帶有黏彈性阻尼器穿斗木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

高永林, 陶 忠, 葉燎原, 吳克川, 周立超, 蘇何先

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500； 2.云南省工程抗震研究所，昆明 650500；3.昆明理工大學(xué) 基建處,昆明 650500； 4云南師范大學(xué)，昆明 650500)

帶有黏彈性阻尼器穿斗木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

高永林1,2,3, 陶 忠1,2, 葉燎原2,4, 吳克川1,2, 周立超2,3, 蘇何先1,2

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500； 2.云南省工程抗震研究所，昆明 650500；3.昆明理工大學(xué) 基建處,昆明 650500； 4云南師范大學(xué)，昆明 650500)

按照云南“一顆印”構(gòu)造要求制作了一個(gè)兩層傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋模型進(jìn)行模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。對(duì)結(jié)構(gòu)模型的破壞模式、動(dòng)力響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、剪力分布、彎矩變化及耗能能力進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)模型滿足中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求；結(jié)構(gòu)模型具有明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；層間剪力分布取決于質(zhì)量分布；彎矩隨地震激勵(lì)增大不斷增大，結(jié)構(gòu)模型未發(fā)生塑形破壞；層間累積耗能能力一層耗能能力最大，二層次之，屋脊最小。

穿斗式木結(jié)構(gòu)；黏彈性阻尼器；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；抗震能力評(píng)估

穿斗式木結(jié)構(gòu)在中國(guó)南方比較常見(jiàn)的一種傳統(tǒng)式木結(jié)構(gòu)形式，特別是在西南地區(qū)應(yīng)用比較多，在少數(shù)民族地區(qū)多為吊腳式。穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑由于自身的價(jià)值仍將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期存在于我們周?chē)?，我們土木結(jié)構(gòu)工程方面的科研和技術(shù)人員絕對(duì)不能忽視它們的存在，而且還要為它們的安全負(fù)責(zé)。同時(shí)由于至今我國(guó)仍有大量木結(jié)構(gòu)古跡留存，對(duì)這些文物的保護(hù)及修繕也迫在眉睫。

基于以上原因，眾多專家學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了大量深入研究。薛建陽(yáng)等[1-2]對(duì)中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得到了古建筑木結(jié)構(gòu)的自振周期、阻尼比，柱架榫卯節(jié)點(diǎn)的耗能能力最強(qiáng)，鋪?zhàn)鲗蛹爸A(chǔ)層是通過(guò)摩擦滑移進(jìn)行耗能的；隋等[3]對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)鋪?zhàn)鲗蛹爸苓M(jìn)行了抗震性能低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究，同時(shí)還對(duì)透榫及燕尾榫木構(gòu)架模型進(jìn)行了碳纖維布加固抗震性能的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究；謝啟芳等[4-5]對(duì)殘損古建筑木結(jié)構(gòu)單向直榫及燕尾榫榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)的抗震性能試驗(yàn)；高延安等[6]對(duì)環(huán)境激勵(lì)下的古建筑飛云樓動(dòng)力性能用隨機(jī)減量技術(shù)(RDT)改進(jìn)隨機(jī)子空間識(shí)別(SSI)法精度，并用改進(jìn)的SSI分析了飛云樓動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)獲得了結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼等模態(tài)參數(shù)。谷軍明等[7-8]總結(jié)了穿斗式木結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)，初步分析了震害原因及提出了構(gòu)造建議措施，王海東等[9]對(duì)穿斗式木構(gòu)架結(jié)構(gòu)與輕型木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出了穿斗式木結(jié)構(gòu)及輕型木結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大系數(shù)，兩者均滿足中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)柱腳浮擱于柱石的做法及榫卯節(jié)點(diǎn)有明顯的減震耗能作用。王博等[10]利用有限元軟件ANSYS對(duì)穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋地震響應(yīng)進(jìn)行了分析并對(duì)構(gòu)造技術(shù)進(jìn)行了研究提出了一些有價(jià)值的建議。同時(shí)，國(guó)內(nèi)還對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了一些研究，呂西林等[11]對(duì)兩層輕型木結(jié)構(gòu)足尺房屋模型模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出了輕型木結(jié)構(gòu)的自振頻率及阻尼比，同時(shí)還提出采用底部剪力法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，以及對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中層間位移角限值提出了建議。

