王榮錦,袁康,2*,代宇飛
(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003; 2 石河子大學(xué)新疆兵團(tuán)高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832003)
村鎮(zhèn)建筑是抗震設(shè)防的薄弱環(huán)節(jié),在地震中房屋受損甚至倒塌現(xiàn)象十分嚴(yán)重,其原因是多數(shù)村鎮(zhèn)建筑未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)和施工,傳統(tǒng)圈梁、構(gòu)造柱等抗震措施難以有效實(shí),因此,發(fā)展簡易、實(shí)用的村鎮(zhèn)減隔震技術(shù)受到廣大學(xué)者的關(guān)注。AHMAD S等[1-2]研究了滑移層摩擦系數(shù)對(duì)基礎(chǔ)滑移隔震效果的影響,TSANG H H[3]提出了廢舊輪胎橡膠-土混合隔震層隔震的概念,AMADIO C等[4-5]提出了復(fù)合隔震消能系統(tǒng),李立在20世紀(jì)80年代在國內(nèi)提出了砂礫隔震法技術(shù)[6],曹萬林等[7]提出了一種玻璃珠-石墨基礎(chǔ)滑移隔震系統(tǒng),李英民[8]針對(duì)農(nóng)村砌體房屋提出了一種以瀝青-砂來作為摩擦滑移層的消能減震結(jié)構(gòu),尚守平[9- 10]提出了一種鋼筋瀝青隔震層的技術(shù)。在上述學(xué)者們研究的基礎(chǔ)上,本課題組針對(duì)新疆處于凍土區(qū)和地震高發(fā)區(qū),將滑移隔震技術(shù)與抗凍脹相結(jié)合,研發(fā)了一種造價(jià)低廉、形式簡單、便于施工且適用于新疆村鎮(zhèn)建筑的砂墊層-基礎(chǔ)滑移復(fù)合隔震體系[11],并進(jìn)行了從構(gòu)件到結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)抗震性能試驗(yàn)研究[12-13],結(jié)果表明復(fù)合隔震技術(shù)在試驗(yàn)?zāi)P蛯用婢哂辛己玫母粽鹦Ч?/p>
為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合隔震技術(shù)在實(shí)際工程中的隔震效果,研究復(fù)合隔震體系的設(shè)計(jì)參數(shù)及場(chǎng)地條件等相關(guān)因素影響的規(guī)律,本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合新疆地區(qū)農(nóng)房建造的實(shí)際情況,采用ABAQUS有限元分析軟件建立復(fù)合隔震建筑模型,輸入地震波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,分析了滑移層摩擦系數(shù)、場(chǎng)地類別、房屋層數(shù)及地震烈度等因素對(duì)復(fù)合隔震建筑隔震性能的影響,并提出適合7度(0.10 g)~8度(0.30 g)烈度下復(fù)合隔震建筑設(shè)計(jì)參數(shù)的建議。
復(fù)合隔震體系結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,在房屋基礎(chǔ)底面鋪設(shè)具有換填凍土和隔震雙重功效的砂墊層,其由合理的粒徑、厚度、密實(shí)度組成。沿室外地坪分2次澆筑上、下層基礎(chǔ)圈梁,其間鋪設(shè)1層摩擦系數(shù)較低的摻入鋼珠的改性低標(biāo)號(hào)砂漿(10 mm)作為滑移隔震層,沿基礎(chǔ)圈梁長度方向每隔一定距離設(shè)置貫穿上下圈梁的提供限位、復(fù)位作用的橡膠束,形成基底砂墊層與基礎(chǔ)滑移隔震層相結(jié)合的砂墊層—滑移串聯(lián)復(fù)合隔震體系。
其隔震原理如下:結(jié)構(gòu)遭受小震作用時(shí),砂墊層通過抑制地震能量的向上傳遞起到隔震效果,而摩擦滑移隔震層未開裂,不發(fā)揮隔震功效,結(jié)構(gòu)通過自身抗震和砂墊層的隔震效果實(shí)現(xiàn)“小震不壞”的抗震效果;當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受中震和大震作用時(shí),砂墊層發(fā)揮隔震效果的同時(shí)摩擦滑移隔震層開始出現(xiàn)裂縫,上部結(jié)構(gòu)隨上層圈梁一起與下圈梁產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),滑移隔震層通過摩擦耗能達(dá)到隔震效果,橡膠束不提供隔震效果,僅起到限位、復(fù)位作用,防止上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的位移與下圈梁脫離,通過基礎(chǔ)滑移層與砂墊層的協(xié)同工作起到較好的隔震效果,降低地震向上部結(jié)構(gòu)的能量輸入,減輕上部結(jié)構(gòu)的損傷,從而達(dá)到結(jié)構(gòu)“中震可修,大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。
