其抵抗主震、余震多次影響的能力。

4.2 剪應(yīng)變100%的試驗(yàn)結(jié)果及分析

沿順紋方向加載得到的滯回曲線如圖7(a)所示,沿橫紋方向的滯回曲線如圖7(b)所示。參照《橡膠支座 第1部分:隔震橡膠支座試驗(yàn)方法》(GB/T 20688.1—2007),選取剪應(yīng)變25%時的剪力計(jì)算其剪切剛度,并取平均值,同時根據(jù)滯回圈面積計(jì)算其等效阻尼比。其計(jì)算公式如式(3)、(4)所示。得到的等效剛度和等效阻尼比如表1所示。

(3)

表1 小震下支座的等效剛度和等效阻尼比

圖7 小震下的滯回曲線

(4)

式中:Kh為支座等效剛度;heq為支座等效阻尼比;X1為剪切位移最大值,mm;X2為剪切位移最小值,mm;Q1為剪切位移最大值對應(yīng)的剪力值,kN;Q2為剪切位移最小值對應(yīng)的剪力值,kN;ΔW為滯回曲線包絡(luò)面積。

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)新型支座沿順、橫紋向加載時,竹板未出現(xiàn)任何裂縫,各循環(huán)周期內(nèi)的滯回曲線穩(wěn)定;2)沿順紋加載時的剪切剛度大于橫紋向約20%,這主要由于竹纖維沿順紋向的彈性模量更大;3)支座沿順、橫紋向的等效阻尼比相近。

4.3 剪應(yīng)變200%的試驗(yàn)結(jié)果及分析

剪應(yīng)變?yōu)?00%時,沿順紋方向加載得到的滯回曲線如圖8(a)所示,沿橫紋方向的滯回曲線如圖8(b)所示。根據(jù)滯回圈計(jì)算得到的等效剛度和等效阻尼比如表2所示。

表2 中震下支座的等效剛度和等效阻尼比

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)由小震到中震,支座沿順紋向加載時的剪切剛度降低了約20%,橫紋向剪切剛度降低幅度較小,證明薄鋼片起到了約束橫紋向的作用;2)中震時,支座在加載過程中出現(xiàn)劈裂響聲,說明竹板出現(xiàn)了少量裂縫;3)各循環(huán)周期內(nèi)的滯回曲線穩(wěn)定,說明支座保持完整;4)由于少量竹板開裂,其耗能過程使支座沿順、橫紋向的等效阻尼比略有增加。

4.4 剪應(yīng)變300%的試驗(yàn)結(jié)果及分析

剪應(yīng)變?yōu)?00%時,沿順紋方向加載得到的滯回曲線如圖9(a)所示,沿橫紋方向的滯回曲線如圖9(b)所示。根據(jù)滯回圈計(jì)算得到的剪切剛度和等效阻尼比如表3所示。

表3 大震下支座的等效剛度和等效阻尼比

圖9 大震下的滯回曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)大震時,支座沿順紋向的剪切剛度相對于小震降低了約33%,橫紋向剪切剛度僅略微降低,進(jìn)一步證明薄鋼片顯著提升了橫紋向力學(xué)性能;2)大震時,支座在加載過程中的劈裂響聲增大,說明竹板出現(xiàn)了較多裂縫;3)各循環(huán)周期內(nèi)的滯回曲線基本穩(wěn)定,說明支座仍可有效承載;4)竹板的開裂進(jìn)一步增加了耗能,支座沿順、橫紋向的等效阻尼比增加至7%～9.2%,近似于高阻尼支座。

4.5 主震余震多次影響的試驗(yàn)結(jié)果及分析

沿橫紋向按300%剪應(yīng)變往復(fù)加載20次得到的滯回曲線如圖10所示。根據(jù)滯回圈計(jì)算得到的剪切剛度和等效阻尼比漸變過程如圖11所示。

圖10 各循環(huán)次數(shù)時的滯回曲線

圖11 剪切剛度和等效阻尼比

試驗(yàn)結(jié)果表明:1)隨著循環(huán)次數(shù)增加,剪切剛度逐漸降低,其降低過程呈線性變化規(guī)律;2)同時,滯回曲線的形狀變化不大,但面積逐漸增加,說明竹板力學(xué)性能雖呈現(xiàn)退化,但仍可有效承載;3)隨著循環(huán)次數(shù)增加,等效阻尼比由10%逐漸增加至20%,證明竹板的裂縫數(shù)量進(jìn)一步增加,耗能能力進(jìn)一步加強(qiáng),有助于減隔震。

另外,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn):新型支座沿順橫紋向的所有橡膠層剪切變形均相同,均能協(xié)同工作,證明新型支座的整體性較好。在地震作用下,地震動的能量首先轉(zhuǎn)化為橡膠的彈性應(yīng)變能,并由橡膠墊本身的阻尼對能量進(jìn)行耗散。隨著地震強(qiáng)度的提高,竹板出現(xiàn)開裂,在不影響承載能力的情況下,重組竹自身的阻尼性能得以發(fā)揮,整體支座的等效阻尼比也得以加強(qiáng)。

綜上所述,隨著地震等級的增加,支座沿順紋向的剪切剛度顯著降低,橫紋向剪切剛度僅略微降低,這說明薄鋼片提升了橫紋向力學(xué)性能;隨著地震等級的增加,支座順紋向等效阻尼比變化不大,僅在大震時等效阻尼有明顯增加,但支座橫紋向等效阻尼比隨著地震等級增加有著明顯提高。這主要是由于竹纖維沿順紋向彈性模量較大,較之于橫向可以抵抗更大的水平力作用,因此橫紋向竹板開裂引起的耗能比順紋向更為顯著,等效阻尼比增加更為明顯。

5 結(jié)論

(1)竹板承壓時裂縫均沿橫紋向發(fā)展,15MPa出現(xiàn)少量裂縫,20MPa出現(xiàn)貫通裂縫,竹板性能滿足規(guī)范要求。

(2)竹板在承壓5MPa,承剪1.5MPa時未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,可繼續(xù)抵御壓剪復(fù)合力,原理上可滿足高烈度區(qū)農(nóng)村建筑的承載及隔震所需。

(3)以四川省汶川縣兩層農(nóng)村建筑為例,配置適當(dāng)數(shù)量的新型隔震支座,其性能可滿足規(guī)范要求,且造價低廉利于推廣。

(4)小震時竹板未出現(xiàn)裂縫,滯回曲線穩(wěn)定,順紋向等效剛度略高于橫紋向,等效阻尼比接近;中震時竹板出現(xiàn)少量裂縫,滯回曲線穩(wěn)定,順紋等效剛度降低較橫紋明顯,等效阻尼比略有增加;大震時竹板出現(xiàn)較多裂縫,滯回曲線穩(wěn)定,等效剛度繼續(xù)降低,等效阻尼比顯著增加至10%,與高阻尼支座接近。

(5)以300%剪應(yīng)變橫紋向?yàn)槔?隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加,剪切剛度呈線性略有降低,滯回圈形狀不變,面積增大;加載循環(huán)20次后,等效阻尼比提高至17%,竹板大面積開裂,且部分鋼片脫落,但支座的整體性和力學(xué)穩(wěn)定性不受影響。

綜上所述,新型支座具有較高的抗壓、抗剪承載力,且力學(xué)性能穩(wěn)定,低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)約,適合在農(nóng)村地區(qū)推廣使用,具有良好的發(fā)展前景。