KING等[12]研究了中國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了排架的低周反復(fù)加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，得出了榫卯節(jié)點(diǎn)半剛性特點(diǎn)，并建立了三參數(shù)節(jié)點(diǎn)模型，模擬分析了榫卯節(jié)點(diǎn)的半剛性并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。CHANG[13]研究了臺(tái)灣傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能。DINA等[14]利用線性有限元法對(duì)臺(tái)灣地區(qū)古建筑斗拱木結(jié)構(gòu)房屋的抗震脆弱性進(jìn)行了分析研究，同時(shí)還對(duì)10個(gè)斗拱構(gòu)件進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比研究。

綜上可以看出，針對(duì)穿斗式木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)的研究較少，鑒于此，本文希望在已有研究基礎(chǔ)上，制作兩層足尺穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，通過(guò)在結(jié)構(gòu)模型榫卯節(jié)點(diǎn)部位安裝扇形黏彈性阻尼器解決榫卯節(jié)點(diǎn)“拔榫破壞”問(wèn)題，并對(duì)安裝黏彈性阻尼器結(jié)構(gòu)模型和未安裝結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比分析研究。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案

1.1 模型制作模型

參照《營(yíng)造法式》及云南“一顆印”做法，采用廣西興安鐵杉木材設(shè)計(jì)制作一個(gè)兩層穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋足尺模型，通過(guò)在結(jié)構(gòu)模型一層角柱柱頂及二層角柱柱頂榫卯節(jié)點(diǎn)X、Y向拆裝16個(gè)扇形黏彈性阻尼器將模型分為無(wú)控結(jié)構(gòu)模型和有控結(jié)構(gòu)模型。

結(jié)構(gòu)模型主體豎向分為基礎(chǔ)、一層柱架層、二層柱架層、屋脊層四部分?；A(chǔ)：柱腳放在盒狀的鋼底座中，在柱腳四周包裹上塑料薄膜后澆筑混凝土約束柱腳水平平動(dòng)；柱架層包括：柱子、梁、枋、樓楞及樓層配重；屋脊包括：檁、瓜柱、椽子、枋及屋脊配重，見(jiàn)圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D(mm)Fig.1 Dimensions of the structure model(mm)

模型總高度3.9 m，平面尺寸3.2 m×3.8 m，梁為140 mm×175 mm矩形截面，柱為直徑200 mm圓形截面，枋為70 mm×140 mm矩形截面，檁為直徑140 mm，椽為50 mm×50 mm，樓楞為90 mm×140 mm矩形截面，梁柱節(jié)點(diǎn)通過(guò)榫卯形式連接。

在二層樓面及屋脊上鋪設(shè)沙袋用于模擬樓面及屋面荷載，二層樓面均布荷載共計(jì)14.65 kN，屋面均布荷載共計(jì)8.44 kN，見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Test model

1.2 材料選取

試驗(yàn)所用木材鐵杉產(chǎn)自廣西興安，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前

進(jìn)行材性試驗(yàn)得到主材密度為0.506 g/cm3，含水率12.2%，其他材料特性見(jiàn)表1[15]。

表1 木材力學(xué)性能

在模型四個(gè)角柱每層柱頂榫卯節(jié)點(diǎn)部位安裝的黏彈性阻尼器是由云南煤化工應(yīng)用技術(shù)研究院制作，黏彈性阻尼器構(gòu)造圖及實(shí)物圖見(jiàn)圖3。在試驗(yàn)前還對(duì)3個(gè)黏彈性阻尼器進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得到了其滯回曲線見(jiàn)圖4, 由圖4可以看出，黏彈性阻尼器的塑性變形能力較強(qiáng)，能較好地吸收地震能量，主要是以剪切變形耗能為主。

圖3 黏彈性阻尼器Fig.3 Viscoelastic damper

圖4 黏彈性阻尼器P-Δ滯回曲線Fig.4 P-Δ hysteretic loops of viscoelastic dampers

1.3 地震波選取及試驗(yàn)工況

所選地震動(dòng)為EL Centro波、Kobe波和ChiChi波，三條地震波持時(shí)分別為：53.46 s、40.9 s、50 s。三條地震波的多遇地震下反應(yīng)譜及規(guī)范譜見(jiàn)圖5，從圖5可以看出三條波反應(yīng)譜與規(guī)范譜曲線比較接近。