圖1 復(fù)合隔震體系結(jié)構(gòu)簡圖
本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立砌體隔震房屋結(jié)構(gòu)平面布置(圖2)和模型(圖3)。該建筑開間為9.66 m,進(jìn)深為8.56 m,層高3 m;墻體厚度均為240 mm,采用MU10燒結(jié)普通磚砌筑、砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M7.5;樓板、基礎(chǔ)圈梁均采用C20混凝土,樓板厚80 mm,樓面恒載及活載均為2.0 kN/m2,屋面為不上人屋面荷載取0.5 kN/m2。
砂墊層按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[14]要求采用換填墊層法換填粗砂墊層,厚度設(shè)置為500 mm,砂墊層的粒徑組成采用5~10 mm的圓礫,按規(guī)范要求進(jìn)行分層壓實(shí),壓實(shí)系數(shù)不小于 0.94,經(jīng)測(cè)試砂墊層與基礎(chǔ)的混凝土面板之間的摩擦系數(shù)約為0.6左右[15];設(shè)計(jì)地震分組為第2組,場(chǎng)地設(shè)置了Ⅰ1類、Ⅱ類、Ⅲ類等類別以探究場(chǎng)地類別對(duì)減隔震效果的影響。
圖2 建筑平面圖
圖3 ABAQUS軟件建立的模型
對(duì)于混凝土的本構(gòu)模型,本文模擬選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010—2010[16]附錄C.2中混凝土單軸受拉和受壓的本構(gòu)曲線,砌體的本構(gòu)模型選用楊衛(wèi)忠模型[17],而砌體受拉本構(gòu)關(guān)系參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010—2010附錄C.2.3[16]。砂墊層的本構(gòu)模型選用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型[18],在建立本構(gòu)關(guān)系時(shí)均采用材料強(qiáng)度的平均值。本文采用整體式模型進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)中墻體的數(shù)值模擬分析,單元類型采用三維實(shí)體C3D8R單元包括墻體結(jié)構(gòu)、樓板、圈梁、滑移層、砂墊層等。構(gòu)件之間的約束方式分別采用接觸約束和綁定約束,其中上層圈梁和下層圈梁之間法線方向采用硬接觸,切線方向采用庫侖摩擦模型,其相對(duì)摩擦系數(shù)不同工況分別設(shè)置0.1、0.2、0.3、0.4、0.5;基礎(chǔ)底面混凝土面板和粗砂墊層之間法線方向采用硬接觸,切線方向采用庫侖摩擦模型,其相對(duì)摩擦系數(shù)設(shè)置0.6。樓面板和砌體墻之間、上層圈梁和砌體墻之間、基礎(chǔ)上表面和下層圈梁之間均采用綁定約束的方式。
合理選擇地震波是彈塑性時(shí)程分析的前提條件,按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50011—2010[19]第5.1.2條的要求,依據(jù)新疆石河子地區(qū)場(chǎng)地條件,選用3條地震波,包括2條天然波(RSN12、ELCENTRO),1條人工波(RH4TG245)。Ⅱ類場(chǎng)地下3條地震波曲線及其加速度反應(yīng)譜曲線與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線對(duì)比如圖4。
圖4 三條地震波及加速度反應(yīng)譜對(duì)比
對(duì)村鎮(zhèn)復(fù)合隔震建筑進(jìn)行隔震性能分析,其關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)砂墊層和滑移層的模擬,本文參照文獻(xiàn)[20-21]模擬砂墊層采用實(shí)體單元的方法,其中砂墊層的阻尼系數(shù)、剛度及質(zhì)量等為主要參數(shù);滑移層的模擬主要考慮滑移界面的接觸分析。前期本課題組進(jìn)行的墻體擬靜力試驗(yàn)研究結(jié)果表明[12],橡膠束主要在上、下層圈梁開裂滑動(dòng)后,限制上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大位移而脫離下圈梁和提供上部結(jié)構(gòu)恢復(fù)原位的作用,其對(duì)結(jié)構(gòu)整體滑移隔震基本無貢獻(xiàn),且本次數(shù)值模擬存在大量的非線性計(jì)算,橡膠束在數(shù)值模擬過程中又會(huì)耗費(fèi)大量的運(yùn)算時(shí)間,所以為了簡化有限元模型,減少計(jì)算時(shí)間,加快運(yùn)算速度,本文數(shù)值模擬忽略橡膠束的影響不作計(jì)算分析。