引言

砖砌体结构是我国农村新建住宅的主要结构形式,若在村镇低矮砌体结构房屋中采用隔震技术,可大幅度提高村镇砌体结构在地震中的安全性。橡胶垫隔震技术在国内外已研究和应用多年,在多高层结构中的应用已日趋成熟。颜学渊等(2009)进行了高层结构三维基础隔震抗倾覆试验研究,开发了一种三维隔震抗倾覆支座,并对其进行了试验研究。试验结果表明,该支座具有良好的稳定性和较强的可靠性,可抵抗8度罕遇烈度地震。张文芳等(2000)进行了九层房屋基础隔震的试验、分析及应用研究,论述了多层房屋基础隔震体系的隔震效果和隔震的可靠性。金光辉等(2004)通过工程实例说明了隔震设计在高层建筑中的应用效果,对施工安装质量提出具体要求并进行了经济分析。耿方方等(2011)进行了宿迁某高层剪力墙住宅基础隔震设计方法研究,隔震层采用天然橡胶和铅芯橡胶隔震支座的组合隔震形式,结果表明,地震作用下两种隔震支座充分发挥了其隔震性能,上部结构的地震响应明显降低,并且隔震层在罕遇地震下工作状态稳定,满足抗震规范要求。然而,目前隔震技术在村镇低矮房屋中实际应用方面的研究暂未取得突破性进展。研究一种适用于村镇砌体结构民居的且经济效益高、施工方便、构造简单的隔震技术和构造,对于推广隔震技术的应用,提高我国村镇民居的抗震能力具有实际的意义。

本文针对一种将铅芯橡胶隔震支座设置于地坪以上的新型隔震构造(王毅红等,2015;2014),选取了典型村镇二层砌体结构为试验原型,设计了隔震和非隔震房屋砌体结构模型的对比试验(黄维平等,2001;吕西林等,1993;张敏政,1997;赵作周等,2010;中华人民共和国建设部,2011;2010;2001),采用SAP2000对隔震和非隔震结构模型输入不同地震波,并进行有限元数值分析(周颖等,2012;2003;张敏政等,2003),根据分析结果设计了振动台试验方案。

1 原型结构选取和设计
图 1 房屋平面及隔震支座布置图(单位:mm) Fig. 1Building plane and isolation bearing arrangement (unit: mm)

村镇砌体结构民居多为1—2层,选取2层未设置构造柱的带门窗洞口的单开间房屋为研究对象。平面尺寸为4.5m×3.9m,层高3.3m,窗洞1.5m×1.8m,门洞0.9m×2.1m。墙厚240mm,采用MU10砖,M7.5水泥砂浆砌筑。楼、屋面板采用120mm厚现浇钢筋混凝土。在房屋四角设置铅芯橡胶隔震支座,隔震层在地坪以上,上托梁在门洞口处断开,在门两侧设置相同竖向刚度的滑移支座,房屋平面及隔震支座布置见图1,支座由西安达盛隔震技术有限公司制作。

根据洞口跨度及荷载选取过梁截面b×hb=240mm×120mm,纵筋选用2Φ8,箍筋采用Φ6@150。楼板长短跨方向配筋均为Φ8@150。上托梁高450mm,宽300mm。上托梁和下托梁之间设置隔震层,下托梁设置在基础以上,顶面高出室内外地坪450mm。

2 模型设计与施工
2.1 模型相似系数的确定

振动台试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室进行,振动台台面尺寸为4m×4m,最大载重量30t。

根据振动台的台面尺寸和负载要求,选用全配重的1:2缩尺模型,运用量纲分析法,首先确定长度相似系数SL=1/2、弹性模量相似系数SE=1和竖向应力相似系数Sσ=1,再推导出其他量的相似系数(表1)。缩尺后的模型尺寸为2.25m×1.95m×3.3m,墙厚为120mm,上托梁截面150mm×225mm,下托梁截面150mm×225mm,过梁截面120mm×60mm,楼板厚度60mm。凝土采用C30。

表1 满配重相似关系 Table 1 Full weight similarity relation

本试验采用原型砖,及保留原型砖厚度方向的尺寸进行切割加工而成的模型砖,三类砌筑砖如图2(a)所示,尺寸分别为240mm×115mm×53mm、120mm×115mm×53mm、60mm×115mm×53mm。砖墙砌体采用一顺一丁的砌筑方式,模型墙体为原型墙体厚度的1/2,如图2(b)。


