尹志勇 孫海峰 景立平 董瑞 徐琨鵬
摘要: 設(shè)圈梁構(gòu)造柱是提高農(nóng)村民居整體抗震性能的重要措施之一。文章以設(shè)圈梁構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)形式農(nóng)村民居為對(duì)象開展了考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用(SSI)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)模型采用1/4縮尺比例制作,并放置在地基土模型之上。地震波選取為1條天然地震波和2條人工地震波,輸入的地震波幅值分別為0.1g(7度)、0.2g(8度)0.4g(9度)。試驗(yàn)結(jié)果表明:0.4g(9度)地震作用下,結(jié)構(gòu)模型僅縱墻的門窗洞口四角出現(xiàn)細(xì)微裂縫,破壞狀態(tài)為基本完好,說明設(shè)圈梁構(gòu)造柱的農(nóng)村民居抗震性能良好;隨著地震作用增大,結(jié)構(gòu)模型的加速度放大系數(shù)呈逐漸減小的趨勢,層間位移反應(yīng)呈緩慢增大的趨勢;當(dāng)?shù)卣鹱饔幂^大的時(shí)候,應(yīng)適當(dāng)考慮SSI效應(yīng)對(duì)土層到結(jié)構(gòu)加速度傳遞系數(shù)具有一定程度降低的影響。
關(guān)鍵詞: 砌體結(jié)構(gòu); 圈梁; 構(gòu)造柱; SSI效應(yīng); 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)
中圖分類號(hào): TU375.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào): 1000-0844(2023)04-0826-09
DOI:10.20000/j.1000-0844.20220624001
Shaking table test of rural buildings with ring beams and structural columns considering soil-structure interaction effect
YIN ZhiyongSUN Haifeng3, JING Liping2, DONG Rui2, XU Kunpeng2
Abstract:? The setting of ring beams and structural columns is an important measure to improve the overall seismic performance of rural buildings. In this study, a series of shaking table tests considering soil-structure interaction (SSI) was performed on rural buildings with ring beams and structural columns. The 1/4 scaled model of the structure used in the test was manufactured and placed on a foundation soil model. One natural and two artificial seismic waves were selected, and the input seismic amplitudes were 0.1g (7-degree), 0.2g (8-degree), and 0.4g (9-degree). The test results showed that under the action of a 0.4g (9-degree) earthquake, only slight cracks were induced around the corners of doors and windows of the longitudinal wall, and the failure mode was intact, indicating good seismic performance of rural buildings with ring beams and structural columns. With the increase in the seismic action, the acceleration amplification coefficient of the structural model decreased gradually, while the response of the story drift gradually increased. When the seismic intensity is high, the influence of the SSI effect on the acceleration transfer coefficient from the soil layer to the structure should be appropriately considered.
Keywords: masonry structure; ring beam; structural column; SSI effect; shaking table test
0 引言