為驗(yàn)證滑移界面的接觸分析中各種參數(shù)設(shè)置的合理性,本文將數(shù)值模擬結(jié)果與本課題組前期的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,振動(dòng)臺(tái)模型和有限元模型如圖5所示,振動(dòng)臺(tái)模型和數(shù)值模型最后破壞形態(tài)如圖6所示。通過對(duì)比顯示:振動(dòng)臺(tái)模型和數(shù)值模型的門窗洞口處均受到一定程度的破壞,均為二樓破壞較為嚴(yán)重、一樓有較細(xì)微破壞,表明數(shù)值模擬中參數(shù)設(shè)置合理。
圖5 振動(dòng)臺(tái)實(shí)體模型和數(shù)值模型
圖6 振動(dòng)臺(tái)模型和有限元模型最后破壞形態(tài)
在有限元模型中輸入與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相同的ELCENTRO地震波,提取上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度時(shí)程進(jìn)行傅里葉變換,再進(jìn)行杜哈梅積分得到加速度反應(yīng)譜后與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加速度反應(yīng)譜對(duì)比,加速度時(shí)程及加速度反應(yīng)譜的對(duì)比如圖7所示。
圖7 加速度時(shí)程及加速度反應(yīng)譜的對(duì)比
由圖7可見:有限元模型與振動(dòng)臺(tái)模型的加速度時(shí)程與加速度譜幅值相近,但由于數(shù)值模擬未考慮橡膠束在滑動(dòng)后期提供的變形耗能及限位復(fù)位作用,導(dǎo)致數(shù)值模擬得到的加速度譜幅值較振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果稍大,但兩者幅值差值不大,可見摩擦滑移層使用接觸分析的方法是行得通的,且各種參數(shù)設(shè)置是合理的。
前期模型試驗(yàn)結(jié)果表明[21],在砂墊層材料組成一定的條件下,基于村鎮(zhèn)建筑上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)部分的質(zhì)量比,影響復(fù)合隔震體系隔震效果的因素主要為地震烈度、滑移層摩擦系數(shù)、房屋層數(shù)及場(chǎng)地類別等。
為了驗(yàn)證各因素在實(shí)際工程中影響的規(guī)律,獲取不同烈度下的合理設(shè)計(jì)參數(shù),本文研究設(shè)計(jì)以下工況進(jìn)行對(duì)比研究,地震烈度分別如下:7度220 gal(0.10 g)、7度310 gal(0.15 g)、8度400 gal(0.20 g)、8度510 gal(0.30 g),滑移層的摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5,場(chǎng)地類別為Ⅰ1類、Ⅱ類、Ⅲ類。
工況設(shè)計(jì)如表1所示。
表1 工況設(shè)計(jì)
本文研究按規(guī)定[19]選取2條天然波(RSN12、ELCENTRO)和1條人工波(RH4TG245),分析結(jié)果顯示不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)基本相同,限于篇幅,本文僅選取RH4TG045地震波作用下場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地、設(shè)計(jì)分組為第2組的結(jié)果分析。
圖8是地震烈度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。由圖8a和b可知,地震烈度對(duì)復(fù)合隔震建筑底部剪力和頂點(diǎn)加速度影響類似,主要有以下特點(diǎn):
(1)隨著地震烈度的增加,不同工況上部結(jié)構(gòu)的底部剪力和頂點(diǎn)加速度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。表明復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)基本沒有表現(xiàn)出剛度退化,實(shí)現(xiàn)了較好的隔震效果。
(2)滑移層摩擦系數(shù)越小的工況,其曲線表現(xiàn)越為平緩。表明其對(duì)地震作用向上部結(jié)構(gòu)的傳遞控制越好。
