村鎮(zhèn)建筑簡(jiǎn)易滑移隔震層的配方試驗(yàn)及分析

代宇飛，郭軍林，袁康

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003）

砌體結(jié)構(gòu)是我國(guó)村鎮(zhèn)建筑的主要形式，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)村鎮(zhèn)建筑中砌體結(jié)構(gòu)房屋所占比例達(dá)64.12%[1]，歷年來(lái)地震災(zāi)害表明，村鎮(zhèn)建筑的破壞非常嚴(yán)重，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)此做了很多關(guān)于村鎮(zhèn)建筑滑移隔震技術(shù)的研究，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)。曹萬(wàn)林[4]針對(duì)村鎮(zhèn)建筑特點(diǎn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外主要的隔震材料以及研究現(xiàn)狀，其中包括砂、石墨、玻璃絲布、土工布、大理石、不銹鋼板和鋼球等并提出了玻璃珠砂漿層隔震；尚守平[5]提出用瀝青作為滑移隔震層；李英民[6]提出用瀝青-砂作為滑移隔震層；劉軍生[7]針對(duì)框架結(jié)構(gòu)提出了一種二硫化鉬固體潤(rùn)滑劑涂層的新型分離式摩擦滑移隔震裝置。Ahmad[8]用聚四氟乙烯板作為滑移隔震層材料對(duì)用粗干砂作為滑移隔震層材料砌體結(jié)構(gòu)做了振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)。Kelly J M[9-10]等人提出采用碳纖維等材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)疊層鋼板橡膠隔震支座內(nèi)部的疊層鋼板，以達(dá)到降低隔震支座的造價(jià)和減輕隔震支座重量的目的；Miha Toma evic[11]等對(duì)采用纖維隔震支座的砌體房屋與普通結(jié)構(gòu)砌體房屋進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明纖維隔震支座有較好的隔震效果。

村鎮(zhèn)建筑基礎(chǔ)滑移隔震技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于滑移隔震層開(kāi)裂控制，滑移隔震層滑移能力的實(shí)現(xiàn)及滑動(dòng)位移限制。本文所涉及的滑移隔震技術(shù)[12]（圖1），以低標(biāo)號(hào)改性砂漿作為滑移隔震層，以捆綁橡膠束作為滑移限位裝置。低標(biāo)號(hào)改性砂漿滑移隔震層，即在低標(biāo)號(hào)砂漿的基礎(chǔ)上摻入一定量滑石粉或石墨粉作為滑移隔震層，其同時(shí)具有開(kāi)裂控制及滑移雙重功能。低標(biāo)號(hào)改性砂漿滑移隔震層的工作原理和預(yù)期目標(biāo)為：在小震作用下，滑移隔震層不發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)依靠自身整體抗震；在中、大震作用下，滑移隔震層水平貫通開(kāi)裂并滑動(dòng)耗能。

圖1 簡(jiǎn)易滑移隔震技術(shù)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of simple sliding isolation technology

本文設(shè)計(jì)以強(qiáng)度等級(jí)M2.5水泥砂漿為基礎(chǔ)，滑石粉或石墨粉摻入增量為2.5%，7種配合比，共39種工況，分別對(duì)其進(jìn)行抗壓、壓剪及摩擦系數(shù)試驗(yàn)，分析各工況的豎向承載、水平承載及滑移能力，從而篩選適用于村鎮(zhèn)建筑砌體結(jié)構(gòu)滑移隔震技術(shù)的低標(biāo)號(hào)改性砂漿滑移隔震層配方。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 滑移隔震層豎向承載力試驗(yàn)

由于滑移隔震層位于上下層基礎(chǔ)圈梁之間，所以滑移隔震層須滿足一定的豎向承載力要求，以保證滑移隔震層在上部結(jié)構(gòu)豎向靜力荷載作用下不發(fā)生破壞?；聘粽饘迂Q向承載力試驗(yàn)選取砂漿標(biāo)號(hào)為M2.5、M5、M7.5的普通水泥砂漿，以滑石粉及石墨粉摻量為2.5%為基礎(chǔ)摻量，摻量梯度為2.5%，選擇7個(gè)梯度，共39種工況，試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表1所示。