2008年的汶川地震[1]、2010年的玉樹地震[2]、2013年的蘆山地震[3]對(duì)沿地震帶大部分地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)造成了不同程度的損壞,而農(nóng)村地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)遭受到的破壞程度最為嚴(yán)重。這幾次地震都發(fā)生在我國西部地區(qū),而我國西部地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)較落后的地區(qū)。盡管國家西部大開發(fā)的政策使西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)有了大的發(fā)展,但西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技水平仍落后我國東部發(fā)達(dá)地區(qū)。農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)條件差、農(nóng)民抗震意識(shí)不夠,房屋大都自建,基本處于不設(shè)防狀態(tài),房屋抗震性能普遍較差,是歷次地震造成農(nóng)村地區(qū)災(zāi)害損失巨大的原因所在。
近年來,為了提高農(nóng)村民居的抗震性能,我國各級(jí)政府有關(guān)部門推出了地震安全農(nóng)居工程等相關(guān)政策,專家學(xué)者們針對(duì)提高農(nóng)村民居的抗震性能也提出了一些方法,比如采用圈梁構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施或采用隔震加固措施等。為了驗(yàn)證圈梁構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施的實(shí)際抗震效果,學(xué)者們主要從試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面開展了大量的工作。
試驗(yàn)方面的研究工作主要通過擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)兩種手段來開展,但大多數(shù)學(xué)者采用擬靜力試驗(yàn)手段,采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)手段相對(duì)較少。擬靜力試驗(yàn)方面,學(xué)者們主要針對(duì)帶圈梁構(gòu)造柱措施的墻體開展抗震性能分析[4-12]。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方面,學(xué)者們對(duì)帶圈梁構(gòu)造柱的完整結(jié)構(gòu)模型開展試驗(yàn),如:肖建莊等[13]對(duì)再生混凝土砌塊的“構(gòu)造柱-圈梁-現(xiàn)澆板”體系砌體結(jié)構(gòu)模型開展了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明該體系可抵抗所在地區(qū)設(shè)防烈度下的地震作用,整體抗震性能較好。曹萬林等[14]開展了異形保溫砌塊帶構(gòu)造柱砌體房屋與普通保溫砌塊砌體房屋的振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明異形保溫砌塊帶構(gòu)造柱砌體房屋延性更好,綜合抗震能力更高。王海飆等[15]的研究結(jié)果表明,圈梁、構(gòu)造柱以及水平拉結(jié)筋構(gòu)成的約束體系對(duì)砌體墻的約束作用非常明顯。熊立紅等[16]針對(duì)設(shè)置構(gòu)造柱與圈梁的新疆安居房屋模型開展了1/2大比例尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),結(jié)果表明設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁是提高砌體房屋抗倒塌能力的一種有效措施。單玉川等[17]在底層局部框架的典型混合結(jié)構(gòu)體系農(nóng)居進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上,建議合理布置底層構(gòu)造柱來提高該類農(nóng)居抗震能力。周強(qiáng)等[18]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了圈梁構(gòu)造柱抗震體系的單層混凝土砌塊房屋的抗震性能,試驗(yàn)結(jié)果表明:采用構(gòu)造柱圈梁抗震體系的房屋,可達(dá)到村鎮(zhèn)建筑9度抗震設(shè)防目標(biāo),基本符合建筑抗震三水準(zhǔn)設(shè)防的要求。
在數(shù)值模擬方面學(xué)者們通過有限元建立模型對(duì)帶構(gòu)造柱圈梁的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,大部分的研究結(jié)果均表明圈梁構(gòu)造柱構(gòu)造措施可有效約束住墻體,提高砌體結(jié)構(gòu)的延性,增強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的整體性與抗倒塌性能[19-26],但對(duì)局部破壞影響不大[27]。
綜上所述,學(xué)者們通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段開展了大量工作,研究成果表明砌體結(jié)構(gòu)設(shè)置圈梁構(gòu)造柱抗震措施可有效約束墻體,提高結(jié)構(gòu)的延性,增強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)抗震性能。但振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方面的成果相對(duì)較少,且振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中考慮SSI效應(yīng)近乎空白。鑒于此,本文以設(shè)圈梁構(gòu)造柱的農(nóng)村民居為對(duì)象,通過開展考慮SSI效應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),考察地震作用下設(shè)圈梁構(gòu)造柱的農(nóng)村民居的破壞情況,分析地震作用下設(shè)圈梁構(gòu)造柱的農(nóng)村民居的地震反應(yīng)規(guī)律。
