木板夾芯房屋抗震性能試驗(yàn)研究*

張?jiān)訇牛?周鐵鋼

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

0 引言

新疆位于喜馬拉雅-地中海地震帶上，震害較為嚴(yán)重[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，自從20世紀(jì)以來(lái)，新疆平均每年發(fā)生一次里氏6級(jí)以上的地震[2-3]。在農(nóng)村房屋的建造上，由于缺乏適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，不能滿足抗震的基本要求，導(dǎo)致在震害來(lái)臨時(shí)，往往損失慘重。

為了研究新疆傳統(tǒng)房屋的抗震性能，課題組深入新疆內(nèi)部，對(duì)多處土木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行考察，并且對(duì)當(dāng)?shù)啬景鍔A芯房屋的抗震性能進(jìn)行研究[4-6]。本文設(shè)計(jì)了1/4縮尺比例模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)木板夾芯房屋在水平地震作用下的地震反應(yīng)和破壞特征進(jìn)行了探討，通過(guò)觀察模型在不同地震加速度峰值作用下的破壞形態(tài)，評(píng)估木板夾芯房屋的安全性能，為今后新疆傳統(tǒng)房屋的研究提供理論支持。

1 新疆木板夾芯房屋簡(jiǎn)介

在新疆，村鎮(zhèn)居民住房的結(jié)構(gòu)類型主要有磚混結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、石木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)，其中木板夾芯房屋就屬于土木結(jié)構(gòu)的一種建筑形式[2]。該結(jié)構(gòu)民居以木質(zhì)框架和土坯承重，在房屋的四個(gè)角分別設(shè)置木質(zhì)角柱，在角柱處設(shè)有斜向支撐，在墻體中間每隔一段距離設(shè)置木柱，房屋上下都設(shè)有木圈梁。木板夾芯房屋在墻體的內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置水平木條包夾，并且水平木條與豎向木柱相連。其中，砌筑墻體的材料主要為土坯和泥漿。由木板夾芯房屋的施工工藝來(lái)看，整個(gè)房屋使用的建筑材料屬于綠色可再生材料，產(chǎn)生的建筑垃圾對(duì)環(huán)境影響較小[7]。木板夾芯房屋為單層房屋，結(jié)構(gòu)高度為3.2m，墻體厚度為250mm，開(kāi)間尺寸分別為3.3m和3.6m，進(jìn)深尺寸為5.1m，如圖1所示。

圖1 木板夾芯房屋原型尺寸

墻體由木龍骨及土坯制成，土坯尺寸為330mm×60mm×70mm(長(zhǎng)×寬×高)，墻中木柱排列整齊均勻并與底圈梁連接穩(wěn)固。這種房屋具有特殊的木質(zhì)圈梁，分為頂圈梁和底圈梁，底圈梁與底座通過(guò)螺栓連接。在頂部圈梁上部設(shè)置木檁條，將木板鋪在檁條上，隨后鋪上一道席子和一層稻草，接著鋪上一層約80mm厚的麥草泥，見(jiàn)圖2。

圖2 模型剖面圖

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作

2.1 模型設(shè)計(jì)

本次振動(dòng)臺(tái)模型在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到試驗(yàn)儀器的承載力(4t)和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸(2m×2.2m)等因素，采用縮尺模型來(lái)代替其原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。考慮到豎向應(yīng)力相似比，保證模型與原型結(jié)構(gòu)豎向壓應(yīng)變的比值盡量趨近于1[8-9]。參照原型結(jié)構(gòu)，利用相似理論和量綱分析法，確定本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用1/4縮尺比例，根據(jù)相似原理，各參數(shù)的相似關(guān)系見(jiàn)表1。

原型與模型相似關(guān)系 表1

在添加配重后，豎向壓應(yīng)力比為1/2，保證了模型仍然具備原型結(jié)構(gòu)的大部分結(jié)構(gòu)特征，模型的詳細(xì)尺寸如圖3所示。

圖3 模型平面布置圖

根據(jù)縮尺比例，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)如下：1)模型尺寸1.787m×1.337m×0.870m(長(zhǎng)×寬×高)；2)墻體厚度62.5mm，橫向木板間距5mm，模型屋面做法與原型結(jié)構(gòu)相同；3)模型基座為鋼筋混凝土，厚100mm，使用預(yù)埋螺栓連接混凝土基座與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面；4)根據(jù)測(cè)算可知，木板夾芯模型重0.52t，鋼筋混凝土基座重0.90t，需添加配重0.962t。

2.2 模型制作

模型在施工前需先做條形基礎(chǔ)，再裝配墻體木龍骨、圈梁、木柱及角部斜撐。木梁與木柱連接實(shí)景照片如圖4所示，兩者采用榫卯連接。在墻體部位的木框架通過(guò)鐵釘鉚接，屋面上的做法是用鐵釘將五合板釘在檁條上，預(yù)留約10mm長(zhǎng)的鐵釘在外部，以減小五合板與麥草泥發(fā)生相對(duì)滑移，影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 木柱與木梁連接實(shí)景照片

