村鎮(zhèn)砌體建筑組合隔震技術(shù)研究

靳彩虹 楊德健 張瀅心

摘要?為了引入更適合村鎮(zhèn)砌體房屋的減震技術(shù)，建立某五層村鎮(zhèn)砌體房屋的有限元模型。分別在基礎(chǔ)隔震層設(shè)置工程塑料板夾層橡膠隔震支座和鋼筋-瀝青隔震磚墩，對(duì)比模型的各層絕對(duì)加速度、各層層間位移、基底剪力以及耗能能力，分析兩種隔震材料的特點(diǎn)，提出新型組合隔震方案。針對(duì)不同的隔震組合形式，分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。結(jié)果表明：以不同的控制目標(biāo)分析，最優(yōu)的組合隔震方案不同。新形式的組合隔震方案具有隔震性能良好和造價(jià)低廉等優(yōu)勢，適用于在廣大農(nóng)村建筑中推廣采用。

關(guān)?鍵?詞?砌體建筑;基礎(chǔ)隔震;地震響應(yīng);組合隔震;經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)?TU352.1?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼?A

Study?on?isolation?technology?of?masonry?building?compound

in?villages?and?towns

JIN?Caihong1，?YANG?Dejian1，?2，?ZHANG?Yingxin1

（1.?School?of?Civil?Engineering，?Tianjin?Chengjian?University，?Tianjin?300384，?China;?2.?Tianjin?Key?and?Reinforcement，?Tianjin?300384，?China）

Abstract?In?order?to?introduce?shock?absorption?technology?that?was?more?suitable?for?masonry?houses?in?villages?and?towns，?a?finite?element?model?that?was?made?of?a?five-story?masonry?house?in?villages?and?towns?was?established.?The?rubber-isolation?bearings?that?was?made?of?engineering?plastic?plate?sandwich?and?the?isolated?brick?piers?that?consisted?of?steel?and?asphalt?were?installed?respectively?in?the?base?isolation?layer.?By?comparing?the?model’s?absolute?acceleration?of each?layer，the?displacement?between?the?layers，?the?base?shear?force?and?the?energy?dissipation?capacity，?a?new?type?of?combined?seismic?isolation?scheme?was?proposed?by?means?of?the?analysis?of?the?characteristics?of?the?two?seismic?isolation?materials.?According?to?different?combinations?of?the?seismic?isolation?forms，?the?seismic?response?of?the?structure?was?analyzed.?The?results?showed?that?the?optimal?combined?seismic?isolation?scheme?with?different?control?objectives.?The?combined?seismic?isolation?scheme?of?the?new?form?which?had?the?advantages?of?good?isolation?performance?and?low?cost，?was?suitable?for?popularization?and?adoption?in?rural?areas.

Key?words?economy;?masonry?building;?base?isolation;?earthquake?response;?combined?isolation

0?引言

多層砌體房屋有著就地取材，施工簡單，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為我國民用建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一。但是砌體結(jié)構(gòu)主要依靠墻體承受豎向荷載和水平地震作用，房屋的整體延性較差，因此不利于抗震[1]，需要最大限度的提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防，降低地震對(duì)村民生命和財(cái)產(chǎn)的危險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)控制通過以“柔”克“剛”的方法減少了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的一些局限性，使得建筑結(jié)構(gòu)不僅滿足自身的安全性、適用性，也能滿足經(jīng)濟(jì)性等功能的要求[2]。目前，最常見的一種基礎(chǔ)隔震技術(shù)是采用疊層鋼板橡膠支座作為隔震材料，不過疊層鋼板橡膠隔震支座的造價(jià)較高，施工技術(shù)嚴(yán)格，并不適合大規(guī)模村鎮(zhèn)砌體房屋的使用，需要深入探究出一種適合我國廣大村鎮(zhèn)使用的簡易隔震技術(shù)[3]。

針對(duì)新建砌體建筑，廣州大學(xué)周福霖教授等嘗試采用具有一定平面外剛度的不飽和聚酯玻璃纖維增強(qiáng)塑料板代替普通疊層隔震橡膠支座中的昂貴材料，形成纖維增強(qiáng)工程塑料板夾層橡膠隔震支座（SFRPB）[4-7]。湖南大學(xué)尚守平教授等針對(duì)新建房屋提出了另一種新的方案，即鋼筋一瀝青隔震層，在建筑物的上地圈梁和下地圈梁之間鋪設(shè)一層隔震層，該隔震層由豎向鋼筋、磚墩以及瀝青油膏3部分組成，其中豎向鋼筋錨固于上下地圈梁之間，相鄰兩豎向鋼筋間布置了能增加隔震層的豎向穩(wěn)定性的磚墩，鋼筋與磚墩之間的空隙選用具有一定軟化點(diǎn)的瀝青油膏進(jìn)行填充[8]。這2種材料取材方便、造價(jià)低廉，施工簡易。本文對(duì)比分析了采用上述這兩種基礎(chǔ)隔震材料的砌體建筑的地震響應(yīng)和耗能能力，提出了能夠充分發(fā)揮兩種隔震材料的優(yōu)點(diǎn)，更為經(jīng)濟(jì)和減震效果更好的砌體結(jié)構(gòu)組合隔震方案。

