村鎮(zhèn)建筑節(jié)能隔震一體化砌塊結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力反應(yīng)研究

谷偉

摘要：針對(duì)村鎮(zhèn)加氣混凝土砌塊建筑，采用石墨膏泥滑移材料和U型鋼帶限位裝置構(gòu)成基礎(chǔ)隔震層，形成節(jié)能隔震一體化新型結(jié)構(gòu)體系，并建立了體系運(yùn)動(dòng)微分方程及滑動(dòng)與嚙合狀態(tài)判別準(zhǔn)則。研究表明，結(jié)構(gòu)體系具有較好的消能減震效果，限位裝置能有效降低隔震層位移幅值。豎向地震作用的存在，使結(jié)構(gòu)底層加速度、層間剪力值有較大增加，隔震層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.

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)建筑；加氣混凝土砌塊；石墨膏泥；基礎(chǔ)隔震；限位裝置

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

中圖分類號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0128-03

0 引言

建筑節(jié)能是關(guān)乎可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性舉措，已被列為促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性課題。加氣混凝土砌塊作為一種新型的綠色建筑材料，具有質(zhì)量輕、保溫及隔熱效果好、易于加工處理等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，已廣泛用于非承重墻和承重墻體建筑。然而，我國(guó)村鎮(zhèn)建筑量大面廣，抗震能力十分薄弱，發(fā)展適應(yīng)面較廣的低成本村鎮(zhèn)住宅耐震新體系，這是新農(nóng)村建設(shè)和村鎮(zhèn)防震減災(zāi)的重大需求?；A(chǔ)隔震是抗震設(shè)計(jì)的新技術(shù)、新方法，是當(dāng)代工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一。此種方法不是立足于“硬抗”，而是采用以“柔”克剛新概念，立足于“隔”、“減”，通過(guò)在房屋上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層，隔離傳向上部結(jié)構(gòu)的地震力，從而保證結(jié)構(gòu)免于地震破壞[1-4]。

本研究項(xiàng)目針對(duì)加氣混凝土砌塊承重墻體節(jié)能住宅體系，采用低成本的石墨膏泥作為低磨阻滑移減震材料，并增設(shè)構(gòu)造簡(jiǎn)單的限位阻尼裝置，形成適合于我國(guó)村鎮(zhèn)中低層建筑的節(jié)能隔震一體化體系，提高房屋在突發(fā)性罕遇地震中抗破壞、抗倒塌性能。

1 滑移隔震層構(gòu)造

選用天然鱗片石墨經(jīng)加工研制成粗細(xì)顆?；斓惹覠o(wú)其他雜質(zhì)的石墨粉，并經(jīng)加水調(diào)和而成可抹面的石墨膏泥，做為摩擦滑移減震材料。在房屋底層增設(shè)一道基礎(chǔ)梁以承托上部結(jié)構(gòu)，下基礎(chǔ)梁上表面用水泥砂漿抹平壓光，然后涂抹一薄層石墨膏泥，上面再鋪設(shè)油氈紙做成隔震層，其上澆筑上地基梁。在隔震層部位設(shè)置牌號(hào)Q235冷彎成型的U型鋼帶限位阻尼裝置，利用其彈性變形起限位作用，防止產(chǎn)生過(guò)大滑移，利用其塑性變形起到耗散能量作用，以降低上部結(jié)構(gòu)反應(yīng)，隔震層構(gòu)造如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型

2.1 基本假定

對(duì)加氣混凝土砌塊建筑節(jié)能隔震一體化結(jié)構(gòu)體系，做如下假定[1，3，5]：①建筑各層樓板和樓蓋假定為無(wú)限剛性板，不考慮扭轉(zhuǎn)變形影響，體系采用層間剪切型模型，上部結(jié)構(gòu)為線彈性體；②假定隔震層摩擦材料動(dòng)、靜摩擦系數(shù)近似相等且保持為常數(shù)，摩擦力按庫(kù)侖定律考慮，摩擦力大小與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)；③在整個(gè)滑動(dòng)與嚙合過(guò)程中不發(fā)生傾覆或抬離現(xiàn)象，忽略隔震層上下拉接構(gòu)件阻尼的影響。

2.2 分析模型

石墨膏泥恢復(fù)力模型取剛塑形性，Q235U型鋼帶限位裝置取為不考慮剛度退化的雙折線模型，故隔震層的恢復(fù)力模型可取圖2所示模型，kb1，kb2為限位裝置屈服前后的剛度，key為隔震層位移狀態(tài)判定數(shù)，xv為屈服位移，xm為key=0時(shí)斜線中點(diǎn)坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力分析模型見(jiàn)圖3，圖中mb為基礎(chǔ)隔震層質(zhì)量，m1～mn為上部結(jié)構(gòu)各層質(zhì)量；kv，1～kv，n，kh，1～kh，n為上部結(jié)構(gòu)各層豎向剛度和水平剛度；μ為摩擦系數(shù)；g（t），g（t）為地震波水平和豎向加速度時(shí)程。