3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 加載方案

本次試驗(yàn)主要研究水平地震對(duì)于木板夾芯房屋的影響，共選用兩組地震波[10-11]。第一組為El Centro波，持續(xù)時(shí)間為53.73s，輸入的地震波形如圖5(a)所示；第二組為San Fernando波，持續(xù)時(shí)間為79.48s，輸入的地震波形如圖5(b)所示。在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先對(duì)模型進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，以確定模型的結(jié)構(gòu)特性，接著將兩組地震波交替輸入，每次交替輸入地震波前都重新進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，在墻體產(chǎn)生嚴(yán)重的交錯(cuò)裂縫后，只輸入一種El Centro波，直至試件完全破壞。試驗(yàn)的各個(gè)工況如表2所示。

圖5 地震波形

3.2 傳感器布置

本次試驗(yàn)共安裝加速度傳感器4個(gè)，位移傳感器5個(gè)，具體參數(shù)見(jiàn)表3。加速度傳感器分別布置在振動(dòng)臺(tái)上、基座立面、縱墻底部和頂部，位移傳感器分別布置在振動(dòng)臺(tái)上、模型兩個(gè)開(kāi)間地面和模型的兩側(cè)墻面，具體的模型成品如圖6所示。

試驗(yàn)工況 表2

傳感器參數(shù) 表3

圖6 木板夾芯房屋模型

4 木板夾芯房屋模型的破壞形態(tài)及分析

本次木板夾芯房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)進(jìn)行，將計(jì)算所得配重和傳感器安裝完成后，輸入相應(yīng)地震波并觀察模型破壞形態(tài)[12-14]。隨著地震加速度峰值的增加，模型的破損程度逐漸加劇，總結(jié)如下：

(1)當(dāng)加速度峰值為36gal時(shí)，模型震動(dòng)幅度不大，表面無(wú)明顯裂縫。

(2)當(dāng)加速度峰值為110gal時(shí)，整個(gè)模型有輕微晃動(dòng)，表面有部分細(xì)碎土料掉落，觀察模型的背立面，可見(jiàn)一段細(xì)微裂紋，長(zhǎng)為50mm，寬為0.05mm。這種現(xiàn)象是由于窗戶開(kāi)洞削弱了整個(gè)墻體的平面內(nèi)剛度，削弱模型的抗剪能力，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，洞口角部應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，率先被破壞，如圖7(a)所示。

(3)當(dāng)加速度峰值為220gal時(shí)，在模型的背側(cè)窗戶洞口處，細(xì)微裂紋繼續(xù)產(chǎn)生和發(fā)展，裂縫長(zhǎng)度為65～80mm，寬度為0.05mm，在模型右下方的墻角處可見(jiàn)長(zhǎng)為110mm，寬為0.05mm的裂縫，在圈梁與墻體的連接部位同樣出現(xiàn)了細(xì)微裂縫，削弱了房屋的整體性能，這種現(xiàn)象是由于墻角處受扭轉(zhuǎn)作用顯著，如圖7(b)所示。

(4)當(dāng)加速度峰值為620gal時(shí)，模型墻體土料嚴(yán)重脫落，部分墻體出現(xiàn)鼓包和裂縫，這是由于木框架在震動(dòng)中局部變形嚴(yán)重。在模型墻體下方出現(xiàn)了一條寬約0.7mm的通長(zhǎng)裂縫，在震動(dòng)過(guò)程中，隨著震動(dòng)的幅度，裂縫寬度不斷變化，并且在此期間角柱和木質(zhì)圈梁附近的裂縫迅速發(fā)展，這是由于模型上部配重較為集中，墻體局部彎矩較大造成的。由于木材具有良好的韌性，并且梁柱間節(jié)點(diǎn)連接狀況完好，使得木框架整體未發(fā)生分離現(xiàn)象。在水平地震作用下，墻體表面開(kāi)裂和木框架局部變形能夠耗散能量，減小地震波對(duì)主體結(jié)構(gòu)的損壞，如圖7(c)所示。

(5)當(dāng)加速度峰值為800gal時(shí)，模型的墻面裂縫迅速發(fā)展，整個(gè)模型震動(dòng)較為明顯，出現(xiàn)多條寬為1mm以上的較大裂縫，并在每次晃動(dòng)中，迅速延伸。由于本次試驗(yàn)是橫向加載，因此，墻體在多次反復(fù)震動(dòng)作用下產(chǎn)生了較為密集的交錯(cuò)裂縫，如圖7(d)所示。

圖7 模型破壞形態(tài)