圖5 多遇地震下地震波反應(yīng)譜Fig.5 Response spectrum of frequent earthquake

模型峰值加速度/g地震波輸入順序有控結(jié)構(gòu)0.07、0.4、0.62、(0.95僅ELCentro波)ELCentro→Kobe→ChiChi無(wú)控結(jié)構(gòu)0.07、0.2、0.4ELCentro→Kobe→ChiChi

因?yàn)槭窃谕粋€(gè)穿斗式木構(gòu)架房屋模型上通過(guò)拆裝來(lái)完成有控結(jié)構(gòu)與無(wú)控結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)，為防止結(jié)構(gòu)模型破壞及減小地震波之間相互影響，在加速度峰值0.20 g后，僅輸入EL Centro波及Kobe波,且自加載工況地震激勵(lì)加速度峰值0.62 g始黏彈性阻尼器不再拆除直至試驗(yàn)完成。加載工況見(jiàn)表2。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)設(shè)置了11個(gè)加速度傳感器，31個(gè)電阻應(yīng)變片。加速度傳感器在臺(tái)面X、Y向各布置一個(gè)，在一層X(jué)向兩個(gè)、Y向一個(gè)，二層X(jué)、Y向各布置兩個(gè)，屋脊處X、Y向布置一個(gè)見(jiàn)圖6。應(yīng)變片主要布置在一層2/B軸、1/C軸、2/C軸柱頂外側(cè)表面及二層2/B軸、2/C軸梁端上表面。

圖6 加速度計(jì)布置圖(mm)Fig.6 Layout of test accelerometer(mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

第一階段：8度多遇地震(加速度峰值0.07 g)時(shí)，X向有輕微晃動(dòng)，且發(fā)生在二層樓面以上更為明顯，Y向幾乎沒(méi)有任何晃動(dòng)；

第二階段：8度設(shè)防烈度(加速度峰值達(dá)到0.20 g)時(shí)，X、Y向均出現(xiàn)了較大幅度的擺動(dòng)，X向響應(yīng)較Y向更為明顯，同時(shí)還伴隨有“吱吱吱”的響聲；

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.7 Phenomenon of test

第三階段：8度罕遇地震(加速度峰值達(dá)到0.4 g)時(shí)，擺動(dòng)幅度更大，且明顯看到產(chǎn)生彎曲變形特別是二層樓面以上，擺動(dòng)幅度較一層更大，發(fā)出“咯吱咯吱”的聲響，同時(shí)還可以觀察到黏彈性阻尼器發(fā)生明顯的剪切變形，但阻尼器并未發(fā)生破壞；9度罕遇地震(加速度峰值達(dá)到0.62 g)時(shí)，擺動(dòng)幅度越來(lái)越大，伴隨著“嘎吱嘎吱”聲響，柱腳以上均出現(xiàn)了明顯擺動(dòng)，榫卯節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，但榫頭最終并未拔出，特別是二層樓板位置可以看到柱子發(fā)生了明顯彎曲，說(shuō)明該位置較為薄弱，屋脊部分整體性表現(xiàn)較好，沒(méi)有發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，說(shuō)明屋脊部分剛度過(guò)大，且結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)了一定扭動(dòng)，黏彈性阻尼器剪切變形更加明顯，連接枋的鋼板出現(xiàn)一定翹曲，螺栓發(fā)生輕微彎曲見(jiàn)圖7(a)，橡膠與鋼板間出現(xiàn)輕微剝離，但并未發(fā)生影響剪切耗能的實(shí)質(zhì)性破壞，榫卯節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)輕微拔榫，并伴隨一定劈裂見(jiàn)圖7(b)，但振動(dòng)結(jié)束后結(jié)構(gòu)模型仍能恢復(fù)至平衡位置；9度強(qiáng)罕遇地震(加速度峰值達(dá)到0.95 g)時(shí)，X向結(jié)構(gòu)模型擺動(dòng)幅度更大，且出現(xiàn)了跳動(dòng)及鞭梢現(xiàn)象，Y向由于振動(dòng)臺(tái)超限而終止試驗(yàn)，直至試驗(yàn)結(jié)束，結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)未發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全的嚴(yán)重拔榫及嚴(yán)重劈裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)模型仍具有很好的恢復(fù)變形能力，榫卯節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力仍足以使結(jié)構(gòu)恢復(fù)至平衡位置，故榫卯節(jié)點(diǎn)加裝黏彈性阻尼器，改善了結(jié)構(gòu)模型恢復(fù)能力，保護(hù)了榫卯節(jié)點(diǎn)不發(fā)生拔榫破壞。

