李英民 ，卜長明 ，夏洪流 ，劉凱 ，周華艷 ，祝飛水

(1. 重慶大學 土木工程學院，重慶，400045；2. 重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶，400045；3. 重慶科技學院 建筑工程學院，重慶，400045)

汶川地震中，村鎮(zhèn)建筑震害嚴重，大量建筑物破壞和倒塌[1]。為了提高砌體結構的抗震能力，經濟簡易有效的抗震技術是主要抗震途徑之一[2?3]，為此，針對廣大村鎮(zhèn)地區(qū)大量存在的中、低層砌體結構房屋，結合村鎮(zhèn)經濟、施工條件、技術水平，設計出一種新型的瀝青?砂墊層簡易消能減震技術方案，以滿足在農村地區(qū)推廣使用的要求。該思路是在建筑物上下地圈梁之間或磚墻和地圈梁之間鋪設一定厚度、某種單一粒徑或級配砂與瀝青的混合物作為消能減震墊層，在地震作用時瀝青?砂墊層發(fā)生塑性剪切變形，從而實現耗散基礎傳給上部結構的地震能量；通過隔斷地震能量向上部結構的傳遞，對上部結構起到了減震作用[4]。通過大量數值模擬分析表明，該技術能夠有效降低上部結構的地震反應。為了進一步驗證該方法的實際減震效果，本文作者將從瀝青砂材料制備和篩選出發(fā)，進而設計以瀝青砂混合物作為摩擦滑移材料的砌體墻片和固結墻片振動臺對比試驗。

1 試驗概況

1.1 瀝青砂材料制備和篩選

本文設計了5組不同油石比的瀝青砂配合比，砂選用標準砂，外加劑選用液壓油(東莞市多堡隆潤滑科技有限公司生產的“多堡隆 TOCAPALL”)，并選用水泥膠砂試塊模具成型，長×寬×高為 160 mm×40 mm×40 mm，單個模具內所含瀝青砂各材料質量如表1所示。

表1 標準砂配制的瀝青砂漿試件中各成分Table 1 Component of asphaltic sand mortar kg

試件制備過程如下：(1) 將稱量好的瀝青油膏放到電磁爐里加熱至熔融，在攪拌鍋內與加熱至60～100℃的標準砂進行拌合；(2) 將瀝青砂填滿模具后，將其放在振動臺上振動密實；(3) 制備好試塊后，將其放在室溫內養(yǎng)護，3 d后取出模型。

(1) 試件1。試件1所用的瀝青油膏量較多，油石比(質量比，下同)為 60%，沒有摻加液壓油作為外加劑，整個試塊成型后，黏性較大。

(2) 試件2。試件2所用的瀝青油膏量較少，油石比為30%。在試驗過程中，發(fā)現瀝青與砂粒不能較好地接觸包裹在一起，故摻加了一種起過渡相的液壓油作為外加劑。該外加劑可以稀釋瀝青，用量選用占標準砂質量的 5%。整個試塊成型后，試塊較松軟，有較多的砂粒沒有被瀝青包裹，整個試塊整體性較差。

(3) 試件3。試件3所用的瀝青油膏量適中，油石比為45%。在試驗過程中，同樣添加了占標準砂質量的 5%的液壓油作為外加劑。整個試塊成型后，試塊黏結性較好，強度較高，整個試塊整體性也較好。

(4) 試件4。試件4所用的瀝青油膏量適中，油石比為 45%。同樣添加了占標準砂質量的 5%的液壓油作為外加劑。在試驗過程中，為進一步改善瀝青砂試塊的性能，嘗試著摻加了占標準砂質量的10%的石粉和同樣質量的水泥，發(fā)現整個拌合物較分散，整個試塊成型后較松散，取模的時候整個試塊就斷裂為多個小塊。試塊黏結性差，強度弱，整個試塊整體性不好。

(5) 試件5。試件5所用的瀝青油膏量適中，油石比為 45%。同樣添加了占標準砂質量的 5%的液壓油作為外加劑。在試驗過程中，為進一步改善瀝青砂試塊的性能，提高試塊的強度，消除石粉強度差的影響，拌合物中只摻加了占標準砂質量的10%的水泥，水泥水化所需要的水，但由于水和作為外加劑的液壓油互不相容，在成型密實的過程中大量水分溢出，試件成型后強度不但沒有升高，反而由于水分和水泥的加入造成這個試塊成型黏結性差，強度弱，整個試塊整體性不好。

