两种村镇隔震结构动力特性强震演变规律的振动台试验对比研究

邹蕊月，郭军林,2，李英民，袁 康,2，白宏思,2

(1. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000;2. 石河子大学新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室，新疆石河子832000; 3. 重庆大学土木工程学院，重庆400015)

近年来，我国地震频发，村镇建筑损毁严重[1]，研发因地制宜的村镇建筑实用抗震性能提升技术迫在眉睫，其中简易的村镇建筑隔震技术广受关注。曹万林[2-3]提出一种钢筋-钢珠基础滑移隔震层，李英民[4]提出一种沥青-砂滑移隔震层，Ahmad[5-6]研究了滑移层摩擦系数对基础滑移隔震效果的影响，尚守平[7]提出了一种钢筋-沥青复合隔震层，Tsang[8]提出了废旧轮胎橡胶-土混合隔震层隔震的概念。以上隔震技术皆可提升村镇建筑抗震性能，也体现了村镇建筑“因地制宜、就地取材、简单有效、经济实用”的抗震原则[9]。

而在我国北方地区多同时处于高地震烈度区，以及气候寒冷或严寒地区，村镇建筑同时遭受地震及地基冻胀双重灾害，砂垫层隔震技术及复合隔震技术在考虑消能减震的同时能与消除冻胀[10]相结合，适用性较强。在砂垫层隔震技术方面，窦远明等[11]、李海涛[12]、邹颖娴[13]对砂垫层隔震性能进行了试验研究，得到了各种因素对砂垫层隔震效果的影响规律。复合隔震技术发面，袁康等[14-17]提出一种将基底砂垫层和基础滑移隔震相结合的砂垫层-基础滑移复合隔震技术。

本文针对砂垫层及砂垫层-基础滑移复合隔震技术，建立缩尺模型，与普通抗震结构模型进行振动台对比试验，通过不同输入地震强度下自振频率、周期、阻尼比等动力特性强震演变规律对比研究，总结隔震结构的工作机理，评价两种隔震技术的隔震效果。

1 隔震构造及机理

对于砂垫层隔震结构而言，其构造见图1(a)，在基础底部铺设具有换填冻土和隔震功效的砂垫层，垫层的粒径级配需满足地基承载力和隔震的要求[18]。其隔震机理为通过砂垫层作为柔性地基对地震动输入的内部塑性变形耗能和阻尼耗能作用，减少上部结构的地震能量输入，减轻建筑结构的损坏。

对于砂垫层-基础滑移复合隔震结构，在上述砂垫层隔震构造的基础上，在室外地坪处设置中间铺设滑移隔震层的基础圈梁(上下两层组成)，沿基础梁长度方向每隔一定距离设置限位橡胶束贯穿上、下圈梁见图1(b)。隔震机理为：在小震作用下，基础滑移层未开始工作，仅砂垫层发挥隔震功效；在大震作用下，当底部剪力大于上部结构最大静摩擦力时，两层基础圈梁中部的滑移层开始依靠摩擦滑移消耗能量，基础圈梁一分为二，上部结构随上层圈梁一起整体滑动，橡胶束发挥限位作用，砂垫层和基础滑移层形成串联复合隔震体系共同消能减震，有效减轻上部结构损伤。

2 振动台试验概况

本试验在重庆大学多功能地震模拟振动台试验室进行，振动台为美国MTS公司设计制造的三向六自由度模拟地震振动台，试验为对比模型试验。

2.1 模型概况

模型按照新疆石河子市场地条件(8度0.2g区)设计，包括3栋2层的砌体结构房屋，分别为普通抗震结构砌体房屋MA(Model of Aseismic Structure )、砂垫层-基础滑移复合隔震结构砌体房屋MC(Model of Composite Isolation )及砂垫层隔震结构砌体房屋MS(Model of Sand Cushion Isolation)。考虑到村镇自建房普遍存在构造柱和圈梁布置缺失的现象，试验中三种模型皆未设置圈梁、构造柱，以便对比隔震结构与普通结构在相同构造措施下的抗震性能。