1?基礎(chǔ)隔震模型

某村鎮(zhèn)五層砌體建筑，其工程建筑面積為216?m2。建筑總長為18?m，寬為12?m。各層層高3?m，總高15?m。建筑的首層布置平面如圖1a）所示。在結(jié)構(gòu)頂、底部布置圈梁，在縱橫墻相交處布置構(gòu)造柱，圈梁與構(gòu)造柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25。樓板厚為120?mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。墻體材料選用MU10的普通粘土，砌筑砂漿強(qiáng)度為M5，墻厚240?mm。在SAP2000中，框架結(jié)構(gòu)的梁柱桿件用桿單元模擬，砌塊墻用殼-薄殼單元模擬，樓板用shell單元模擬。設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)分組為第2組，場地類型為Ⅱ類。

利用SAP2000軟件對(duì)本砌體結(jié)構(gòu)（無隔震設(shè)計(jì)，簡稱原結(jié)構(gòu)）和兩種不同隔震層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析。方案1：隔震層采用工程塑料板夾層橡膠材料，總厚度為55?mm，最大水平位移為橡膠總厚度的2.5倍，即2.5[×]55=137.5?mm，單位建筑面積塑料板橡膠隔震支座的最小個(gè)數(shù)為0.182?/m2，則本砌體建筑選用的支座個(gè)數(shù)不少于[216×0.182=40]個(gè)，具體布置方式見圖1b）。方案2：隔震層采用鋼筋-瀝青隔震材料，選用等級(jí)為HRB400的鋼筋，鋼筋直徑d=10?mm。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》在正常使用條件下計(jì)算隔震層的豎向鋼筋，并參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在地震作用下驗(yàn)算豎向鋼筋的承載力，最終確定隔震層布置696個(gè)隔震單元，具體布置方式見圖1c）。

選取EL-centro波作為地震動(dòng)的輸入，進(jìn)行模型動(dòng)力響應(yīng)分析和耗能情況比較。為了能夠更好地考察結(jié)構(gòu)在三維地震作用下的響應(yīng)，對(duì)模型分別輸入了施加水平X方向的加速度和施加豎直Y方向加速度?2種工況，由于實(shí)際地震加速度時(shí)程曲線的峰值加速度和建筑物所在場地基本烈度不一致，將建筑設(shè)防烈度的基準(zhǔn)加速度和實(shí)際加速度的比值作為比例系數(shù)，整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)加速度時(shí)程曲線的最大值按該系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)地震加速度0.15g，地震波持續(xù)時(shí)間為30?s。水平地震波的加速度峰值為341.7?cm/s2，豎向地震波的加速度峰值為267.49?cm/s2。在輸入El-Centro波后，原結(jié)構(gòu)、方案1、方案2的動(dòng)力響應(yīng)和耗能能力分析結(jié)果如表1和表2所示。

如表1所示，2種方案均減小上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)且能達(dá)到文獻(xiàn)[10]建議的1/200的要求。其中方案1的頂層絕對(duì)加速度和基底剪力最大值均小于方案2。說明方案1的抗震性能優(yōu)于方案2。但是方案1隔震層的層間位移較大。

如表2所示，2種隔震層設(shè)計(jì)方案通過隔震裝置提供的滯回連接均可以在一定程度上減少上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，其中，鋼筋-瀝青隔震結(jié)構(gòu)的連接滯回耗能比更大，具有更為顯著的減震效果。

方案1的頂層加速度響應(yīng)最小，可有效降低上部結(jié)構(gòu)的剪力反應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)的震后損害。方案2的造價(jià)低，隔震支座的層間位移較小，且更能有效地吸收地震能量，更適用于農(nóng)村砌體房屋建設(shè)。為了充分利用這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，將兩種隔震層布置方案進(jìn)行組合，使得砌體結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性的統(tǒng)一。

2?隔震層組合方案設(shè)計(jì)

