竹木模型结构抗震和砂垫层隔震对比实验研究★

姚学群 岳 磊 李旭良 谢正忠 胡加云

(昆明学院城建学院，云南 昆明 650214)



竹木模型结构抗震和砂垫层隔震对比实验研究★

姚学群 岳 磊 李旭良 谢正忠 胡加云

(昆明学院城建学院，云南 昆明 650214)

对底部固定非隔震和底部在砂垫层上隔震的两个上部结构完全相同的竹木模型进行了震动实验，并应用测试数据成果进行了位移对比，另外，通过SAP2000软件，分析了底部固定非隔震模型，和实验数据也作了比较，结果表明，实验和软件模拟数据比较接近，非隔震的结构与隔震结构层间位移有较大差异，隔震结构明显层间位移小，但底部有较大的水平和竖向位移及转动现象。

竹木结构模型，砂垫层，隔震结构，水平位移

0 引言

传统的抗震设计，结构在大震下还是可能损坏严重，不能保证罕遇地震发生时人员生命和财产安全。结构隔震、耗能减震等控制技术，现已展现出良好的发展和应用前景。

按隔震装置的设置部位不同，可把隔震方式分为：层间隔震、基础隔震、地基隔震。目前技术成熟运用较多的是基础隔震和层间隔震，主要通过房屋基础底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成的具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，隔离地震能量向上部结构传输，从而大幅度降低建筑物对地震的响应，使上部结构的振动减轻，防止上部结构在地震中破坏严重。应用较广泛的基础隔震主要是橡胶垫隔震方案，少见采用聚四氟乙烯板、润滑钢板、砂石垫层、滑石粉、柔性石墨等材料作为摩擦滑移材料的滑动隔震方案。

地基隔震是通过设置于建筑物基础底部与地基土之间的砂、石垫层或土工合成材料，或其他的地基处理方式来达到减少地震能量向上部结构传递的隔震目的，属于褥垫层隔震的范畴，其隔震、减震机理与基础隔震和层间隔震法不同，相对于目前规范推荐的橡胶支座隔震的方法，砂、石垫层法隔震更加造价低廉、施工方法简单易行，砂垫层的减震理论目前尚在研究探讨中，仅在一些农村村镇房屋的修建中有所运用[1,2]。

实验采用全国大学生结构设计大赛中使用的微型振动台，对2个上部结构完全相同的竹木结构模型进行了2个对比实验，一个是底部固定的竹木结构模型，另一个是底部不固定的竹木结构模型(下设砂垫层隔震)，震动实验过程用高速摄像机拍摄，应用测试数据成果进行了层间相对位移的对比分析，对底部固定非隔震的模型另外用SAP2000建模分析，和实验数据也进行了对比分析。

1 实验模型与实验条件

如图1所示，采用2层框架模型，柱距200 mm，层高250 mm，模型材料用大学生结构设计大赛中采用的0.35 mm和0.5 mm厚的竹皮为原料，制作出箱形截面柱和工字形截面梁，柱边长为6 mm，中间层梁高8 mm，顶层梁高6 mm，梁上下翼缘宽相同为5 mm。隔震模型应设地梁，为使抗震模型和隔震模型统一，2个结构模型都采用了地梁，地梁采用8 mm边长的箱形截面。模型质量仅仅45 g，为获得较大的倾覆力矩和较大的侧向位移，顶部放加载板，施加了2.45 kg的压力，简化成4个柱顶端受到4个集中力作用，抗震模型四角柱底部采用固定端约束，用SAP2000对抗震模型建模，进行抗震结构变形和应力分析，按9度(0.4g)，影响系数最大值0.32，阻尼比0.014，Chinese2010规范反应谱函数输入，振型组合采用CQC法，方向组合采用SRSS法，进行反应谱的分析计算，结果表明，第一模态和第二模态均为平动型，第三模态为转动型，各杆件主应力均小于容许应力，按计算结果估计不会发生倾覆和破坏现象，实际实验也确实未破坏。

