村镇建筑节能隔震一体化砌块结构体系动力反应研究

谷伟

摘要：针对村镇加气混凝土砌块建筑，采用石墨膏泥滑移材料和U型钢带限位装置构成基础隔震层，形成节能隔震一体化新型结构体系，并建立了体系运动微分方程及滑动与啮合状态判别准则。研究表明，结构体系具有较好的消能减震效果，限位装置能有效降低隔震层位移幅值。竖向地震作用的存在，使结构底层加速度、层间剪力值有较大增加，隔震层位移幅值有增大的可能。

Abstract： The rural base-isolated AAC buildings with graphite mortar and U type slide-limited device was established. The set of partial differential equations with the specified boundary and initial conditions were solved numerically using interlaminar shear model. Results indicate that the frictional base-isolated system has better behavior of horizontal isolation and the slide-limited device can effectively reduce the displacement of the isolated layer. The research shows that the acceleration of isolated layers，the interstorey shear force and the sliding displacement at base-isolated layer are possibly increased，considering the earthquake action in vertical directions.

关键词：村镇建筑；加气混凝土砌块；石墨膏泥；基础隔震；限位装置

Key words： rural building；AAC；graphite mortar；base-iolated system；slide-limited device

中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0128-03

0 引言

建筑节能是关乎可持续发展的战略性举措，已被列为促进我国国民经济发展的重大战略性课题。加气混凝土砌块作为一种新型的绿色建筑材料，具有质量轻、保温及隔热效果好、易于加工处理等诸多优点，具有非常广阔的应用前景，已广泛用于非承重墙和承重墙体建筑。然而，我国村镇建筑量大面广，抗震能力十分薄弱，发展适应面较广的低成本村镇住宅耐震新体系，这是新农村建设和村镇防震减灾的重大需求。基础隔震是抗震设计的新技术、新方法，是当代工程结构发展的前沿领域之一。此种方法不是立足于“硬抗”，而是采用以“柔”克刚新概念，立足于“隔”、“减”，通过在房屋上部结构与基础之间设置隔震层，隔离传向上部结构的地震力，从而保证结构免于地震破坏[1-4]。

本研究项目针对加气混凝土砌块承重墙体节能住宅体系，采用低成本的石墨膏泥作为低磨阻滑移减震材料，并增设构造简单的限位阻尼装置，形成适合于我国村镇中低层建筑的节能隔震一体化体系，提高房屋在突发性罕遇地震中抗破坏、抗倒塌性能。

1 滑移隔震层构造

选用天然鳞片石墨经加工研制成粗细颗粒混等且无其他杂质的石墨粉，并经加水调和而成可抹面的石墨膏泥，做为摩擦滑移减震材料。在房屋底层增设一道基础梁以承托上部结构，下基础梁上表面用水泥砂浆抹平压光，然后涂抹一薄层石墨膏泥，上面再铺设油毡纸做成隔震层，其上浇筑上地基梁。在隔震层部位设置牌号Q235冷弯成型的U型钢带限位阻尼装置，利用其弹性变形起限位作用，防止产生过大滑移，利用其塑性变形起到耗散能量作用，以降低上部结构反应，隔震层构造如图1所示。

2 结构动力分析模型

2.1 基本假定

对加气混凝土砌块建筑节能隔震一体化结构体系，做如下假定[1，3，5]：①建筑各层楼板和楼盖假定为无限刚性板，不考虑扭转变形影响，体系采用层间剪切型模型，上部结构为线弹性体；②假定隔震层摩擦材料动、静摩擦系数近似相等且保持为常数，摩擦力按库仑定律考虑，摩擦力大小与滑动速度无关；③在整个滑动与啮合过程中不发生倾覆或抬离现象，忽略隔震层上下拉接构件阻尼的影响。

2.2 分析模型

石墨膏泥恢复力模型取刚塑形性，Q235U型钢带限位装置取为不考虑刚度退化的双折线模型，故隔震层的恢复力模型可取图2所示模型，kb1，kb2为限位装置屈服前后的刚度，key为隔震层位移状态判定数，xv为屈服位移，xm为key=0时斜线中点坐标。结构体系动力分析模型见图3，图中mb为基础隔震层质量，m1～mn为上部结构各层质量；kv，1～kv，n，kh，1～kh，n为上部结构各层竖向刚度和水平刚度；μ为摩擦系数；g（t），g（t）为地震波水平和竖向加速度时程。