為進一步了解試件的相關特性，測定以上5組試件的摩擦因數和抗壓強度，摩擦因數的測定方法為：將瀝青砂鋪設在水平桌面的混凝土平板上，在瀝青砂上面壓上有一定質量的混凝土小平板，然后在桌子邊緣固定滑輪，滑輪系一繩索，一端拉住小平板，另一端拉住不斷往里填砂的桶，當小平板開始滑動時，測定砂桶的質量及小平板的質量即可推算出摩擦因數。試驗結果如表2所示。

表2 瀝青砂各試件動力參數Table 2 Dynamic parameters of each specimen

由于缺少關于瀝青砂作為摩擦滑移減震材料的相關研究結論，綜合以上試驗數據，本文選擇相當成型、質料較好、測試強度較高的試件3配合比制作后期試驗試件。

1.2 模型設計

振動臺試驗采用單片工字型砌體墻片模型。對于摩擦滑移結構模型，在墻體底部沿混凝土地圈梁鋪一層厚約1 cm的瀝青砂混合物作為滑移層?？紤]振動臺臺面尺寸限制以及制作方便，模型按比例尺1:4縮小，如圖1和2所示。模型相關參數如下。

(1) 模型磚尺寸：考慮到制作和施工的方便，將模型磚的長×寬×高選用60 mm×27 mm×22 mm，采用MU15的燒結黏土磚制作。

(2) 砌筑砂漿：按農村常用砌筑砂漿M2.5等級進行比例折減，配制 M1.0等級的低強度砂漿。砂漿實際強度按試塊最終測定強度為準。

圖1 基礎滑移模型布置圖(單位：mm)Fig.1 Arrangement diagram of base sliding model

圖2 基礎固結模型布置圖(單位：mm)Fig.2 Arrangement diagram of base consolidation model

(3) 圈梁：采用混凝土圈梁，其截面寬×高均為60 mm×60 mm。混凝土等級為C20。地圈梁與瀝青砂墊層接觸表面平整，且具有足夠的強度，保證模型吊裝安全。

(4) 屋面：原型結構為120 mm厚的預制空心板。但考慮模型屋面添加配重時需要一塊配重板，故將屋面板和配重板合二為一簡化制作，整個配重板長×寬×高為1 100 mm×250 mm×100 mm。

(5) 滑移層：為了方便模型制作以及與振動臺固定，滑移層直接制作在地板上(此時默認地板為下地圈梁)，預先考慮滑移結構的最大設計滑移位移為 75 mm，按此位移沿地圈梁尺寸四周擴大75 mm鋪設瀝青砂墊層滑移層，厚度約為10 mm。

1.3 相似關系

振動臺試驗所用的模型是根據原型結構按照比例尺1:4制作而成的，通?？s尺模型結構具有原型結構的全部或大部分特征。當模型和原型滿足一定的相似條件時，就可以通過對模型的試驗分析，了解原型結構的動力性能[5?11]。確定3個基本物理相似常數：SL，Sa和SE。其中，彈模相似常數SE根據模型結構實際計算出來的彈性模量與原結構的彈性模量相比求出。根據計算，模型結構屬于欠人工質量模型，需要額外的增加相應的配重。試驗主要相似關系見表3。注：Sl為長度相似常數；lm為模型長度；lp為原型長度；Sa為加速度相似常數；SE為彈性模量相似常數；Sσ為應力相似常數；Em為模型彈性模量；Ep為原型彈性模量；Sρ為密度相似常數；Sm為質量相似常數；Sk為剛度相似常數；ST為周期相似常數；Sc為阻尼相似常數。

表3 模型相似關系Table 3 Similarity relationship of test model

1.4 模型制作

模型制作在重慶交通科研設計院結構動力學國家重點試驗室進行，具體過程如下：(1) 澆筑鋼筋混凝土地梁：預制鋼筋混凝土地圈梁，縱筋選用 4根 12號鋼絲，箍筋選用16號鋼絲，間距50 mm；(2) 鋪制瀝青砂滑移層，分2次壓制，待每層壓實后鋪制上一次，滑移層總高度為15 mm；(3) 待瀝青砂成型后放置地圈梁；(4) 砌筑上部墻體；(5) 澆注墻體上圈梁。上圈梁縱筋選用4根14號鋼絲，箍筋選用18號鋼絲，間距50 mm；(6) 在圈梁上部添加配重板和配重塊，兩者用環(huán)氧樹脂膠結劑黏結。