2.2 動(dòng)力特性

圖8為結(jié)構(gòu)模型頻譜圖。從圖8可以看出，結(jié)構(gòu)模型在X、Y向經(jīng)歷一系列地震動(dòng)，對(duì)震前、8度多遇烈度地震、8度設(shè)防烈度地震、8度罕遇烈度地震以及9度罕遇烈度地震分別進(jìn)行白噪聲激勵(lì)，進(jìn)行頻譜分析可知，結(jié)構(gòu)模型頻率變化很小，幾乎重合在一起，說(shuō)明結(jié)構(gòu)模型剛度變化不大，結(jié)構(gòu)模型未發(fā)生明顯損傷。

圖8 結(jié)構(gòu)頻譜圖Fig.8 Structure of spectrum diagram

2.3 加速度響應(yīng)

采用動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)分析結(jié)構(gòu)耗能減震作用，動(dòng)力放大系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

圖9 結(jié)構(gòu)模型加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖Fig.9 Envelops diagrams of acceleration amplification factor

圖9為結(jié)構(gòu)模型加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖。圖9(a)可以看出， X向：ELCentro波激勵(lì)下，動(dòng)力放大系數(shù)隨著激勵(lì)的增大，動(dòng)力放大系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，動(dòng)力放大系數(shù)最大值出現(xiàn)在0.95 g時(shí)屋脊位置約為2.6，除8度多遇地震0.07 g和9度超罕遇0.95 g外其余工況下，各層動(dòng)力放大系數(shù)均小于2.5，且除0.07 g外屋脊以下均小于1.5；Kobe波激勵(lì)下，各層動(dòng)力放大系數(shù)均小于2.5，且除0.07 g外屋脊以下動(dòng)力放大系數(shù)均小于1.5，特別是在二層位置罕遇地震0.40 g激勵(lì)下動(dòng)力放大系數(shù)最小為1.1；對(duì)于屋脊位置動(dòng)力放大系數(shù)明顯增大，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)模型屋脊存在鞭梢效應(yīng)。Y向：ELCentro波激勵(lì)下，除一層動(dòng)力放大系數(shù)小于1外，二層及屋脊動(dòng)力放大系數(shù)均在1.5～1.75之間，且在二層及以上增大幅度加大；Kobe波激勵(lì)下，隨著地震激勵(lì)增大動(dòng)力放大系數(shù)呈現(xiàn)出明顯減小趨勢(shì)，除0.07 g激勵(lì)外一層和二層動(dòng)力放大系數(shù)均小于1，屋脊位置在1～1.2之間。綜上可以看出，結(jié)構(gòu)在Kobe波激勵(lì)下，一層和二層減震作用較為明顯，特別是在結(jié)構(gòu)模型Y向，規(guī)律性也較強(qiáng)。

從圖9(b)有控結(jié)構(gòu)與無(wú)控結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大系數(shù)對(duì)比可以看出，X向：ELCentro波激勵(lì)下，多遇地震0.07 g工況下，一層動(dòng)力放大系數(shù)有控結(jié)構(gòu)模型大于無(wú)控結(jié)構(gòu)模型外，其余各層動(dòng)力放大系數(shù)相差不大，而對(duì)于罕遇地震0.40 g工況下，除一層無(wú)差別外，二層及屋脊動(dòng)力放大系數(shù)均是有控結(jié)構(gòu)模型大于無(wú)控結(jié)構(gòu)模型；Kobe波激勵(lì)下，除多遇地震0.07 g時(shí)，一層動(dòng)力放大系數(shù)有控結(jié)構(gòu)模型大于無(wú)控結(jié)構(gòu)外，其余情況下，結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力放大系數(shù)均呈現(xiàn)無(wú)控結(jié)構(gòu)模型大于有控結(jié)構(gòu)模型。Y向：無(wú)論在何種波激勵(lì)下，均呈現(xiàn)出無(wú)控結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力放大系數(shù)小于有控結(jié)構(gòu)模型(除Kobe波0.40 g一層和屋脊兩點(diǎn))。