实际实验采用北京波谱世纪科技发展有限公司出产的WS-Z30-50型振动台等设备进行单向水平震动实验，输入的地震波采用第八届全国大学生结构设计大赛上采用的如图2所示的三级地震波。第一级地震波数据点时间间隔t为0.005 s，即数据采样频率f为200 Hz，波形时长为32 s。

第二级和第三级输入的地震波：地震波数据点时间间隔t为0.002 s，即数据采样频率f为500 Hz，波形时长为90 s。

通过控制测试及软件分析，取得以下有关三级地震波的频谱分析结果，功率谱分析可看出三级地震波的能量分布，第一级地震波在频率约3 Hz～5 Hz(周期大约0.2 s～0.33 s)时震动幅值较大。第二级地震波在频率约1.7 Hz～4.5 Hz(周期大约0.22 s～0.58 s)时震动幅值较大。第三级地震波在频率约0.75 Hz～1.75 Hz(周期大约0.57 s～1.25 s)时震动幅值较大，大赛采用的地震波可激发共振的频谱范围是比较广的。

隔震模型除设置地梁外，地梁底部设砂垫层如图3所示。参考有关文献[3]～[7]，砂垫层在松散状态下的减震效果比较好，砂子单一粒径相对连续级配的隔震效果要好。最后实验采用筛选的圆粒河砂(粒径为0.68 mm～1.0 mm)，密实程度较为松散，含水率较低、比较干燥的细砂做垫层，砂垫层的厚度为300 mm。

2 实验数据及对比分析

2.1 抗震模型软件模拟与实际实验观测的数据对比

用SAP2000模拟的抗震模型各阶模态的周期与位移的数据如表1所示。

表1 抗震模型各阶模态的周期与位移的数据

用前述三级地震波进行小振动台的模型抗震实验，每级地震波下振动台台面输出最大加速度在(0.4±0.03)g范围内波动，实际抗震模型实验中，观测到的振动模态以第一平动振型和第一扭转振型为主，其他振型模态不明显，实际结构在每级地震波下的位移数据见表2。

表2 抗震模型各级地震波下的位移数据

第一级地震波下，观测到平动位移较大，扭转位移较小；第二级地震波下，平动位移和扭转位移均比第一级地震波明显要大，说明共振响应较第一级要大；第三级地震波下，扭转位移和水平位移又比第一级和第二级地震波大，平扭耦合更为明显。除去实际模型制作上与计算理想模型的差异，实验观测位移值与软件模拟值较为接近。

2.2 砂垫层隔震结构与非隔震结构实际实验的数据对比

由于隔震的需要，竹木结构底部不固定，而是通过在竹木结构底部设置地梁，地梁底面平整，地梁底面受到上部结构传下来的压力与砂垫层接触，接触面在震动中存在一定的摩擦滑移，但观测到的摩擦滑移水平位移很小，不到4 mm，且震动中模型有陷入砂层中的现象，而震动实验中观测到地梁整个底面有一侧向上抬起脱离垫层，另一侧陷入砂垫层内部的现象，也即隔震结构会有发生竖向向上或向下颠簸的位移问题，第三级地震波下此竖向位移尤其明显，竖向位移甚至超过了顶部水平位移，同时伴有整个结构绕竖轴一个方向持续转动的现象。

经实验量测，隔震结构在每级地震波下的位移数据见表3。

表3 隔震模型各级地震波下的位移数据

与前述非隔震的抗震结构相比，实际实验的位移数据表明，非隔震结构与隔震结构的层间位移有较大差异，隔震结构层间位移较小，说明隔震结构的减震效果是明显的。由于底部不固定，结构存在偶然偏心和振动试验中转动振型被激发的原因，整个模型结构在砂垫层上会有一定的整体水平位移和转动现象。对于在震动过程中隔震结构出现的竖向位移甚至超过了顶部水平位移的现象，在减轻了上部结构承受的荷载基础上再进行实验，结果表明上部结构荷载减轻后可减小此竖向位移。