2 試驗方案

2.1 傳感器布置

由于試驗條件有限，2片墻體模型上共布置了 7個加速度傳感器，其中，在頂部圈梁處布置了2個三向加速度計；振動臺臺面布置4個加速度傳感器，以測量振動臺實際地震加速度輸出。加速度計和位移計布置分別如圖3和圖4所示，圖中括號外數字表示頂部傳感器編號，括號內數字表示底部傳感器編號。

圖3 加速度計平面布置Fig.3 Arrangement of accelerometer

圖4 位移計平面布置Fig.4 Arrangement of displacement meter

2.2 地震波選用

本試驗根據砌體結構剛度大、振動頻率高、周期短，且破壞主要取決于地震動的幅值特性而與地震動的頻譜特性關系不大的特點[12?13]，綜合已有試驗選波情況，參考文獻[14?18]，此次試驗按Ⅱ類場地選取2組天然波，并照規(guī)范要求采用三角級數法生成1組人工波(每組波包含水平和豎向共 3個分量)，波的幅值關系按規(guī)范確定為 1:0.85:0.65。試驗中主要考慮模型進行Y方向單向地震輸入時的結構反應情況，Y方向所用地震波相應參數見表 4。依據不同加載工況調整加速度峰值，并按相應的時間相似比壓縮地震波持時。

表4 所選用地震波數字記錄的原始參數Table 4 Original parameters of seismic digital records

2.3 加載方案

加載前對結構進行白噪聲掃頻，測定其自振頻率。試驗分別按照6度小震、6度中震、7度中震、7.5度中震、7度大震、7.5度大震及8度大震的順序依次進行，共7個階段。在不同水準地震波輸入前后，對模型進行白噪聲掃頻，測量結構的自振頻率、振型等動力特性參數。6度中震階段后，為減小結構的損傷累計，只選用結構較為敏感的A-CVK天然波和H1人工波進行輸入。在7度大震這個階段時，發(fā)現墻片模型的平面外擺動的非常劇烈，為防止結構整體發(fā)生平面外傾覆，之后只對結構進行Y方向單向地震輸入。

3 試驗振動反應和破壞現象

加載前對結構進行白噪聲掃頻，測定其自振頻率。試驗加速度從峰值0.018g(6度多遇地震)開始輸入，共進行了 43個工況。當臺面輸入初始地震動峰值較小時，結構與臺面運動基本一致，固結結構和滑移結構整體都表現為剛體運動，但整體位移較??；當臺面輸入達7度中震時，墻片出現輕微振動，但2個墻片模型表面都未發(fā)現可見裂縫，說明模型結構仍基本處于彈性工作階段。對于滑移墻片模型，其頂部在平面外開始有較為明顯的晃動，平面內基本無相對運動，在此后工況中，模型振動反應及破壞現象如下。

(1) 7.5度中震階段。在7.5度中震輸入下，2個墻片模型仍未見明顯可見裂縫，從動力特性測試結果看，固結和滑移墻模型Y向基本自振周期分別增大11%和13%，因此，推測應是墻體洞口和墻片底部損傷繼續(xù)增大的結果。對于滑移墻片模型，其頂部在平面外開始晃動明顯，平面內基本無相對運動。

(2) 7度罕遇地震階段。在7度罕遇地震輸入下，2個墻片模型振動明顯，對于滑移墻片模型，其頂部在平面外開始晃動劇烈，平面內滑移層無肉眼可見的明顯相對運動。固結墻片模型在洞口角部出現水平可見裂縫，破壞部位顯著增加。

(3) 7.5度罕遇地震階段。在7.5度罕遇地震輸入下，為保證滑移墻片不在平面外發(fā)生整體傾覆，只對結構輸入了Y向地震波。2個墻片模型Y方向振動明顯，對于滑移墻片模型，滑移層無肉眼可見的明顯相對運動，上部墻體基本無可見裂縫，說明其整體基本還處于彈性階段。而對于固結墻片模型，在洞口底部水平裂縫繼續(xù)發(fā)展并延伸，豎向裂縫延伸到墻體底部。