綜上可以看出，由于結(jié)構(gòu)模型X向側(cè)向剛度由樓楞、檁條、枋等構(gòu)件承擔(dān)，在地震激勵(lì)下，幾個(gè)構(gòu)件相互作用，受力較為復(fù)雜，力的傳遞路徑受到影響因素較多，故造成動(dòng)力特性規(guī)律較弱。Y側(cè)向剛度由梁與枋共同承擔(dān)，構(gòu)件組成簡(jiǎn)單，力傳遞路徑明確，在地震激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)模型Y向規(guī)律性更強(qiáng)，而且減震作用更為明顯，這也說(shuō)明榫卯節(jié)點(diǎn)減震耗能作用較為明顯。通過(guò)有控結(jié)構(gòu)模型與無(wú)控結(jié)構(gòu)模型動(dòng)力放大系數(shù)對(duì)比分析，可以看出，在榫卯節(jié)點(diǎn)部位安裝黏彈性阻尼器，由于榫卯節(jié)點(diǎn)未發(fā)生大的剪切變形，黏彈性阻尼器，阻尼器仍以提供節(jié)點(diǎn)剛度為主，造成動(dòng)力放大系數(shù)放大。

2.4 位移響應(yīng)

圖10為結(jié)構(gòu)模型層間最大位移角。從圖10 可以看出，多遇地震作用下，最小位移角出現(xiàn)在屋脊層,由于多遇地震下，結(jié)構(gòu)模型反應(yīng)較弱，造成響應(yīng)規(guī)律性不大。8度罕遇地震及強(qiáng)罕遇地震作用下，可以發(fā)現(xiàn)最大位移角均出現(xiàn)在二層，說(shuō)明二層較為薄弱，最大位移角達(dá)到了1/11，但結(jié)構(gòu)仍保持很好的恢復(fù)變形能力，結(jié)構(gòu)模型未出現(xiàn)明顯傾斜變形或者倒塌。同時(shí)從圖10中可以看出，對(duì)于Kobe波情況下，X向結(jié)構(gòu)模型更為敏感，最大位移角較大。

圖10 結(jié)構(gòu)模型層間最大位移角Fig.10 Interlaminar biggest displacement angle

2.5 模型結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)

圖11 為1/C軸角柱應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線。從圖11可以看出，在地震激勵(lì)作用下，角柱1/C應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出非對(duì)稱性，呈現(xiàn)出拉應(yīng)變大，壓應(yīng)變小的應(yīng)變分布，這主要是與榫卯節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造有關(guān)，榫頭與卯口間擠壓程度不一樣，造成梁柱彎矩分配不一樣，從而出現(xiàn)拉壓應(yīng)變不對(duì)稱。同時(shí)從圖11中可以看出，有控結(jié)構(gòu)模型與無(wú)控結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)變響應(yīng)幅度差別并不十分明顯，差別僅在于時(shí)程曲線峰值出現(xiàn)時(shí)刻有所差別。

2.7 模型結(jié)構(gòu)最大剪力分布

結(jié)構(gòu)模型樓層最大剪力可按式(2)[17]計(jì)算：

(2)

圖13為層間剪力與基底總剪力比值柱形圖。由圖13可知，盡管地震波及加速度有所差異，但是剪力分布規(guī)律與層間質(zhì)量基本成正比，二層層間剪力占基底總剪力比重較小，約占10%，一層層間及屋脊層間剪力占基地總剪力的比重基本相當(dāng)，約各占45%，個(gè)別工況下有所區(qū)別，但相差不超10%。由分析可知，層間剪力分布主要還是取決于結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量分布。

圖11 1/C軸柱頭應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.11 Time-history curves of strain atcolumn of 1/C axis