(3)各個(gè)工況的上部結(jié)構(gòu)底部剪力曲線在后半段的上升幅度略微減小,尤其是摩擦系數(shù)0.1的工況曲線趨于水平。其原因是隨著地震烈度增大,上部結(jié)構(gòu)進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài),結(jié)構(gòu)底部剪力主要表現(xiàn)為滑動(dòng)摩擦力。
圖8c顯示出地震烈度對(duì)復(fù)合隔震建筑上部結(jié)構(gòu)滑移位移幅值影響的規(guī)律:
(1)隨著地震烈度的增加,上部結(jié)構(gòu)滑移位移幅值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且上升幅度也隨地震烈度的增加而增大。表明復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)在高烈度條件下獲得較好隔震效果的同時(shí),位移響應(yīng)將進(jìn)一步加大。
(2)當(dāng)滑移層摩擦系數(shù)較高時(shí),各個(gè)工況曲線相對(duì)集中,但當(dāng)滑移層摩擦系數(shù)取值為0.1和0.2時(shí),曲線斜率顯著增大。表明當(dāng)通過設(shè)計(jì)較小的滑移層摩擦系數(shù)來獲取結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)有效控制的同時(shí),位移響應(yīng)不容忽視,應(yīng)重視其限位復(fù)位裝置的保護(hù)設(shè)計(jì)。
圖8 地震烈度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響
圖9是滑移層摩擦系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。由圖9a和b可知:
(1)隨著摩擦系數(shù)的增加,復(fù)合隔震建筑底部剪力幅值和頂點(diǎn)加速度幅值的變化趨勢(shì)相同。
(2)在同一烈度條件下,隨著滑移層摩擦系數(shù)的增大,上部結(jié)構(gòu)底部剪力幅值和頂點(diǎn)加速度幅值呈增長趨勢(shì)。表明摩擦系數(shù)是復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)重要影響因素,摩擦系數(shù)越小,對(duì)上部結(jié)構(gòu)地震作用傳遞控制越好。
(3)當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.3之后,不同地震烈度輸入下的曲線斜率分布出現(xiàn)差異,其中地震烈度越大的曲線斜率越大。表明摩擦系數(shù)過大之后,對(duì)高烈度地區(qū)的隔震效果有限。
圖9c顯示出摩擦系數(shù)對(duì)復(fù)合隔震建筑上部結(jié)構(gòu)滑移位移幅值影響的規(guī)律:
(1)上部結(jié)構(gòu)滑移位移幅值隨滑移層摩擦系數(shù)的增大而逐漸減小。表明摩擦系數(shù)越大,在相同地震烈度輸入下,其滑動(dòng)隔震能力越弱。
(2)當(dāng)滑移層摩擦系數(shù)增大到0.3時(shí),各工況曲線斜率降幅驅(qū)緩,尤其是地震烈度輸入較低的曲線(220 gal,310 gal)滑動(dòng)量較小,其表現(xiàn)也驗(yàn)證了加速度響應(yīng)的結(jié)果,即要獲得較好的隔震效果,摩擦系數(shù)不宜過大。
圖9 滑移層摩擦系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響
為進(jìn)一步獲得不同烈度區(qū)適宜的滑移層摩擦系數(shù)取值,圖10給出了結(jié)構(gòu)的隔震率與滑移層摩擦系數(shù)、地震烈度的關(guān)系,
隔震率=
當(dāng)設(shè)計(jì)中明確了預(yù)期隔震率后,可以從圖10中便捷查得各個(gè)設(shè)防烈度區(qū)應(yīng)有的滑移層摩擦系數(shù)取值范圍。按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第12章第12.2.5條[19]對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的規(guī)定,預(yù)設(shè)隔震率為40%,上部結(jié)構(gòu)可降低一度進(jìn)行設(shè)防。
圖10 摩擦系數(shù)對(duì)復(fù)合隔震房屋隔震率影響的曲線
從上述分析可見,基于40%隔震率條件下,單層房屋的滑移層摩擦系數(shù)建議取值范圍如下:7度區(qū)(0.1 g)應(yīng)小于0.2,7度區(qū)(0.15 g)應(yīng)小于0.3,8度區(qū)(0.2 g)應(yīng)小于0.32,8度區(qū)(0.3 g)應(yīng)小于0.35。