(4) 8度罕遇地震階段。在8度罕遇地震輸入下，2個墻片模型Y方向振動劇烈，對于滑移墻片模型，滑移層可見的明顯相對運動，上部墻體基本無可見裂縫，說明其整體基本還處于彈性階段。而對于固結墻片模型，在洞口底部水平裂縫繼續(xù)發(fā)展并有較大程度的延伸，豎向裂縫延伸到墻體底部，破壞部位顯著增加，并且在起吊模型時，滑移墻片模型整體性很好，而固結模型則在窗口上沿出現斷裂。

4 試驗結果與分析

4.1 模型的動力特性

動力特性是結構本身的固有特性，包括自振頻率、振型、阻尼比等，與模型的剛度、質量分布、材料阻尼比等因素有關。通過本次滑移減震模型試驗前后對模型輸入白噪聲激勵，測得2片墻體模型自振頻率的變化，可以一定程度上反映模型損傷破壞情況，從而驗證瀝青砂墊層摩擦滑移減震效果。

其中，自振頻率利用功率譜分析方法得到，系統的激勵與反應之間存在如下關系：

其中：Sy(ω)為結構反應的自功率譜；Sx(ω)為臺面輸入的自功率譜；H(jω)為傳遞函數。

表5所示為模型結構的自振頻率與周期。從表5可以看出：從初始到7度中震后，隨著加載工況的增加，2個模型的Y向自振頻率，周期和剛度都保持不變，此時說明結構還處于彈性階段；在7.5度中震后，2個模型的自振頻率都開始減小，周期延長，剛度減小，說明此時2個模型開始進入塑性階段或微塑性階段，滑移結構的自振周期大于固結結構。這可能是由于底部滑移層開始松動，處于微滑狀態(tài)，整體周期增加，剛度減小。在8度大震后，滑移模型較固結模型頻率明顯降低，說明滑移結構已經開始滑移，延長了結構的基本自振周期。

4.2 模型的加速度反應

4.2.1 加速度放大系數

在結構進行振動臺試驗時，輸入臺面的加速度實際值與設計值之間時存在一定差異的。為能更好地反映摩擦滑移減震技術對模型加速度反應的減小情況，采用動力放大系數衡量。不同地震波作用下模型頂部加速度放大系數變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：在試驗的初始階段滑移模型和固結模型的加速度放大系數基本一致，且隨著臺面加速度峰值加大，都有增大的趨勢。在設計加速度小于0.4g(8度大震)前，滑移墻片模型的加速度放大系數大于固結墻片是因為滑移層瀝青砂側向剛度的貢獻使得滑移結構的上部頂層加速度較大，但和固結結構差別不是很明顯。當設計加速度等于0.4g時，滑移墻片模型底部有較為明顯地滑動，從而使得其頂層加速度放大系數比固結墻片模型要小，并且對于人工波輸入時，滑移結構的減震效果更為明顯。

表5 模型在Y向不同水準地震作用后的動力性能Table 5 Dynamic performance of models after different level seismic action Y

圖5 不同地震波作用下模型頂部加速度放大系數變化曲線Fig.5 Acceleration amplification factor curves model roof under different earthquake action

4.2.2 模型加速度時程反應

圖6和7所示為6度設防烈度和8度罕遇地震下滑移墻片模型和基礎固結墻片模型頂部處加速度反應的時域上的減震效果。

由圖6和7可以看出：在輸入結構地震波峰值較小階段，即設計加速度峰值為 0.22g(1g=9.8 m/s2) 之前，滑移墻片模型的頂層加速度反應比固結墻片模型的要大，這是因為由于滑移層所用材料的摩擦因數較大，地震力較小時，滑移墻片基本上是固結在地板上，反而由于瀝青砂墊層的側向較大剛度貢獻，使得整個滑移墻片結構的整體剛度要大于傳統固結墻片，故所測的頂層加速度反應較傳統固結偏大。當輸入結構的地震波峰值較大時，即設計加速度為0.22g之后，滑移墻片開始在滑移層上輕微滑動，這時瀝青砂滑移結構較傳統基礎固結結構降低了模型加速度反應，其中，人工波H1作用下減震效果最明顯。整體上看，滑移模型加速度反應時程曲線較基礎固定模型的變化平緩，具有一定的減震效果。