圖12 EL Centro波二層柱頂位移時(shí)程曲線Fig.12 Time-history curves of displacement at the top of thecolumn of the second floor under EL Centro earthquake

2.8 彎矩峰值反應(yīng)

參照文獻(xiàn)[18]方法，為能夠間接計(jì)算出榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩,在一層5棵柱柱頂外表面及2段梁端上表面沿木材順紋方向分別粘貼應(yīng)變片。為比較柱頂與梁端彎矩分配情況，取柱2/C和2/B最大應(yīng)變片數(shù)值，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，這四個(gè)部位當(dāng)中最大應(yīng)變值為0.029 2%，遠(yuǎn)小于木材順紋屈服時(shí)的平均應(yīng)變0.135%，這說(shuō)明在試驗(yàn)中用于測(cè)量彎矩分布的應(yīng)變均處于彈性狀態(tài)。柱頂及梁端彎矩可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí),采用公式(3)可得，柱外邊緣及梁上表面，彎曲正應(yīng)力取得最大值為：

(3)

式中：抗彎截面模量Wz=Iz/ymax

圖13 有控結(jié)構(gòu)各層層間剪力/基底總剪力Fig.13 Floor shear/total shear at basement for the controlled structure

圖14為榫卯節(jié)點(diǎn)柱頂及梁端在各工況下地震激勵(lì)作用下彎矩最大值響應(yīng)圖。從圖14中可以看出，隨著地震激勵(lì)不斷增大，柱頂及梁端彎矩隨之逐漸增大，且呈現(xiàn)非線性增加，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)反復(fù)振動(dòng)，使得節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)一定松動(dòng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度處于不斷變化當(dāng)中，彎矩呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。從圖14中可以看出，除2/B柱頂彎矩在0.62 g后有所降低外，其余點(diǎn)彎矩均處呈現(xiàn)一直增大趨勢(shì)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)一直處于彈性狀態(tài)，榫卯節(jié)點(diǎn)未發(fā)生促使節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重剛度退化的破壞。

圖14 柱頂及梁端最大彎矩響應(yīng)圖(Y向)Fig.14 The peak bending moment M at the ends of beams and columns(at Y direction)

2.9 模型結(jié)構(gòu)耗能能力分析

參照文獻(xiàn)[17]試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诘卣鹱饔孟碌膶娱g滯回耗能可由式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Ehk為第k層的滯回耗能，Δxk為第k層的層間位移，m為振動(dòng)持時(shí)下的采樣點(diǎn)總數(shù)，其余參數(shù)同式(2)。

圖15為結(jié)構(gòu)模型在8度多遇地震和罕遇地震情況下有控結(jié)構(gòu)模型與無(wú)控結(jié)構(gòu)模型的各層累積滯回耗能隨時(shí)間t的變化曲線。從圖15可以看出，結(jié)構(gòu)模型一層柱架累積耗能作用最大，二層柱架次之，屋脊耗能最小。

3 結(jié)構(gòu)模型抗震能力評(píng)估

從以上分析可知，結(jié)構(gòu)模型在地震激勵(lì)峰值加速度0.07 g下，結(jié)構(gòu)模型未發(fā)生明顯的破壞，結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，X向無(wú)控結(jié)構(gòu)模型最大位移角為1/250(Kobe波)，有控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角1/400(Kobe波)，Y向無(wú)控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角為1/1250(Kobe波)，有控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角為1/999(Kobe波)，均滿足“小震不壞”的要求；地震激勵(lì)峰值加速度0.40 g工況下，X向無(wú)控結(jié)構(gòu)模型最大位移角為1/25(Kobe波)，有控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角1/19(Kobe波)，Y向無(wú)控結(jié)構(gòu)模型為1/71(Kobe波及ELCentro波)，有控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角1/69(Kobe波)，結(jié)構(gòu)模型均未出現(xiàn)大的破壞，滿足“中震可修”的要求；地震激勵(lì)峰值加速度0.62 g工況下，X向有控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角1/11(Kobe波)，Y向有控結(jié)構(gòu)模型最大層間位移角1/52(Kobe波)，有控結(jié)構(gòu)模型未出現(xiàn)有損結(jié)構(gòu)安全的破壞，僅有輕微拔榫及黏彈性阻尼器安裝螺栓輕微彎曲，滿足“大震不倒”的要求，后X向又經(jīng)歷9度超罕遇地震激勵(lì)峰值0.95 g，有控結(jié)構(gòu)模型仍保持很好的彈性，且結(jié)構(gòu)模型未發(fā)生傾斜或者倒塌。通過(guò)以上分析，還發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型對(duì)Kobe波響應(yīng)更為敏感，最大位移角基本上均是發(fā)生在Kobe波激勵(lì)工況下。