村鎮(zhèn)建筑多為1或2層,層數(shù)對(duì)房屋遭遇的地震作用大小有較大影響,也對(duì)復(fù)合隔震體系布置方案有影響,故本節(jié)對(duì)同一布置方案下的層數(shù)影響進(jìn)行分析,以獲取層數(shù)的影響規(guī)律及不同烈度區(qū)合理的布置方案。本文研究選取RH4TG045波8度罕遇地震作用(輸入地震動(dòng)加速度幅值400 gal),滑移層摩擦系數(shù)為0.2工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖11是房屋層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。
從圖11a、b可見,兩層房屋的底部剪力幅值和頂層加速度幅值均顯著大于單層房屋,分別高81.31%和46.40%,隔震率提高13%左右,其原因?yàn)殡p層房屋的上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度更大,其承受的地震作用更大。
從圖11c可見,兩層房屋相應(yīng)的滑移位移也更大,位移曲線趨于水平,表明上部結(jié)構(gòu)層間位移很小,整體趨于平動(dòng),即在8度罕遇地震下,摩擦系數(shù)取值0.2,對(duì)于單層和兩層房屋都能夠獲得很好的隔震效果。
場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)向上部結(jié)構(gòu)傳遞的影響很大,主要體現(xiàn)在地震動(dòng)峰值和頻譜特性等方面,也將對(duì)體系的隔震效果帶來一定影響。為研究其規(guī)律,本文進(jìn)行了在相同地震波輸入條件下Ⅰ1類、Ⅱ類、Ⅲ類不同場(chǎng)地類別對(duì)隔震效果影響的分析。
為選擇3種場(chǎng)地類別適宜的地震波,分別重新選用與場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相吻合的3條人工波進(jìn)行模擬計(jì)算,其對(duì)比如圖12a所示。由圖12b可見,3條地震波在峰值出現(xiàn)位置和下降段有較為明顯的差異。因篇幅所限,僅選取3條人工波8度罕遇地震作用(地震動(dòng)幅值為400 gal),設(shè)計(jì)分組取第2組,滑移層摩擦系數(shù)為0.2的單層復(fù)合隔震房屋進(jìn)行分析。
a—地震波 b—加速度反應(yīng)譜
場(chǎng)地類別對(duì)復(fù)合隔震房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響結(jié)果(圖13)顯示:上部結(jié)構(gòu)底部剪力幅值和頂點(diǎn)加速度幅值隨著場(chǎng)地類別由Ⅰ1類、Ⅱ類、Ⅲ類的變化逐漸減小,而滑移位移逐漸增大,表明軟土地基條件下復(fù)合隔震房屋上部結(jié)構(gòu)地震輸入更小。其原因是土體的阻尼效應(yīng)增大,本身就發(fā)揮了一定的濾波效果。另外,進(jìn)一步說明在獲得相同隔震效果的條件下,軟土地基上的復(fù)合隔震砌體房屋滑移層摩擦系數(shù)取值可以比堅(jiān)硬土體條件的更小。
圖13 場(chǎng)地類別對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響
本文通過對(duì)復(fù)合隔震房屋模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,得出地震烈度、滑移層摩擦系數(shù)、房屋層數(shù)及場(chǎng)地類別等因素對(duì)復(fù)合隔震建筑隔震性能的影響,具體結(jié)論如下:
(1)基礎(chǔ)滑移層與砂墊層協(xié)同工作的復(fù)合隔震體系具有良好的隔震效果,獲得越好的加速度和底部剪力隔震效果,上部結(jié)構(gòu)滑移位移越大。因此,設(shè)計(jì)中應(yīng)注意從構(gòu)造措施上保證其滑移量得到滿足。
(2)影響復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)隔震效果的主要因素是滑移層摩擦系數(shù)和地震烈度,地震烈度越高,摩擦系數(shù)越小,復(fù)合隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果越好;其次,在相同抗震設(shè)防區(qū)要獲得相似的隔震效果,基于不同場(chǎng)地條件和層數(shù)的建造條件下,復(fù)合隔震房屋的滑移層摩擦系數(shù)取值應(yīng)有所區(qū)分,場(chǎng)地條件越堅(jiān)硬,摩擦系數(shù)取值越小,單層房屋相對(duì)于兩層房屋,摩擦系數(shù)取值更小。
(3)在預(yù)設(shè)隔震率為40%的條件下,高烈度區(qū)單層復(fù)合隔震房屋的滑移層摩擦系數(shù)取值范圍為:7度區(qū)(0.1 g)應(yīng)小于0.2,7度區(qū)(0.15 g)應(yīng)小于0.3,8度區(qū)(0.2 g)應(yīng)小于0.32,8度區(qū)(0.3 g)應(yīng)小于0.35。