4.3 模型的位移反應

圖8所示為不同設計峰值加速度下砌體墻片滑移減震結構模型和基礎固結模型的最大層間位移。

圖6 6度設防烈度下模型頂部加速度時程圖Fig.6 Acceleration time history curves of model roof under 6 degree design earthquake

圖7 8度罕遇地震下模型頂部加速度時程圖Fig.7 Acceleration time history curves of model roof under 8 degree seldom-occurred earthquake

圖8 不同地震波作用下模型層間位移變化曲線Fig.8 Relative storey displacement curves of model under different earthquake action

由圖8可以看出：試驗初始階段，臺面加速度峰值較小，滑移墻片和固結墻片模型的層間位移基本相等，并隨著輸入臺面加速度峰值的增大呈線性增大關系，此時說明2個墻片模型都還處于彈性階段，并且滑移模型未能克服基底瀝青砂層的摩擦力作用產生滑移。但隨著輸入臺面加速度峰值繼續(xù)增大，到設計峰值加速度為0.22g時，2個模型的層間位移不再以相應比例增大，反而對于 A-CVK-090波作用下，墻片的層間位移略有小范圍減小。這可能是墻片在之前較小峰值加速度工況下，墻片內模型磚與砂漿之間擠壓的更為緊密，相應墻片的剛度有所增加，從而導致相對層間位移略有減小。當輸入臺面的加速度繼續(xù)增大，設計值大于0.22g后，對于固結墻片，其層間位移較之前各工況明顯增大，對于滑移墻片模型層間位移略有增加，但較為平緩，其滑移層相對位移開始迅速增加。說明此時固結模型已經進出塑性階段，整個墻片較之前剛度退化，而滑移墻片模型滑移層開始滑動，整個上部墻體還處于彈性階段。

圖9和10所示為滑移墻片和固結墻片模型上部在6度設防烈度和8度罕遇地震下層間位移時程圖。

圖9 6度設防烈度下模型層間位移時程圖Fig.9 Relative storey displacement time history curves of model under 6 degree design earthquake

圖10 8度罕遇地震下模型層間位移時程圖Fig.10 Relative storey displacement time history curves of model roof under 8 degree seldom-occurred earthquake

由圖9和10可以看出：在輸入地震力較小工況階段，滑移模型和固結模型的層間位移最大值基本一致，滑移的位移時程曲線變化較為平緩，且位移很小，此時，滑移模型與固結模型一樣，上部墻片和底板基本固結在一起，且兩者還都處于彈性階段。隨著輸入臺面的加速度逐級增加，滑移層所受的地震力開始增加，滑移墻片和固結墻片模型的層間位移都略有增加，但增加幅度不是很明顯。當地震力繼續(xù)增大時，設計地震加速度為0.22g時(7度罕遇地震)，滑移墻片的層間位移時程曲線開始比固結墻片的層間位移時程曲線要小。這時因為固結結構開始進入塑性階段，層間位移變大；隨著輸入臺面的地震加速度持續(xù)增大，當設計加速度為0.31g時，滑移墻片模型比基礎固結模型在同一時刻的層間位移明顯減小。從整個時程曲線上可以看出：在8度大震作用下，滑移模型的層間位移明顯要比固結結構的要小，與傳統基礎固結結構相比，滑移減震技術效果明顯。

5 結論

(1) 從概念上講，該滑移減振技術合理可行。小震時，滑移結構未產生滑動，滑移模型和固結模型的頂層加速度和層間位移都較小，此時滑移模型和固結模型一樣都基本固結于基礎上，能保證結構的正常使用功能要求；大震時，滑移結構產生滑移，隨著臺面輸入加速度峰值的增大，底部滑移層位移增大，滑移墻片模型上部墻體所受相對地震作用較小，上部結構在振動過程為整體水平滑動，減震效果明顯，能防止結構倒塌。

(2) 在此次試驗中，由于所用滑移材料的摩擦因數較大，滑移墻片的實際滑移值偏小，沒有達到預先設計的滑移位移。

(3) 在后續(xù)研究工作中要進一步完善摩擦滑移層材料的配合比、摩擦因數、制備方法，進行相關的試驗研究和仿真分析。

(4) 該滑移減震技術簡單易行，施工方便，取材方便，價格低廉，使用該技術需要投入的成本低。當結構遭遇高于當時設防烈度水準的地震作用時，滑移層有較明顯的滑動，減震效果明顯，該技術可望在村鎮(zhèn)低矮房屋中投入使用。

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