模型采用欠人工质量模型，相似比取Sa=2.0，弹性模量相似常数取SE=1，按照1/4比例缩尺，见图2。模型总高为1.575m，平面尺寸为1.725m×1.05m，女儿墙砌筑高度为150mm，墙体厚度为60mm，模型砖尺寸为56mm×53mm×25mm，灰缝厚度为2.5mm，楼板采用30mm厚预制板并配以双层双向8#@55镀锌铁丝。

本试验定义模型结构纵墙方向为X向，横墙方向为Y向，高度方向为Z向。

2.2 隔震措施

基础滑移隔震层构造：模型MC底部基础圈梁为上、下两层，分两次浇筑而成，在上、下层圈梁接触面布置滑移层。上、下圈梁(此模型下圈梁等同于下底板)分别制作，将橡胶束按照尺寸要求安置其中，橡胶束的规格为80 mm×30 mm×110 mm，橡胶束在圈梁中的布置见图3。

砂隔震垫层构造：有砂箱模型MC和模型MS，两者区别在于模型MC为砂垫层-基础滑移复合隔震模型，而模型MS为砂垫层隔震，未设置基础滑移隔震层。

两个模型所使用砂箱的作用为模拟砂垫层，便于试验，二者上部结构与砂垫层连接构造措施为将下底板直接放置于砂垫层之上，见图4。砂箱混凝土强度采用C40；砂箱底板厚度为150 mm，平面尺寸为2 950 mm×2 200 mm；砂箱侧板高度取为410 mm，厚度为150 mm；砂箱四壁内侧及底部均粘贴20 mm厚苯板，砂砾粒径采用5～10 mm河砂，与《建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2012)》[18]中的粒径要求满足相似比。每隔100 mm厚分层碾压压实，并在试验前进行静载预压7 d。有砂箱模型在振动台台面的布置见图5。

图2 模型建筑布置图Fig.2 Architecture layouts of the model

图3 基础圈梁剖面图Fig.3 Profile map of the foundation ring beam

图4 模型上部结构与砂垫层连接构造Fig.4 Connection construction of the upper structure and sand cushion layer

图5 有砂箱模型立面布置图Fig.5 Elevations of the sand-box model

2.3 试验方案

2.3.1加载工况

采用重庆大学研究开发的双频选波程序[19]。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[20]要求，选取2组天然波(El-Centro和PER00004)和1组人工波(简称ACC1)，试验共进行了47个工况，出于篇幅考虑，且主要分析内容为结构动力特性，故本文选择试验中模型较为敏感(模型出现标志性损伤现象)的El-Centro波及ACC1波，以及白噪声工况进行分析，所分析的加载工况见表1。加载制度采用单向、双向水平输入混合式，各工况加载顺序为：先天然波后人工波，先弱后强，激振方向为先水平X向后水平Y向最后水平双向。每个激振工况施加完成后停歇观察记录，而后进入下一级加载。

2.3.2观测方案

振动台试验中，采用加速度计、位移计和裂缝观察仪等设备对模型加速度、位移以及裂缝发展等进行观察和记录。加速度计分别布置在底座、地基板、上圈梁及一、二层楼板顶的X、Y向，共30个，位移计分别布置在四个模型X向的地基板、一层楼板、二层楼板处，共11个。

表1 试验加载工况

3 试验现象

随着地震输入的增大，三种模型分别出现了不同程度的损伤，直至破坏(见图6)，标志性的裂缝发展工况如下。

图6 模型破坏形态图Fig.6 Failure modes of the model

1) 模型MA在工况S13(0.10g)时横墙出现水平裂缝并迅速贯通，纵墙门窗角出现细微裂缝，模型轻微破坏；工况S28(0.30g)时模型纵墙墙角和横墙角部出现大量裂缝，二层窗角破坏严重，模型严重破坏；工况S35(0.44g)时横墙裂缝严重、纵墙窗边裂缝发展迅速，模型濒临倒塌。

2) 模型MS直到工况S39(0.62g)无任何裂缝，模型完好无损；在工况S43(0.8g)模型横墙突然发生贯穿斜裂缝，纵墙首层楼板上部出现水平裂缝，模型中度破坏；在工况S46(1.02g)模型窗间墙突然发生交叉裂缝，窗边墙发生大位移错位，墙角大面积坍塌，因模型横墙发生剪切破坏退出工作。