1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
文中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在中國地震局工程力學(xué)研究所地震模擬實(shí)驗(yàn)室完成,振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和模型土箱是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和模型土箱如圖1所示。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)采用電液伺服三向振動(dòng)臺(tái),擁有6個(gè)自由度,臺(tái)面尺寸為5 m×5 m,臺(tái)面容許的最大承載力為300 kN。模型土箱采用疊層剪切型模型箱[28],其尺寸為3 700 mm(長)×2 400 mm(寬)×1 700 mm(高),由15層口字形鋼管框架疊合而成,框架之間可以自由滑動(dòng),可以較好地解決振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中模型箱的邊界效應(yīng)問題,已多次應(yīng)用到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中[29-31]。
1.2 模型相似設(shè)計(jì)
試驗(yàn)?zāi)P桶ǖ鼗聊P秃徒Y(jié)構(gòu)模型。土體是一種非常復(fù)雜的材料,常加速度條件下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),土體的重力相似關(guān)系很難滿足。目前,土-結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,大都只考慮結(jié)構(gòu)部分的相似設(shè)計(jì)而忽略土體的相似關(guān)系[32-34]。因此,文中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)地基土模型不考慮土體的相似關(guān)系,結(jié)構(gòu)模型采用欠人工質(zhì)量模型近似滿足結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的相似規(guī)律。結(jié)構(gòu)模型的原型選取為農(nóng)村地區(qū)的一層磚砌體結(jié)構(gòu)房屋,設(shè)有構(gòu)造柱、圈梁等抗震措施,平面尺寸為7 200 mm(長)×5 700 mm(寬),房屋高度為3 300 mm,外墻厚度為370 mm,內(nèi)墻厚度為240 mm。根據(jù)張敏政的一致相似律理論[35],在結(jié)構(gòu)模型的相似比設(shè)計(jì)中,選取長度、彈性模量和密度為三個(gè)基本量。由于振動(dòng)臺(tái)及疊層剪切箱的尺寸限制,長度相似比Sl取1/4。砌體結(jié)構(gòu)模型的磚墻材料與原型結(jié)構(gòu)一致,彈性模量相似比SE取1;在模型配重不影響結(jié)構(gòu)剛度前提下,采用欠人工質(zhì)量模型[35]。結(jié)構(gòu)原型的重量約為80.69 t,結(jié)構(gòu)模型的重量約為1.82 t,設(shè)置人工質(zhì)量約為0.75 t,密度相似比Sρ取2。結(jié)構(gòu)模型相似關(guān)系如表1所列。
1.3 模型制作
結(jié)構(gòu)模型包括主要包括磚墻、構(gòu)造柱、圈梁、屋面板和過梁。原型結(jié)構(gòu)的磚塊采用燒結(jié)普通磚,強(qiáng)度等級(jí)為MU10,其尺寸為235 mm(長)×115 mm(寬)×45 mm(高),模型結(jié)構(gòu)的磚塊在原型結(jié)構(gòu)磚塊基礎(chǔ)上在長、寬方向按長度相似比的比例切割,而厚度方向考慮到施工工藝的限制按1/2的比例切割,切割后模型結(jié)構(gòu)磚塊的尺寸為55 mm(長)×26 mm(寬)×21 mm(高)。構(gòu)造柱、圈梁、屋面板、過梁采用微?;炷翝仓?,結(jié)構(gòu)模型制作過程如圖2所示。結(jié)構(gòu)模型平面尺寸根據(jù)長度相似關(guān)系縮尺,為1 800 mm(長)×1 425 mm(寬),總高度為825 mm,其平面圖和立面圖如圖3所示。
地基土模型的土體選取為某施工場地的粉質(zhì)黏土,其天然密度為1.88 g/cm3,含水率為17.3%,內(nèi)摩擦角為26.36°,黏聚力為37.61 kPa,通過動(dòng)三軸試驗(yàn)得到的地基土剪切模量比G/Gmax和阻尼比λ 隨剪應(yīng)變變化曲線如圖4所示。地基土模型在土箱內(nèi)采用分層壓實(shí)法完成,地基土的總厚度為1 000 mm,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深為200 mm。具體做法如下:(1)采用分層壓實(shí)法制作1 000 mm厚的地基土,分層夯實(shí),刮毛,每層地基土厚度為200 mm;(2)對(duì)地基土進(jìn)行自由場試驗(yàn),保證地基土趨于密實(shí);(3)挖出結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位置的地基土預(yù)留給結(jié)構(gòu)模型;(4)吊裝結(jié)構(gòu)模型至地基土上,并回填地基土。