試件選用砂漿抗壓標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每組3個(gè)試件。需要說(shuō)明的是，在改性砂漿拌合時(shí)水量無(wú)法確定，因此以稠度為指標(biāo)，用以確定基礎(chǔ)滑移隔震層所使用改性砂漿配比中的水量，M2.5、M5、M7.5改性砂漿稠度控制各為80 mm、75 mm、70 mm。試件制作完成自然養(yǎng)護(hù)28天后，進(jìn)行改性砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備選用30 t萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載制度為位移加載，加載速率為1 mm/min；加載到試塊的壓力曲線出現(xiàn)下降段，即試件喪失承載能力時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

表1 滑移隔震層配方工況表Tab.1 Working conditions of sliding isolation layer

1.2 滑移隔震層壓剪試驗(yàn)

低標(biāo)號(hào)改性砂漿滑移隔震層在滿足豎向承載力的基礎(chǔ)上，其在豎向壓力作用下的水平抗剪承載力決定了能否滿足“小震不壞，中、大震開(kāi)裂啟滑”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，故而進(jìn)行低標(biāo)號(hào)改性砂漿滑移隔震層的壓剪試驗(yàn)。

基礎(chǔ)滑移隔震層壓剪試驗(yàn)主要針對(duì)低標(biāo)號(hào)改性砂漿的配方進(jìn)行，旨在研究其采用的改性砂漿在低層房屋豎向壓應(yīng)力作用下的水平抗剪性能?；A(chǔ)滑移隔震層應(yīng)能保證在多遇地震作用下基礎(chǔ)滑移隔震層不發(fā)生開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)依靠整體抗震；在設(shè)防烈度地震作用下基礎(chǔ)滑移隔震層成為結(jié)構(gòu)薄弱部位實(shí)現(xiàn)開(kāi)裂貫通，開(kāi)始發(fā)揮隔震作用，有效減輕建筑物上部結(jié)構(gòu)的損傷。通過(guò)基礎(chǔ)滑移隔震層壓剪試驗(yàn)，可選擇出不同烈度區(qū)能夠滿足基礎(chǔ)滑移隔震層“小震不壞，中、大震開(kāi)裂啟滑”設(shè)計(jì)要求的配方。

基礎(chǔ)滑移隔震層壓剪試驗(yàn)試件由2個(gè)尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，標(biāo)號(hào)為C20的素混凝土塊，中間鋪設(shè)一層厚度為10mm的改性砂漿層共同組成。試驗(yàn)工況與配方試驗(yàn)工況相同，共39種，如表2所示。

表2 壓剪試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Tab.2 The working condition design of compression-shear test

基礎(chǔ)滑移隔震層壓剪試驗(yàn)裝置采用自行設(shè)計(jì)的壓剪箱[14（]圖2），試驗(yàn)設(shè)備采用500 t壓力機(jī)進(jìn)行豎向加載，20 t液壓千斤頂進(jìn)行水平加載，20 t力傳感器和TDS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試件砌筑、養(yǎng)護(hù)完成后（圖3），將試件放入壓剪箱內(nèi)，壓力機(jī)加載豎向荷載0.2 MPa，手動(dòng)加載水平荷載，直到基礎(chǔ)滑移隔震層發(fā)生破壞時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 壓剪試驗(yàn)裝置圖Fig.2 The device of compression-shear test

1.3 滑移隔震層的摩擦系數(shù)試驗(yàn)

滑移隔震層在滿足抗壓及“小震不壞，中、大震開(kāi)裂啟滑”的基礎(chǔ)上，其自身滑移能力決定了滑移層能否在開(kāi)裂后具有較好的滑移能力，從而實(shí)現(xiàn)隔震的目的。因此，本研究對(duì)滑移隔震層進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)，旨在選擇滑移性能較好的低標(biāo)號(hào)改性砂漿配方。

本研究將壓剪試驗(yàn)后帶有滑移隔震層的試件作為測(cè)定滑移隔震層滑移性能的試件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定方法及試驗(yàn)裝置如圖4所示，滑移隔震層的滑移性能試驗(yàn)工況與壓剪試驗(yàn)的工況相同，共39種。