我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范僅有對(duì)穿斗式木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造規(guī)定，未對(duì)該結(jié)構(gòu)形式建筑層間位移角限值做出具體規(guī)定，同時(shí)鑒于該結(jié)構(gòu)形式在試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出的良好抗震性能以及參照文獻(xiàn)[11]對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)彈性及彈塑性位移角限值建議，并考慮該結(jié)構(gòu)模型在0.62 g工況下榫卯節(jié)點(diǎn)裝有黏彈性阻尼器時(shí)進(jìn)行的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，建議對(duì)穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑彈性層間位移角限值定為1/250，彈塑性層間位移角限值定為1/20。

圖15 結(jié)構(gòu)模型滯回耗能曲線對(duì)比Fig.15 Energy dissipation curves under EL Centro earthquake

綜上所述，研究認(rèn)為與試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖愃频拇┒肥侥窘Y(jié)構(gòu)建筑完全能夠滿足我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的8度設(shè)防要求，榫卯節(jié)點(diǎn)安裝黏彈性阻尼器后甚至于能經(jīng)受9度超罕遇地震。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩層穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)模型榫卯節(jié)點(diǎn)部位安裝黏彈性阻尼器有助于改善結(jié)構(gòu)的抗拔榫能力，增加結(jié)構(gòu)模型的變形恢復(fù)能力；結(jié)構(gòu)模型滿足中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)的要求；但由于對(duì)結(jié)構(gòu)模型柱腳進(jìn)行水平約束，減弱了穿斗式木結(jié)構(gòu)的水平摩擦減震耗能能力。

(2)隨著地震激勵(lì)增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)模型頻譜圖不同階段下頻譜曲線幾乎重合，結(jié)構(gòu)模型一直處于彈性狀態(tài)。

(3)建議類似結(jié)構(gòu)模型的穿斗式木結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/250,彈塑性層間位移角限值1/20。

(4)結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量分布不均及偶然偏心造成模型扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯。

(5)結(jié)構(gòu)模型層間剪力分布取決于結(jié)構(gòu)模型層間質(zhì)量分布。最大彎矩響應(yīng)隨地震激勵(lì)增大不斷增大。

(6)層間累積滯回耗能能力，一層最強(qiáng)，二層次之，屋脊最小。

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Shaking table tests for a chuan-dou timber building with viscoelastic dampers

GAO Yonglin1,2,3, TAO Zhong1,2, YE Liaoyuan2,4, WU Kechuan1,2, ZHOU Lichao2,3, SU Hexian1,2

(1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Engineering Seismic Institute in Yunnan Province, Kunming 650500, China;3. Infrastructure Construction Department, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;4. Yunnan Normal University, Kunming, 650500, China)

Shaking table tests for a model of a two-storey Chuan-Dou timber building constructed according to the requirement of Yi-Ke-Yin of Yunnan Province were conducted. Its failure pattern, dynamic response, strain response, torsional effect, shear force distribution, bending moment variation and energy dissipation capability were analyzed. The results showed that the structural model meets the design requirements of no damage under frequent earthquakes,repairable under moderate earthquakes and no collapse under rare earthquakes; the structural model has an obvious torsional effect; inter-story shear force distribution depends on mass distribution; the model’s bending moment increases with increase in earthquake excitation; there was no plastic damage in the structural model; the inter-story energy dissipation capacity is the largest at the first floor, latger at the second floor and the smallest at the roof.

Chuan-Dou timber building; viscoelastic damper;shaking table test; aseismic capability assessment

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51168025) ;國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題(2013BAK13B01)

2015-10-27 修改稿收到日期：2016-01-04

高永林 男，博士生，工程師，1981年生

陶忠 男，博士，教授，1968年生

TU366.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.01.035