3 结语

实验数据说明，作为隔震结构中的一种类型，砂石垫层的减震效果也是明显的，但尚需做更多的研究实验，丰富其设计理论，以便今后制定更科学的设计标准规范。此次的实验框架模型高宽比为2.5，模型顶部加载质量与模型本身质量之比达到了50多倍，倾覆力矩较大但未发生倾覆破坏，如果是实际使用的建筑结构，加载质量与结构本身质量之比远不会那么大，高宽比不太大而又未发生强度破坏时，整体的倾覆破坏一般不易出现，而出现的不能恢复的较大水平与竖向位移和持续转动问题是砂垫层隔震结构需要尤其重视的问题，应考虑增加限位装置解决这一问题。另外砂垫层隔震结构出现的较大竖向位移，也说明在支座或与地梁连接的框架柱之类的竖向构件中，要重视拉、压应力超过承载力的问题，类似的如同对橡胶隔震支座垫的要求，在抗震规范中就有要“防止支座压屈、压应力超限或出现拉应力超过1 MPa”的规定，今后在有关的实验和设计中需要特别注意这些问题，可增加有关支座或竖向构件拉压应力、应变大小的量测内容。

限于实验条件所限，小振动台难以承受较大重量，模型未能采用钢材或砌体、混凝土等材料制作，此次试验分析研究结果仅供参考。另外由于SAP2000不适宜模拟此砂垫层隔震模型的受力和边界条件，尚需用其他软件如ANSYS进行砂垫层隔震结构的受力变形模拟，再与实际实验数据结果进行比较分析。

[1] 姚学群，徐从发，江晓敏.地基砂石垫层隔震的研究现状和几个有关问题[J].四川建筑科学研究,2010,36(4)：171-174.

[2] 钱国祯，许 哲，石树中.两种农村简易隔震试点建筑介绍[J].工程抗震与加固改造,2014,36(2)：27-34.

[3] 刘晓立，张春梅，窦远明，等.砂垫层刚度对地面地震反应的影响研究[J].华北航天工业学院学报,2004,14(4)：12-14.

[4] 窦远明，刘晓立，赵少伟，等.砂垫层隔震性能的试验研究[J].建筑结构学报,2005,26(1)：125-128.

[5] 赵少伟，窦远明，郭 蓉，等.基础下砂垫层隔震性能振动台试验研究[J].河北工业大学学报,2005,34(3)：92-97.

[6] 刘晓立，王 江，窦远明，等.砂垫层厚度及基底压力对地面地震反应的影响[J].华北航天工业学院学报,2004,14(2)：7-10.

[7] 刘晓立，史书阁，宋义敏，等.输入地震动对砂垫层隔震的影响[J].华北航天工业学院学报,2004,14(3)：1-4.

[8] 王优龙，魏 琏，李康棋.隔震结构的研究与应用[M].北京:地震出版社，1991.

[9] 刘方成，杨 峻.低、多层房屋基底软土垫层隔震研究[J].地震工程与工程振动,2014,34(3)：245-254.

[10] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

Comparative experimental study on bamboo model structure of anti-seismic and sand cushion isolation★

Yao Xuequn Yue Lei Li Xuliang Xie Zhengzhong Hu Jiayun

(InstituteofKunming,InsituteofUrbanConstruction,Kunming650214,China)

The paper carries out vibration test for two same bamboo model with fixed non-vibration isolation bottom and sand cushion vibration isolation bottom, carries out their displacement comparison by applying testing data achievements, uses SAP2000 software, and compares fixed non-vibration isolation bottom to experimental data. Results show that: the experimental data is in accordance with software simulating data; the inter-layer displacement of non-vibration isolating structure and vibration isolating structure is different; the displacement of vibration isolating structure is relatively small, however, it will occur obvious horizontal and vertical displacement and alteration phenomenon at the bottom.

bamboo-structure model, sand cushion, vibration isolating structure, horizontal displacement

1009-6825(2017)10-0040-03

2017-01-21★:实验项目为昆明学院2016年大学生科研立项项目

姚学群(1970- )，女，副教授

TU352

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