圖3 壓剪試驗(yàn)試件Fig.3 Pressure shear test specimen

圖4 摩擦系數(shù)測(cè)定裝置圖Fig.4 Device of friction factor testing

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滑移隔震層豎向承載力試驗(yàn)

滑移隔震層豎向承載力試驗(yàn)的試塊破壞形態(tài)如圖5所示，摻有滑石粉及石墨粉的改性砂漿試塊破壞形態(tài)與無(wú)摻料的砂漿試塊基本相同，不同配比下的抗壓強(qiáng)度值如表3所示，改性砂漿抗壓強(qiáng)度變化情況如圖6所示。

表3 不同配合比下的抗壓強(qiáng)度Tab.3 Compressive strength at different mix proportion

圖5 不同砂漿試塊的破壞形態(tài)Fig.5 Failure pattern of mortar specimen

由圖6可見(jiàn)：

（1）在稠度相同的條件下，M2.5的普通砂漿在摻入滑石粉或石墨粉后，隨著摻量的增大，抗壓強(qiáng)度不斷降低，但降低幅度較慢；M5的普通砂漿在摻入滑石粉或石墨粉后，隨其摻量的增大，抗壓強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先增大后降低趨勢(shì)，在滑石粉摻量較?。?.5%）時(shí)，曲線出現(xiàn)小幅波動(dòng)，究其原因可能是材料存在拌合不均勻的離散作用導(dǎo)致；M7.5的普通砂漿在摻入滑石粉或石墨粉后，隨其摻量的增大，抗壓強(qiáng)度皆先升高后降低。

（2）當(dāng)滑石粉摻量為7.5%，石墨粉摻量為5%時(shí)，M5和M7.5砂漿抗壓強(qiáng)度都達(dá)到最大值。

圖6 不同改性砂漿的抗壓強(qiáng)度曲線Fig.6 The curve of modified mortar compression strength

由于砌體結(jié)構(gòu)砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于M5[13]，考慮到基礎(chǔ)滑移隔震層為預(yù)設(shè)薄弱層，其抗壓強(qiáng)度在滿足豎向承載力的情況下應(yīng)盡量選取較低標(biāo)號(hào)的改性砂漿。從研究結(jié)果來(lái)看，M2.5的改性砂漿在不同摻量下的抗壓強(qiáng)度差異性較小，又可滿足一層或兩層房屋的豎向抗壓要求（試驗(yàn)中的M2.5滑石粉和石墨粉改性砂漿的抗壓強(qiáng)度最小值為0.3 MPa）。因此，從抗壓角度而言，可以選擇M2.5的改性砂漿作為基礎(chǔ)滑移隔震層，但石墨粉摻量不宜過(guò)高。

2.2 滑移隔震層壓剪試驗(yàn)

滑移隔震層壓剪試驗(yàn)中隔震層的破壞形式均為脆性破壞，在整個(gè)加載過(guò)程中，加載裝置連同試件無(wú)任何異響及肉眼可觀測(cè)到的變化，試件的破壞形態(tài)基本一致（圖7），即沿改性砂漿隔震層上表面發(fā)生剪切破壞，開(kāi)裂面較為平整。相同砂漿標(biāo)號(hào)情況下，滑石粉和石墨粉的摻量越大，表面觸感越光滑；相同滑石粉和石墨粉摻量的條件下，砂漿標(biāo)號(hào)越高，其表面觸感越粗糙。通過(guò)基礎(chǔ)滑移隔震層壓剪試驗(yàn)，可得到不同工況下的基礎(chǔ)滑移隔震層抗剪承載力及其變化情況（圖8）。

圖7 不同改性砂漿的隔震層開(kāi)裂面圖Fig.7 Cracking surface of modified mortar isolation layer

圖8 不同改性砂漿的隔震層壓剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Result of compression-shear test

由圖8可見(jiàn)：

（1）不同標(biāo)號(hào)的滑石粉改性砂漿，基礎(chǔ)滑移隔震層的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)變化，在摻量為10%時(shí)達(dá)到最大值，摻量為7.5%時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最小。