1.4 傳感器布置
振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中主要用到加速度傳感器和位移傳感器,傳感器的布置情況如圖5所示。加速度傳感器采用了兩種類型,第一種為壓電式IEPE三向加速度傳感器,布置在結(jié)構(gòu)模型,用SA表示;第二種為壓電式IC單向加速度傳感器,布置在地基土模型中,用A表示。位移傳感器為SW-3型拉線相對(duì)式位移傳感器,布置在結(jié)構(gòu)模型和模型土箱外框上,用D表示。
1.5 地震波及加載制度
根據(jù)原型結(jié)構(gòu)所在場地類別,選取天然地震動(dòng)El-Centro波南北分量以及兩個(gè)人工波作為輸入地震動(dòng),對(duì)模型進(jìn)行水平激勵(lì)。輸入地震動(dòng)的加速度時(shí)程曲線和傅里葉譜如圖6所示。對(duì)模型依次輸入峰值為0.1g(7度)、0.2g(8度)、0.4g(9度)的地震動(dòng),每個(gè)加速度峰值下分別輸入El-Centro波南北分量、人工波1、人工波2,試驗(yàn)開始前和每級(jí)地震動(dòng)加載結(jié)束后分別輸入幅值為0.07g的白噪聲進(jìn)行掃頻來考察結(jié)構(gòu)模型的自振頻率變化,地震波加載次序如表2所列。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 破壞現(xiàn)象
地基土模型在加載完成后,并未發(fā)現(xiàn)明顯破壞。結(jié)構(gòu)模型在0.1g(7度)和0.2g(8度)地震作用下產(chǎn)生不同程度的振動(dòng),但未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫;在0.4g(9度)地震作用下,結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)劇烈,橫墻無肉眼可見裂縫,縱墻的門窗洞口四角出現(xiàn)了細(xì)微裂縫,并沿著灰縫表面發(fā)展。根據(jù)《建(構(gòu))筑物地震破壞等級(jí)劃分》[36]中建筑物破壞等級(jí)劃分的宏觀描述,可以推斷結(jié)構(gòu)模型在經(jīng)歷0.4g(9度)地震作用后仍基本完好,說明設(shè)有圈梁構(gòu)造柱的新建農(nóng)村民居在經(jīng)歷0.4g(9度)地震作用后表現(xiàn)出良好的抗震性能。結(jié)構(gòu)模型和地基土模型在地震荷載加載完成后的破壞情況如圖7所示。
2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性
試驗(yàn)前后及每一級(jí)荷載加載結(jié)束后,對(duì)試驗(yàn)?zāi)P洼斎氚自肼曔M(jìn)行掃頻,得到結(jié)構(gòu)模型在輸入方向的一階自振頻率如表3所列??梢钥闯?,試驗(yàn)前結(jié)構(gòu)模型的自振頻率為19.5 Hz,結(jié)構(gòu)模型自振頻率在加載至0.2g(8度)之前基本沒有變化,0.4g(9度)地震作用之后結(jié)構(gòu)模型自振頻率略有下降。結(jié)合結(jié)構(gòu)模型震害分析原因,加載初期地震作用相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)模型未出現(xiàn)裂縫,0.4g(9度)地震作用后,結(jié)構(gòu)模型開始出現(xiàn)裂縫,結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生退化,結(jié)構(gòu)自振頻率的衰減變化與試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)模型破壞的情況吻合。
2.3 加速度反應(yīng)
圖8為試驗(yàn)?zāi)P兔恳粶y點(diǎn)位置的加速度放大系數(shù),其中0.0 m為地表處的測點(diǎn),0.0 m以下為地基土各深度處的測點(diǎn),0.0 m以上為結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)和屋面板處的測點(diǎn)。從圖中可發(fā)現(xiàn),隨著地基土埋深的減小,地基土層中加速度放大系數(shù)隨之增大;隨著地震作用增大,結(jié)構(gòu)模型的加速度放大系數(shù)呈逐漸減小的趨勢,這是由于結(jié)構(gòu)模型在各級(jí)地震作用下,結(jié)構(gòu)損傷累積使結(jié)構(gòu)剛度逐漸下降和阻尼比增加,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)增長減緩。
值得注意的是,0.1g(7度)地震作用時(shí),地表處到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度放大系數(shù)呈增大趨勢,而0.2g(8度)、0.4g(9度)地震作用時(shí),地表處到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度放大系數(shù)基本呈減小趨勢。為了描述地表處到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度放大系數(shù)的變化程度,定義結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度與地基土地表處的加速度比值為加速度傳遞系數(shù)TA,即