以往的隔震體系采用將純疊層橡膠隔震支座和鉛芯疊層橡膠隔震支座組合在一起，兩者的結(jié)合提高了純疊層橡膠支座隔震層的阻尼和豎向承載力，降低了原鉛芯疊層橡膠支座隔震層的工程造價(jià)，但是這種隔震體系普遍適用于一些經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的城市地區(qū)，為了節(jié)省以往隔震體系的經(jīng)濟(jì)支出，需要研究一種采用工程塑料板夾層橡膠和鋼筋-瀝青磚墩這兩種新型材料形成新的隔震體系。在地震作用下，工程塑料板夾層橡膠隔震結(jié)構(gòu)更能降低結(jié)構(gòu)各層的最大絕對(duì)加速度，減小首層的最大位移，減小結(jié)構(gòu)的層間剪力，而鋼筋-瀝青隔震結(jié)構(gòu)的滯回連接耗能較大，更能濾掉地震能量?；谏鲜龇治觯跐M足建筑整體抗震安全和建造更為經(jīng)濟(jì)要求的前提下，提出一種隔震體系，使得這兩種材料協(xié)同工作，發(fā)揮出良好的隔震效果，并對(duì)這種簡易隔震體系的減震性能做進(jìn)一步研究。

在工程塑料板夾層橡膠隔震支座和鋼筋-瀝青磚墩數(shù)量不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)砌體建筑的結(jié)構(gòu)形式與剛度分布均勻的特點(diǎn)，提出6種組合隔震布置方案，組合方案中均布置36個(gè)塑料板橡膠隔震支座和296個(gè)鋼筋-瀝青隔震磚墩，將工程塑料板夾層橡膠隔震支座布置在結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱下，在[？]、[？]軸縱墻和[①]、[⑥]軸橫墻的地圈梁下連續(xù)布置鋼筋-瀝青隔震磚墩，設(shè)為組合1，在[？]、[？]軸縱墻和[②]、[⑤]軸橫墻的地圈梁下連續(xù)布置鋼筋-瀝青隔震磚墩，設(shè)為組合2，在[？]、[？]軸縱墻和[③]、[④]軸橫墻的地圈梁下連續(xù)布置鋼筋-瀝青隔震磚墩，設(shè)為組合3，在[？]、[？]軸縱墻和[①]、[⑥]軸橫墻的地圈梁下連續(xù)布置鋼筋-瀝青隔震磚墩，設(shè)為組合4，在[？]、[？]軸縱墻和[②]、[⑤]軸橫墻的地圈梁下連續(xù)布置鋼筋-瀝青隔震磚墩，設(shè)為組合5，在[？]、[？]軸縱墻和[③]、[④]軸橫墻的地圈梁下連續(xù)布置鋼筋-瀝青隔震磚墩，設(shè)為組合6，6種組合隔震層的具體布置方案如圖2所示。

將工程塑料板夾層橡膠隔震支座與鋼筋-瀝青隔震磚墩進(jìn)行結(jié)合，結(jié)合傳統(tǒng)砌體建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了6種組合隔震方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和能量反應(yīng)，選擇最優(yōu)組合方案。

3?組合隔震方案八度多遇地震響應(yīng)分析

在El-Centro地震波基地激勵(lì)作用下，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行八度多遇地震作用的非線性時(shí)程分析和能量分析比較，研究比較隔震層采用兩種新型材料后的不同組合方案對(duì)結(jié)構(gòu)減震效果的影響，并分析不同組合的各層絕對(duì)加速度、層間位移和層間剪力的動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律。

3.1?絕對(duì)加速度反應(yīng)分析

6種組合隔震方案在雙向八度多遇地震作用下各層絕對(duì)加速度的時(shí)程曲線如圖3所示。

由圖3所示，組合1在X方向的頂層絕對(duì)加速度為63.4?cm/s2，在Y方向的頂層絕對(duì)加速度為54.4?cm/s2，而方案2在X方向的加速度為104.60?cm/s2，在Y方向的頂層絕對(duì)加速度為82.58?cm/s2。與方案1相比，減小了支座的數(shù)量，減少了工程造價(jià)，與方案2相比，組合1?無論在X方向還是Y方向，減震效果均有提高而且在6種組合中為最佳，減小幅度分別能達(dá)到原結(jié)構(gòu)的73%和54%。

3.2?層間位移反應(yīng)分析

圖4給出了6種組合結(jié)構(gòu)在雙向多遇地震作用下樓層最大位移沿樓層變化的趨勢。

由圖4可知，組合1?在X方向的隔震層位移為9.94?mm，在Y方向的隔震層位移為9.11?mm，而方案1X方向和Y方向的隔震層位移高達(dá)18.54?mm和15.79?mm。6種組合會(huì)增大原結(jié)構(gòu)的樓層位移，但是增大值均小于方案1，而且組合1的隔震層位移增大值為6種組合中的最小值。