（2）對(duì)摻入石墨粉配方，抗剪強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中M5及M7.5的石墨粉改性砂漿在石墨粉摻量為5%時(shí)達(dá)到最大。

（3）對(duì)比抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于摻量為7.5%滑石粉的改性砂漿滑移層，其抗壓強(qiáng)度最高，但抗剪強(qiáng)度最低。

究其原因主要是：本文試驗(yàn)中發(fā)生的剪切破壞面均位于滑移層與試塊表面，而非滑移層內(nèi)部，其抗剪強(qiáng)度主要取決于改性滑移層與界面的粘結(jié)能力。

2.3 滑移隔震層的摩擦系數(shù)試驗(yàn)

通過(guò)基礎(chǔ)滑移隔震層摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)，得到39種工況下的摩擦系數(shù)及其變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 不同改性砂漿的滑移隔震層摩擦系數(shù)曲線Fig.9 Friction factor curve of base sliding isolation layer

由圖9可知：

（1）對(duì)于摻入滑石粉的改性砂漿，隨著摻量增大摩擦系數(shù)曲線整體呈現(xiàn)先增高后波動(dòng)下降的趨勢(shì)，摻量為2.5%時(shí)達(dá)到最大值，表明改性材料摻量較小時(shí)摩擦系數(shù)反而略有上升。該結(jié)果可由試驗(yàn)現(xiàn)象“當(dāng)摻量較小時(shí)界面有較多氣孔存在，導(dǎo)致剪切破壞面更為粗糙”解釋。

（2）對(duì)于摻入石墨粉的改性砂漿，M5和M7.5的改性砂漿隨著摻量增大，摩擦系數(shù)曲線整體也呈現(xiàn)先增高后波動(dòng)下降的趨勢(shì)，摻量為5%時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。其原因與摻入滑石粉時(shí)一致。

（3）M2.5的石墨粉改性砂漿的隔震層摩擦系數(shù)對(duì)石墨粉的摻量影響不大。

2.4 滑移隔震層摩擦系數(shù)的取值范圍

通過(guò)上述滑移隔震層的豎向承載力試驗(yàn)、壓剪試驗(yàn)和摩擦系數(shù)試驗(yàn)分別得到了滑移隔震層的豎向抗壓承載力、水平抗剪承載力和滑移性能。為保證滑移隔震層在中、大震下具有較好的滑移性能，對(duì)滑移隔震層在地震作用下的受力特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的近似計(jì)算。

由于砌體結(jié)構(gòu)層數(shù)低，剛度沿高度分布較均勻，并以剪切變形為主，所以可采用底部剪力法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于多層砌體的房屋，宜取水平地震影響系數(shù)最大值α1=αmax[13]，而對(duì)于低層村鎮(zhèn)建筑，可近似認(rèn)為G≈Geq；再假設(shè)基礎(chǔ)滑移隔震層的動(dòng)摩擦力模型采用庫(kù)倫摩擦力模型，則基礎(chǔ)滑移隔震層的動(dòng)摩擦力為

因此，只需比較基礎(chǔ)滑移隔震層的摩擦系數(shù)μ與不同地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值αmax的關(guān)系，即可篩選出滿足基礎(chǔ)滑移隔震層在中、大震下滑移性能較好的低標(biāo)號(hào)改性砂漿配方。

表4給出了高烈度區(qū)摩擦系數(shù)取值范圍。

表4 高烈度區(qū)摩擦系數(shù)取值范圍Tab.4 The value of friction coefficient in high seismic intensity

3 結(jié)論

（1）本文提出的滑石粉和石墨粉改性砂漿作為低層村鎮(zhèn)建筑滑移隔震層可以滿足豎向抗壓承載力、中大震開(kāi)裂啟滑耗能減震的預(yù)期目標(biāo)。

（2）本文建立了水平地震影響系數(shù)與滑移層摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，得到了不同抗震設(shè)防烈度相對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)的取值范圍（表4）。

3）根據(jù)低層村鎮(zhèn)建筑就地取材、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的抗震需求，對(duì)一到兩層的村鎮(zhèn)建筑建議選擇滑石粉摻量為5%的M2.5的改性砂漿作為滑移隔震層，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意控制材料的離散性。

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