TA=A1/A2 (1)
式中:A1為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度;A2為地基土地表處的加速度。
表4為不同地震作用下的加速度傳遞系數(shù)。從表中可以看出,0.1g(7度)地震作用時(shí),地基土地表處到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度傳遞系數(shù)大于1,在0.2g(8度)、0.4g(9度)地震作用時(shí),地基土地表處到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度傳遞系數(shù)逐漸減小,且基本都小于1,即隨著地震作用增大,加速度傳遞系數(shù)逐漸減小。這是由于隨著地震作用增大,結(jié)構(gòu)與土之間的動(dòng)力相互作用越強(qiáng)烈,土體的變形耗能越多,導(dǎo)致土層向結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度傳遞系數(shù)逐漸降低。這說明當(dāng)?shù)卣鹱饔幂^大時(shí),應(yīng)適當(dāng)考慮SSI效應(yīng)對(duì)土層到結(jié)構(gòu)的加速度傳遞系數(shù)具有一定程度降低的影響。
2.4 層間位移反應(yīng)
圖9為結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與屋面板之間的層間位移反應(yīng)。從圖中可以看出,在前兩級(jí)地震激勵(lì)作用下,結(jié)構(gòu)的層間位移基本上呈線性增大趨勢;在0.4g(9度)地震作用下,結(jié)構(gòu)的層間位移增大趨勢較前兩級(jí)地震激勵(lì)作用時(shí)變緩,導(dǎo)致層間位移變化呈非線性增大趨勢,即隨著地震作用的增大,結(jié)構(gòu)模型的層間位移也隨之逐漸增大,但增長趨勢逐漸變緩,總體呈非線性增大的趨勢。結(jié)合試驗(yàn)的破壞現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)加速度傳遞系數(shù)分析,產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是:一方面,隨著地震作用增大,從土層傳遞到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度傳遞系數(shù)逐漸減小;另一方面,當(dāng)0.4g(9度)地震作用時(shí),結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)了損傷。
3 結(jié)論
本文對(duì)設(shè)圈梁構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)農(nóng)村民居縮尺模型開展了考慮SSI效應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),并對(duì)不同地震作用下模型的震害現(xiàn)象及地震反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:
(1) 0.4g(9度)地震作用下,結(jié)構(gòu)模型僅縱墻的門窗洞口四角出現(xiàn)細(xì)微裂縫,破壞狀態(tài)為基本完好,說明設(shè)圈梁構(gòu)造柱的農(nóng)村民居抗震性能良好。
(2) 隨著地震作用增大,結(jié)構(gòu)損傷累積使結(jié)構(gòu)剛度逐漸下降和阻尼比增大,且土層傳遞到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度傳遞系數(shù)逐漸減小,結(jié)構(gòu)模型的加速度放大系數(shù)呈逐漸減小的趨勢,層間位移反應(yīng)總體呈非線性增大的趨勢。
(3) 地震作用越大,結(jié)構(gòu)與土之間的動(dòng)力相互作用越強(qiáng)烈,土體的變形耗能越多,從土層向結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的加速度傳遞系數(shù)越小。當(dāng)?shù)卣鹱饔帽容^大的時(shí)候,應(yīng)適當(dāng)考慮SSI效應(yīng)對(duì)土層到結(jié)構(gòu)的加速度傳遞系數(shù)具有一定程度降低的影響。
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收稿日期:2022-06-24
基金項(xiàng)目:湖南文理學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(21BSQD39);中國地震局地震科技星火計(jì)劃攻關(guān)項(xiàng)目(XH16010);中國地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2017B10);湖南文理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(YB2120);湖南文理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(XDC202266)
第一作者簡介:尹志勇(1993-),男,博士,講師,主要從事巖土地震工程、工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail:iemyzy@163.com。