3 运动微分方程

节能隔震一体化结构体系在地震作用下处于滑移和啮合两种可能状态，隔震层摩擦力的大小随竖向力改变而改变，故首先建立竖向运动微分方程，求出最大摩擦力，进而判断结构体系处于滑移或啮合状态，最后建立对应状态的水平运动微分方程。

动力微分方程的求解采用Willson-θ数值积分法，为了保证收敛稳定和必要精度，自编程序取θ=1.37，步长ΔT=0.005s。利用本程序，对同济大学防灾国家重点实验室一幢三层摩擦隔震模型试验结果进行了验算对比[6]，试验结果与本程序计算结果较接近，验证了程序的有效性。

4 工程算例分析

4.1 结构参数

选取村镇规则型四层加气混凝土砌块建筑进行分析， 结构构参数见表1。砌块强度等级A7.5，砌筑砂浆采用专用胶粘剂，强度等级M15，隔震层石墨膏泥滑移摩擦系数取μ=0.23，U型钢带限位装置初始刚度取kb1=0.005×106 kN/m，kb2=0.11kb1，xv=0.4cm，经计算，结构水平及竖向自振周期为Th=0.198s，Tv=0.066s。

4.2 动力效应分析

选取典型的EL-Centro地震波（1940.5.18，水平与竖向加速度峰值为341.7gal和206.3gal）进行动力效应分析。图4为结构体系首层与顶层加速度时程曲线，图5和图6为结构体系考虑和不考虑竖向地震作用工况下各层最大加速度和层间剪力值变化情况。

分析可知，带限位装置摩擦隔震建筑的各层加速度、速度等反应量时程具有相近似的波形，表明上部结构在地震中是以“整体平动”为主的，其他振型的影响甚微。各质量层加速度分布规律总体呈K型分布，两头大中间小，有别于传统基础固定建筑的倒三角形分布，层间剪力分布较均匀，幅值较小，表明带限位装置摩擦隔震建筑具有较好的消能减隔震效果。与不考虑竖向地震作用相比，考虑竖向地震作用时，隔震结构的各反应量幅值及发生的时间稍有变化，特别是首层加速度值、首层层间剪力值有较大增加，表明竖向地面运动与水平地面运动具有一定的相关性。

4.3 隔震层位移分析

隔震层滑动位移幅值的大小涉及到水暖等管件柔性构造措施，是隔震结构设计施工关键之一[7]。将EL-Centro地震波水平向加速度峰值分别调整为220gal，400gal和620gal，竖向加速度峰值取为水平向的0.33倍和0.65倍两种工况，以模拟7、8、9度罕遇地震作用。表2所示为设置限位装置与不设限位装置时隔震层滑动位移幅值。

分析可知，与石墨膏泥纯摩擦隔震结构（无限位装置）相比，设置限位装置后，可有效降低隔震层的滑动位移幅值，烈度越高作用越明显。过大的滑动位移，使隔震层处水暖管道等设备抗滑移措施难以处理，在高烈度设防区通过优化设计，增设一定数量的限位装置是必要的，在低烈度设防区，位移幅值较小，一般在4cm以下，可不设限位装置，以降低造价。同时可知，竖向地震作用的存在，对位移幅值大小有一定影响，竖向加速度峰值越大影响越大，由于地震波具有随机性，可使位移幅值增大或减小。

5 结论

针对加气混凝土砌块建筑，采用石墨膏泥作为减震材料并设置U型钢带限位装置构成基础隔震层，形成节能隔震一体化新型结构体系。采用层间剪切型分析模型，建立了同时考虑水平与竖向地震耦合作用下的运动微分方程及滑动与啮合状态判别准则。研究表明，结构体系以“整体平动”为主，加速度呈K型分布，表明隔震层具有较好的消能减震效果，U型钢带限位装置能有效降低隔震层位移幅值。竖向地震作用的存在，使结构底层加速度、层间剪力值有较大增加，隔震层位移幅值有增大的可能，建议在高烈度设防区考虑竖向地震作用影响。

参考文献：

[1]周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，1997.

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[4]吴会阁，赵彦.蒸压加气混凝土砌块砌体承重墙抗震性能研究综述[J].防灾科技学院学报，2012，14（2）：38-42.

[5]李馨楠，周湘文，卢振明，张杰，刘兵.石墨摩擦性的研究现状及展望[J].炭素技术，2014，33（6）：28-33.

[6]吕西林.基础隔震房屋模型震动台试验报告[R].同济大学工程结构研究所，1999，8.

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