(6)為了驗(yàn)證模型在木框架出現(xiàn)明顯損壞時(shí)，是否會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)脫落和框架倒塌現(xiàn)象，將地震加速度峰值調(diào)大到1 020gal。此時(shí)，在模型墻體上有大量明顯的交錯(cuò)裂縫產(chǎn)生，并且逐漸擴(kuò)張加深，深度可達(dá)2.5mm。將模型表面土料清理干凈，觀察到內(nèi)部木柱與墻體的橫向木板連接較好，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，整個(gè)墻體結(jié)構(gòu)沒(méi)有較大損壞，但上下兩道木質(zhì)圈梁形成了明顯的貫通裂縫，門窗洞口處的裂縫與圈梁部位的裂縫相連。從外部觀察，整個(gè)模型嚴(yán)重變形，但整體結(jié)構(gòu)未松散，如圖7(e)所示。

5 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

在試驗(yàn)初期，使用錘擊對(duì)模型的原始結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了檢測(cè)，采用自譜分析的方法收集不同工況下模型房屋的自振頻率，如表4所示。

多個(gè)工況下模型的自振頻率 表4

通過(guò)研究各個(gè)工況下的自振頻率可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著地震波峰值的增長(zhǎng)而逐漸減小，這是由于模型在多次地震作用下，內(nèi)部形成多條細(xì)微裂縫，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，形成累積損傷，造成模型的整體剛度退化，自振頻率減小。由于模型在圈梁出現(xiàn)裂縫后，裂縫擴(kuò)張迅速且發(fā)展充分，所以房屋剛度退化較快。

5.2 模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)可以很好地反映出結(jié)構(gòu)自身的特性變化，并且隨著地震加速度峰值的變化而不斷改變。在圖8中繪制了模型在屋頂處的動(dòng)力放大系數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖8 模型屋頂處動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)

由圖8可以看出，模型動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)在兩組地震波的作用下，變化趨勢(shì)基本相同。在加速度峰值為300gal時(shí)，動(dòng)力放大系數(shù)下降情況較為明顯。在這個(gè)階段，模型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微破損，逐漸有細(xì)微裂紋發(fā)展成明顯的裂縫，并且這些裂縫隨著地震加速度峰值的加大而不斷擴(kuò)展加深，墻體中的土坯由于破裂無(wú)法繼續(xù)參與承重，基本退出工作。木骨架逐漸成為主要的承重構(gòu)件，在地震作用下表現(xiàn)出良好的韌性，房屋搖晃嚴(yán)重但并未倒塌。

5.3 模型結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)

根據(jù)5個(gè)位移傳感器數(shù)據(jù)，得到模型頂部在多個(gè)工況下的相對(duì)位移和位移角，見(jiàn)表5。由表5可知，隨著地震加速度峰值的增大，房屋頂部的相對(duì)位移和位移角逐漸增大。在工況10下，模型的自振頻率下降明顯，門窗洞口等薄弱位置出現(xiàn)較寬裂縫，此時(shí)模型的相對(duì)位移為4.29mm，位移角為1/203。在工況24下，模型在地震中的累積損傷嚴(yán)重，兩個(gè)部位木質(zhì)圈梁裂縫貫通，木框架表現(xiàn)出良好的韌性，模型整體處于彈塑性階段，主要承重結(jié)構(gòu)未倒塌，相對(duì)位移達(dá)到51.49mm，位移角為1/17。

各個(gè)工況下模型結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng) 表5

5.4 水平剪力分析

由于木板夾芯房屋模型的質(zhì)量大部分集中于屋頂，因此近似將模型看作一個(gè)質(zhì)量塊，按照單質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行分析。通過(guò)底部剪力法，將模型質(zhì)量與各個(gè)工況下的地震加速度峰值相乘，可求得模型在各個(gè)工況下所承受的慣性力。由于該體系為單自由度體系，因此模型所受水平剪力與慣性力相等，公式如下所示：

V=F(t)=-ma(t)

(1)

式中：V為水平剪力；F(t)為慣性力；m為模型及配重總質(zhì)量；a(t)為不同工況下的地震加速度峰值。

如圖9所示，隨著地震加速度峰值的增加，模型所受水平剪力呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。在加速度峰值為220gal時(shí)，水平剪力為2 117.5N。在加速度峰值為620gal時(shí)，水平剪力為5 967.6N。

圖9 各加速度峰值下模型水平剪力

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)1/4縮尺比例單層木板夾芯房屋模型進(jìn)行模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，觀察了模型房屋在不同工況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、加速度和位移反應(yīng)，得到的試驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)木板夾芯房屋模型在遭遇7度罕遇地震時(shí)(加速度峰值220gal)，墻體裂縫逐漸增多，模型整體性能下降，結(jié)構(gòu)剛度大幅度退化，自振頻率下降明顯，隨著地震加速度峰值的增加，屋頂處的加速度和位移反應(yīng)有明顯變化。

(2)模型在遭遇9度罕遇地震時(shí)(加速度峰值620gal)，土坯墻體大面積損壞，基本退出工作，木框架成為主要受力構(gòu)件，表現(xiàn)出良好的韌性，雖然木質(zhì)圈梁破損，房屋整體變形較為嚴(yán)重，但并未倒塌。

(3)木板夾芯房屋能夠滿足新疆大部分地區(qū)“大震不倒”的8度抗震設(shè)防要求。