3) 模型MC在工况S35(0.44g)前无任何裂缝，处于弹性状态，到工况S36基底滑移层开始工作，出现细微裂缝，工况S39(0.62g)时滑移层裂缝四周贯通，工况S43(0.80g)时模型沿滑移层滑动，模型完好无损，工况S46(1.02g)时滑移层发生错位，顶层出现裂缝，工况S47(1.24g)时破坏特征主要体现在顶层楼板与纵墙墙体的水平脱离和横墙的斜裂缝破坏及顶层横墙发生严重错位使模型退出工作。

4) 模型MC模型在7度中震(0.44g)前结构依靠砂垫层隔震及自身抗震，7度大震(0.62g)后结构依靠滑移层滑移隔震，最终在9度大震(实际加速度为1.24g)退出工作，说明砂垫层-基础滑移复合隔震技术具有较好的隔震能力，但模型整体性尚待加强，应在考虑隔震的同时适当设置圈梁、构造柱等增强结构整体性的措施，模型MS在7度大震(0.62g)前，依靠砂垫层隔震，模型保持完好，随后模型逐渐破坏，最终在8度大震(1.02g)时发生破坏退出工作，说明砂垫层隔震技术具有一定效果。

4 结构的动力特性分析

根据模型裂缝发展情况，在试验开始前和S13、S16、S21、S30、S35、S40、S43等工况后对模型结构利用白噪声扫描，每个白噪声激励工况完成后暂停试验，进行观察记录。通过对激励工况下各测点的加速度的频谱特性、传递函数[21]进行分析，得到模型结构的自振频率、周期、阻尼比以及振型等。传递函数曲线峰值处对应的频率值即模型结构的自振频率，三种模型在标志性工况下的传递函数曲线见图7(图中采用“模型-加载工况-加载方向”来描述，如“MA-S14-X”表示普通抗震结构模型在工况S14下X向的传递函数曲线)，自振频率见图8。利用半功率法得到了三种结构模型的阻尼比示于图9。随地震强度提高，频率减小越慢，阻尼比减小过程越长，耗能效果越好。由于MS和MC为带砂箱结构，MA不带砂箱，且在加载过程中砂垫层发挥隔震作用等因素，故不带砂箱和带砂箱结构不能直接进行比较，下文分别进行论述。

图7 三种模型标志性工况下的传递函数曲线Fig.7 Transfer function curve of the three models under the symbolic working conditions

图8 模型结构自振频率Fig.8 Model natural frequency

图9 模型结构阻尼比Fig.9 Model structure damping ratio

4.1 频率与周期分析

三种模型X向、Y向的结构自振频率随输入地震强度的变化情况见图8。由图8可知如下结果。

1) 模型MA的自振频率逐渐减小，原因为输入地震强度增大导致结构模型的破坏加剧；模型Y向的频率大于X向且模型X向的频率平均下降21.16%、Y向下降9.45%，这是由于模型X向开洞较多，故而结构X向刚度小于Y向；在经过7度中震(工况S35)作用后，由于模型未设置构造柱，首层墙角发生严重破坏，结构退出工作。

2) 模型MS的X向自振频率先保持不变后下降，说明在输入地震强度较小时由于砂垫层的耗能作用，结构未出现裂缝，刚度未退化，自振频率保持不变；随着输入强度继续增大，砂垫层内部发生塑性变形耗能导致结构整体刚度下降，自振频率减小；模型在工况S36下X向刚度较工况S31退化约12%，Y向刚度退化约为38.5%，且由于砂箱X向刚度更大，X向自振频率大于Y向自振频率。

3) 模型MC在工况S41之前的自振频率的变化规律和模型MS大致相同，在此之前模型MC同样是依靠砂垫层的消能作用来减小地震作用；工况S41后自振频率保持不变，说明工况S36后滑移层开始工作，工况S41时模型上部沿滑移层滑动，上部结构未发生破坏，结构刚度不再继续下降。

4) 7度大震(工况S36)时模型MC的X向自振频率小于模型MS，是由于此时模型MC滑移层出现裂缝，结构整体刚度小于模型MS整体刚度；在8度大震(工况S44)作用时，复合隔震结构的频率平均大于砂垫层隔震结构11.4%，表明砂垫层隔震结构内部损伤程度大于复合隔震结构，与试验现象较为吻合。