3 運(yùn)動(dòng)微分方程

節(jié)能隔震一體化結(jié)構(gòu)體系在地震作用下處于滑移和嚙合兩種可能狀態(tài)，隔震層摩擦力的大小隨豎向力改變而改變，故首先建立豎向運(yùn)動(dòng)微分方程，求出最大摩擦力，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)體系處于滑移或嚙合狀態(tài)，最后建立對(duì)應(yīng)狀態(tài)的水平運(yùn)動(dòng)微分方程。

動(dòng)力微分方程的求解采用Willson-θ數(shù)值積分法，為了保證收斂穩(wěn)定和必要精度，自編程序取θ=1.37，步長(zhǎng)ΔT=0.005s。利用本程序，對(duì)同濟(jì)大學(xué)防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一幢三層摩擦隔震模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)算對(duì)比[6]，試驗(yàn)結(jié)果與本程序計(jì)算結(jié)果較接近，驗(yàn)證了程序的有效性。

4 工程算例分析

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

選取村鎮(zhèn)規(guī)則型四層加氣混凝土砌塊建筑進(jìn)行分析， 結(jié)構(gòu)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。砌塊強(qiáng)度等級(jí)A7.5，砌筑砂漿采用專用膠粘劑，強(qiáng)度等級(jí)M15，隔震層石墨膏泥滑移摩擦系數(shù)取μ=0.23，U型鋼帶限位裝置初始剛度取kb1=0.005×106 kN/m，kb2=0.11kb1，xv=0.4cm，經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)水平及豎向自振周期為T(mén)h=0.198s，Tv=0.066s。

4.2 動(dòng)力效應(yīng)分析

選取典型的EL-Centro地震波（1940.5.18，水平與豎向加速度峰值為341.7gal和206.3gal）進(jìn)行動(dòng)力效應(yīng)分析。圖4為結(jié)構(gòu)體系首層與頂層加速度時(shí)程曲線，圖5和圖6為結(jié)構(gòu)體系考慮和不考慮豎向地震作用工況下各層最大加速度和層間剪力值變化情況。

分析可知，帶限位裝置摩擦隔震建筑的各層加速度、速度等反應(yīng)量時(shí)程具有相近似的波形，表明上部結(jié)構(gòu)在地震中是以“整體平動(dòng)”為主的，其他振型的影響甚微。各質(zhì)量層加速度分布規(guī)律總體呈K型分布，兩頭大中間小，有別于傳統(tǒng)基礎(chǔ)固定建筑的倒三角形分布，層間剪力分布較均勻，幅值較小，表明帶限位裝置摩擦隔震建筑具有較好的消能減隔震效果。與不考慮豎向地震作用相比，考慮豎向地震作用時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)的各反應(yīng)量幅值及發(fā)生的時(shí)間稍有變化，特別是首層加速度值、首層層間剪力值有較大增加，表明豎向地面運(yùn)動(dòng)與水平地面運(yùn)動(dòng)具有一定的相關(guān)性。

4.3 隔震層位移分析

隔震層滑動(dòng)位移幅值的大小涉及到水暖等管件柔性構(gòu)造措施，是隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵之一[7]。將EL-Centro地震波水平向加速度峰值分別調(diào)整為220gal，400gal和620gal，豎向加速度峰值取為水平向的0.33倍和0.65倍兩種工況，以模擬7、8、9度罕遇地震作用。表2所示為設(shè)置限位裝置與不設(shè)限位裝置時(shí)隔震層滑動(dòng)位移幅值。

分析可知，與石墨膏泥純摩擦隔震結(jié)構(gòu)（無(wú)限位裝置）相比，設(shè)置限位裝置后，可有效降低隔震層的滑動(dòng)位移幅值，烈度越高作用越明顯。過(guò)大的滑動(dòng)位移，使隔震層處水暖管道等設(shè)備抗滑移措施難以處理，在高烈度設(shè)防區(qū)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增設(shè)一定數(shù)量的限位裝置是必要的，在低烈度設(shè)防區(qū)，位移幅值較小，一般在4cm以下，可不設(shè)限位裝置，以降低造價(jià)。同時(shí)可知，豎向地震作用的存在，對(duì)位移幅值大小有一定影響，豎向加速度峰值越大影響越大，由于地震波具有隨機(jī)性，可使位移幅值增大或減小。

5 結(jié)論

針對(duì)加氣混凝土砌塊建筑，采用石墨膏泥作為減震材料并設(shè)置U型鋼帶限位裝置構(gòu)成基礎(chǔ)隔震層，形成節(jié)能隔震一體化新型結(jié)構(gòu)體系。采用層間剪切型分析模型，建立了同時(shí)考慮水平與豎向地震耦合作用下的運(yùn)動(dòng)微分方程及滑動(dòng)與嚙合狀態(tài)判別準(zhǔn)則。研究表明，結(jié)構(gòu)體系以“整體平動(dòng)”為主，加速度呈K型分布，表明隔震層具有較好的消能減震效果，U型鋼帶限位裝置能有效降低隔震層位移幅值。豎向地震作用的存在，使結(jié)構(gòu)底層加速度、層間剪力值有較大增加，隔震層位移幅值有增大的可能，建議在高烈度設(shè)防區(qū)考慮豎向地震作用影響。

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