(a)模型砖

(b)砌筑墙体
图 2 模型砖尺寸及墙体砌筑方式 Fig. 2Size and wall masonry method of model bricks
2.2 模型设计与施工

有限元分析表明,隔震支座位移超限先于上部结构的破坏,因此试验设计为隔震试验完成之后废除结构隔震层,再进行无隔震层的砌体结构抗震振动台试验,以便将无隔震层与加设隔震层砌体结构的抗震性能进行对比。在开展隔震模型施工时,首先浇筑模型底座及下托梁,浇筑下托梁过程中应预埋隔震支座的下预埋板,待底座养护28天后进行隔震支座的安装和上托梁的浇筑。墙体砌筑到门窗高度时浇筑混凝土过梁,楼、屋面板浇筑完毕养护28天后再浇筑混凝土配重块。在开展非隔震模型施工时,首先是将隔震缝的上下面凿毛,用素混凝土填实,将隔震层废除,再用膨胀螺栓将角钢的两肢分别与上下托梁可靠固定,使基础与上部结构成为整体。

3 模型有限元分析

采用SAP2000对隔震砌体模型和非隔震砌体模型进行有限元模拟分析。在建立计算模型时,墙体和楼板采用薄壳单元进行模拟,网格划分后,经网格尺寸验证,取150mm×150mm较为合理。纵横墙交界处采用自动边约束来保证单元之间的变形协调。隔震和非隔震砌体结构模型及网格划分如图3、4所示,C30混凝土和HPB300钢筋的材料本构模型如图5、6所示。

图 3 隔震砌体模型及网格划分图 Fig. 3Isolation constitutive model and the meshing densities
图 4 非隔震砌体模型及网格划分 Fig. 4Without-isolation masonry model and the meshing densities
图 5 混凝土本构模型 Fig. 5Constitutive model of concrete
图 6 钢筋本构模型 Fig. 6Constitutive model of steel
3.1 地震波的选取

该结构所在地区的场地类别为第Ⅱ类,地震分组为第二组,根据场地类别和地震分组确定结构的设计反应谱,将地震波原始信息转换为地震波反应谱。利用SAP2000模拟结构的动力反应,得出结构第一周期振型参与质量达97%,选择模型第一周期点处地震波反应谱的包络值与设计反应谱值相差不超过20%的地震波。各地震波选取过程如表2所示,所有α值为归一化后数值。

表2 地震波的选取 Table 2 Seismic wave selection process

隔震结构最终选定唐山东西向波、江油92南北向波两条天然波及一条西安地区人工合成波,非隔震砌体最终选定El-centro波、松藩波两条天然波及一条西安人工合成波作为振动台台面激励。

3.2 结构分析

加速度反应和位移反应是地震反应的主要表现。采用SAP2000对结构进行弹性时程分析,对隔震结构分别施加0.4g地震荷载,依次输入唐山波、人工波、江油波;对非隔震结构分别施加0.4g地震荷载,依次输入Elcentro波、人工波、松藩波。得到结构的加速度反应如图7、8,位移反应如图9、10。

图 7 隔震加速度反应 Fig. 7Acceleration response with isolation
图 8 非隔震加速度反应 Fig. 8Acceleration response without isolation
图 9 隔震位移反应 Fig. 9Displacement response with isolation
图 10 非隔震位移反应 Fig. 10Displacement response without isolation

由隔震结构的加速度反应和位移反应可知,由于有隔震支座的作用,上部结构的加速度反应有明显减小,位移反应明显增大,结构受力大幅减弱。在一层楼板高度处,隔震结构的加速度反应趋势发生改变,非隔震结构的加速度反应加剧,此高度处受力较复杂。由于混凝土楼板的作用,在输入唐山波时隔震结构一层楼板高度处位移发生突变,非隔震结构位移反应趋势发生变化。在结构顶部,加速度反应和位移反应对于不同地震波的离散性较大,也最为剧烈。在各层1/2墙高处,墙体距离支承边较远,加速度反应和位移反应趋势有所改变。

隔震结构当输入0.51g的地震荷载时,隔震层最大位移为56mm,当输入0.62g地震荷载时,隔震层最大位移达到59mm,接近隔震支座的极限位移60mm,故隔震结构的承载能力为0.62g,相当于烈度为9度的罕遇地震。为避免隔震层位移过大发生整体倾覆,隔震结构的振动台试验应加载到0.62g为止。