4.2 阻尼比分析

三种结构模型X向、Y向的结构阻尼比随输入地震强度变化情况见图9。由图9可知如下结果。

1) 模型MA的阻尼比是逐渐增大的，在工况S35后模型结构退出工作，说明随着输入地震强度的增大，结构发生破坏，结构不断通过自身的塑性变形来耗能，直至退出工作。

2) 模型MS的阻尼比大致变化趋势是先减小后增大。随着地震作用的加强，模型底部的砂垫层先被振密实，阻尼比逐渐减小；随后砂垫层内部出现非线性塑性耗能，且模型结构发生破坏，刚度退化较为明显，阻尼比进一步增大(工况S41的X向阻尼比比工况S36增大14.5%)。

3) 模型MC的阻尼比是先减小后增大，减小原因和模型MS一致，随后滑移层裂缝逐渐增多且砂垫层内部出现非线性塑性耗能，其耗能能力增强，阻尼比增大。

4) 由图9(b)可看出，模型MC的阻尼比小于模型MS。由于模型MC主要依靠砂垫层与滑移层形成的复合隔震体系消耗地震能量，而模型MS只依靠砂垫层隔震，且出现损伤更早更严重，故其阻尼比更大。

4.3 振型分析

将白噪声工况下加速度折算为位移后，确定各模型在一层及二层楼板处的最大位移，设定与砂垫层接触的下底板处位移为0，二层楼板处位移为1，确定一层楼板位移与二层楼板处的比例关系，便得到模型振型。三个试验模型MA、MC、MS在代表性工况下X、Y向第一阶振型见图10。由图10可知如下结果。

1) 模型MA的X、Y向振型在加载初期表现为剪切型，随着输入强度的增大转变为弯曲型，到加载后期，由于首层出现明显的变形集中，振动形态转变为剪切型；工况S31首层的Y向振幅是X向振幅的1.45倍，表明模型MA的Y向破坏更加严重。

2) 模型MS的X、Y向振型随着输入地震强度的增大，逐渐由初期的剪切型转变为弯曲型，进入到破坏阶段后又转变为剪切型(工况S42下模型首层层间位移角为1/337，顶层的层间位移角为1/617)；特别注意到工况S45下模型首层的振幅达到了最大值，表明此时结构底部的刚度发生的严重退化。

3) 模型MC的X、Y向振型在加载初期基本表现为剪切型，底层的振幅随着输入地震强度的增大而增大，加载进入后期，随着顶层层间位移的增大，逐渐由剪切型转变为弯曲型；特别地，工况S42一阶振型接近线性分布，此时首层层间位移角为1/490，顶层层间位移角为1/465，此时基础滑移层裂缝贯通，使得上部结构实现了预期的滑移耗能，最终由于顶层横墙发生严重错位而退出工作，其振型变化情况和试验现象基本吻合。

5 结 论

从上述对模型试验现象和动力特性演变规律的对比分析，可得出以下几点结论。

1) 砂垫层-基础滑移隔震结构模型在7度中震(0.44g)前结构依靠砂垫层隔震，7度大震(0.62g)后砂垫层与基础滑移层形成复合隔震体系，最终在9度大震(1.24g)发生弯曲破坏，其自振频率先不变后减小，阻尼先减小后增大，振型由剪切型逐渐转为弯曲型，复合隔震结构可以实现不同地震水准下不同的消能隔震机制。

2) 砂垫层隔震结构模型在7度大震(0.62g)前保持完好，在8度大震(1.02g)时退出工作，其自振频率先保持不变后下降，阻尼比先减小后增大，振型经历由剪切型到弯曲型，再到剪切型的变化过程，砂垫层隔震结构可以依靠砂垫层减小上部地震作用。

3) 对比三种结构模型，普通结构破坏较早，自振频率减小及刚度退化较快，而隔震结构的裂缝出现和破坏阶段皆相对较晚，模型自振频率减小、刚度退化，皆具有较好的隔震效果。其中砂垫层—基础滑移复合隔震模型破坏阶段最晚，体现出更为优越的隔震能力，其破坏表现为上层破坏的弯曲型形态，故应考虑适当设置圈梁、构造柱，以确保上部结构在滑动过程中的整体性。