3.3?層間剪力反應(yīng)分析

6種組合隔震模型在八度多遇地震作用下的層間剪力包絡(luò)圖如圖5所示。

從圖5中可以看到，組合3的基底剪力控制效果最佳，減小率為61%，而方案2的減小率僅為31%;Y向的減小率為66%，幾乎是方案2的兩倍。雖然組合3在6種組合中對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力的控制效果最佳，但是組合1無論在X方向還是Y方向，減小率也均能達(dá)到60%，與組合3之間的差距并不大。

3.4?耗能反應(yīng)分析

表3是6種組合隔震方案在雙向八度多遇地震工況下模態(tài)阻尼耗能和滯回耗能。

如表3所示，6種組合隔震方案的振型阻尼和連接滯回共同消耗地震能量，相比于原結(jié)構(gòu)，6種組合隔震方案均可以提高原結(jié)構(gòu)的連接滯回耗能比，且提高的比例大于方案1。但由于使用的隔震器的種類和數(shù)量相同，因此6種組合隔震方案的振型阻尼耗能和連接滯回耗能比較接近。

經(jīng)上述數(shù)據(jù)表明，6種組合隔震方案的隔震層層間位移和耗能能力優(yōu)于方案1，而頂層絕對(duì)加速度和基底剪力優(yōu)于方案2。綜合分析，組合1的效果更佳。更重要的是，組合1?的工程造價(jià)與方案1相比大大降低，節(jié)省了隔震體系的經(jīng)濟(jì)支出。

4?組合隔震方案八度罕遇地震響應(yīng)分析

不改變結(jié)構(gòu)的其他條件，對(duì)6種組合隔震方案進(jìn)行雙向八度罕遇地震作用的非線性時(shí)程分析和能量分析比較，研究出最優(yōu)的組合方案。

4.1?絕對(duì)加速度反應(yīng)分析

6種組合隔震方案在雙向八度罕遇地震作用下各層絕對(duì)加速度的時(shí)程曲線如圖6所示。

由圖6所示，6種組合隔震方案在八度罕遇地震作用下的各層絕對(duì)加速度均小于方案2。其中組合1減震效果最為明顯，在X方向的減震率甚至能達(dá)到79?%以上。

4.2?層間位移反應(yīng)分析

在雙向八度罕遇地震作用下，6種組合隔震方案的各樓層側(cè)移繪制成圖7。

由圖7可知，在八度罕遇地震作用下，6種組合隔震方案仍會(huì)導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的隔震層層間位移增大，但是增大幅度均小于方案1。組合1?在X方向的隔震層位移為87.74?mm，在Y方向的隔震層位移為75.13?mm，且各樓層位移的增大趨勢平緩。是6種組合中控制隔震層位移的最優(yōu)方案。

4.3?層間剪力反應(yīng)分析

6種組合隔震模型在八度罕遇地震作用下的層間剪力包絡(luò)圖如圖8所示。

從圖8中可以看到，6種組合在八度罕遇地震作用下的基底剪力均小于方案2，其中組合3對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力的控制效果最佳，在X方向的減小率為61.62%，在Y向的減小率為53.29%，而組合1的減小率與組合3相比幾乎沒有差異，能達(dá)到組合3的98%以上。

4.4?耗能反應(yīng)分析

表4為6種組合隔震方案在八度罕遇地震作用下X方向和Y方向的能量反應(yīng)。

如表4所示，同八度多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)一樣，6種組合隔震方案在八度罕遇地震作用下均提高了結(jié)構(gòu)的連接滯回耗能能力，且相差不大。

從分析中可以看到，在八度罕遇地震作用下，6種隔震組合隔震方案均可以達(dá)到降低工程造價(jià)和減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的，其中組合1的減震效果更為明顯，為最優(yōu)隔震方案。

5?結(jié)論

1）砌體組合隔震方案，不但可以彌補(bǔ)塑料板橡膠隔震支座和鋼筋-瀝青隔震層各自的不足，而且在滿足建筑抗震安全的前提下，進(jìn)一步降低了工程造價(jià)。

2）綜合分析表明，在二類場地條件下，砌體結(jié)構(gòu)采用此類簡易隔震措施可有效提高抗震性能，并建議隔震支座和隔震磚墩的位置應(yīng)盡可能的布置在建筑外圍墻下，使得組合隔震結(jié)構(gòu)的減震效果達(dá)到最佳。

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[責(zé)任編輯????楊????屹]