4 传感器布置

根据模型分析结果以及模型的尺寸条件,传感器的实际布置位置如下。

4.1 加速度传感器

加速度传感器采用PCB型系列3801GFB3G/30AY加速度传感器,最大加速度测量范围±3g,频率范围为0—500Hz,横向灵敏度为1%。

根据有限元分析结果显示,通过监测模型底座、楼面和屋面可以看出模型的整体加速度反应,故在上下托梁、一层和二层楼板四边中心布置加速度传感器,由于正面开门处上托梁被打断,故在上托梁门洞两侧放置加速度传感器,共17个,由于南北立面有门窗,故只在东西立面每层1/2墙高处布置加速度传感器,共4个,总计21个加速度传感器,具体编号及位置如图11、12。

图 11 南(北)立面加速度计布置图 Fig. 11The south (north) facade accelerometer arrangement
图 12 东(西)立面加速度计布置图 Fig. 12The east (west) facade accelerometer arrangement
4.2 位移传感器

位移传感器采用891型位移传感器,有效量程有100mm,频率范围1—80Hz。

图 13 位移计布置图 Fig. 13Displacement meter arrangement

为测量模型底座的实际位移轨迹,在模型底座中心沿两个相互垂直方向(X,Y)布置位移传感器VX1、VY1。为监测隔震支座的位移和上部结构的扭转效应,在上托梁对角各沿两个相互垂直方向(X,Y)布置位移传感器VX2、VY2、VX4、VY4。为监测一层和二层楼板高度处的位移,在楼面和屋面放置位移传感器,由于楼面和屋面浇筑有配重块,在配重块与楼板的角部沿两个相互垂直的方向(X,Y)布置位移传感器,一层楼板布置位移传感器VX3、VY3,二层楼板布置位移传感器VX5、VY5。试验中总共布置10个位移传感器,具体编号及位置如图13。

5 试验加载方案
5.1 地震波的调整

对结构进行水平X向、Y向地震波交替输入,不考虑竖向地震波作用。为了使模型结构在输入地震波时,结构的动力响应由小到大,将各地震波在第一周期点处各方向上的值按X:Y=1:0.85加权求和,按求和值从小到大确定地震波的输入顺序。隔震结构地震波输入顺序依次为:西安人工波、唐山东西向波、江油92波;非隔震结构地震波输入顺序依次为:El-Centro波、西安人工波、松藩波。根据《建筑抗震设计规范》、加速度相似系数和时间相似系数对地震波的振幅和持时进行调整。试验用地震波调整结果如表3。

表3 试验用地震波信息 Table 3 Experimental site seismic information
5.2 试验加载工况

试验加载工况按照设防烈度为6度、7度、8度和9度的顺序依次进行水平X向、Y向交替加载,对应的峰值加速度分别为0.05g、0.10g、0.20g和0.40g。每个峰值加速度下依次输入所选地震波。在该组地震动输入前后,对模型进行白噪声扫频。为了研究隔震支座在特大地震中的隔震效果,特增加8.5度和9度罕遇地震加载工况,对应的峰值加速度分别为0.51g和0.62g。

本文设计的砌体隔震试验模型,已在振动台上经历了试验全过程,试验结果表明,本文设计的模型取得了预期效果。

6 结论

(1)本文研究得到的砌体结构房屋隔震和抗震振动台试验方案已实施并得到了预期效果,表明通过SAP2000对模型进行软件模拟,确定地震波的选取、传感器的测点位置和试验加载方案的方法具有合理性和有效性。

(2)本文采用反应谱分析方法,为隔震和非隔震结构分别选取两条天然波和一条共用的西安地区人工波,并对第一周期点处各方向反应谱值进行加权求和,按地震响应由小到大确定了地震波输入顺序。研究表明,为有利于进行对比试验的分析,在振动台试验地震波的选取过程中,应尽量选取一条共用的地震波。

(3)本文采用SAP2000对隔震和非隔震结构进行模型分析,分析得知结构的楼板位置和1/2墙高位置受力和变形情况较复杂,隔震结构的上下托梁相对位移较大,其承载能力为0.62g。为合理确定试验中传感器的设置位置和加载方案,对结构模型进行有限元数值分析是必要的且有效的手段。

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