建筑隔震橡膠柔性管道抗震性能試驗(yàn)研究

曾德民，劉文科，解琳琳，李愛(ài)群,3，杜志超，陳 曦，耿海剛

(1. 北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué)“工程結(jié)構(gòu)與新材料”北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 100044； 3. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096；4. 北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100044；5. 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045； 6. 中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北，石家莊 050000)

近年來(lái)，發(fā)展高性能韌性建筑，滿足城市震后功能可恢復(fù)需求，已成為地震工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[1－6]。隔震技術(shù)被視為提升建筑韌性水準(zhǔn)的最有效措施[7－10]。管道是隔震層的重要部件之一，以住宅建筑為例，在隔震層處需設(shè)置連接上部管道系統(tǒng)的傳輸管道，以保障給排水和換氣功能。隔震層在地震作用下會(huì)出現(xiàn)較大變形，這就需要隔震層中管道具備大變形能力，如果震后該類管道無(wú)法正常工作將會(huì)直接影響建筑的使用功能[11]。

震害調(diào)查結(jié)果表明[12－13]，傳統(tǒng)剛性連接抗震性能差，震后破壞嚴(yán)重，無(wú)法很好地維持建筑使用功能。賀思維等[14]針對(duì)鍍鋅管道和PVC 管道，以管道半徑、水壓、管壁厚度和加載方式作為控制變量，對(duì)其抗震性能展開(kāi)了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明傳統(tǒng)剛性連接不具備大變形能力。柔性管道由于其出色的變形能力，更適合應(yīng)用于隔震層。然而已有研究多以剛性管道為主[15－16]，針對(duì)柔性管道，尚慶學(xué)等[17]進(jìn)行了金屬柔性管道抗震性能試驗(yàn)，研究了密封構(gòu)造和連接方式對(duì)其抗震性能的影響規(guī)律。盧嘉茗等[18]通過(guò)擬靜力試驗(yàn)，對(duì)比分析了金屬柔性管道的公稱內(nèi)徑、設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以及安裝長(zhǎng)度對(duì)其抗震能力的影響規(guī)律。

2017 年，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑隔震柔性管道》[19](下文簡(jiǎn)稱為“規(guī)范”)發(fā)布，對(duì)柔性管道的分類做出了相關(guān)規(guī)定，隔震層中管道連接可采用金屬柔性管道和橡膠柔性管道。目前工程應(yīng)用主要采用金屬柔性管道，用于給水、消防和醫(yī)療供氣等。橡膠柔性管道(下文簡(jiǎn)稱為“橡膠軟管”)因橡膠變形能力強(qiáng)，也逐漸得到工程界的關(guān)注和應(yīng)用。

目前對(duì)于建筑隔震橡膠柔性管道的相關(guān)研究還罕見(jiàn)報(bào)道，該類管道在遭遇地震時(shí)的破壞狀態(tài)、損傷情況及其變形能力和承載力均尚不明確。本研究以豎向安裝的橡膠柔性管道為對(duì)象，將目標(biāo)變形設(shè)置為400 mm，選取了2 種公稱內(nèi)徑(DN)和4 種不同設(shè)計(jì)長(zhǎng)度(L)的橡膠軟管，試驗(yàn)分為8 組，共有24 個(gè)試件。通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究橡膠柔性管道損傷演化模式和關(guān)鍵損傷狀態(tài)，分析其變形和承載能力特征，建立關(guān)鍵變量與變形能力的量化關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

罕遇地震下，多層隔震結(jié)構(gòu)隔震層的最大位移一般不超過(guò)400 mm，本研究在此選擇規(guī)范[19]中最大變形為400 mm 的橡膠軟管(如圖1 所示)展開(kāi)研究。根據(jù)工程調(diào)研情況以及規(guī)范[19]要求，選用目前工程中常用的建筑給水橡膠軟管及其連接構(gòu)造。橡膠軟管截面共分為3 層，分別為內(nèi)膠層、補(bǔ)強(qiáng)層(本試驗(yàn)試件的補(bǔ)強(qiáng)層為金屬網(wǎng))和外膠層(如圖2 所示)，內(nèi)膠層和補(bǔ)強(qiáng)層主要作用是承受壓力，外膠層主要作用是固定內(nèi)膠層和補(bǔ)強(qiáng)層，以及承受日常使用中的磨損和腐蝕?？紤]到公稱內(nèi)徑的影響，本研究選取了公稱內(nèi)徑分別為50 mm 和100 mm 的兩種橡膠軟管，管道壁厚均為6 mm，其中內(nèi)膠層和外膠層各層厚度均為1.5 mm，補(bǔ)強(qiáng)層厚度為3 mm。與金屬軟管不同的是，規(guī)范[19]并未要求橡膠軟管設(shè)置彎曲段。因此，本研究考慮可提供水平變形的管道有效長(zhǎng)度影響，每種橡膠軟管均設(shè)計(jì)4 種長(zhǎng)度，分別約為350 mm、450 mm、550 mm 和規(guī)范建議值(50 mm 和100 mm 公稱內(nèi)徑的軟管分別為750 mm和850 mm)，共有8 組試驗(yàn)，編號(hào)為T(mén)P1～TP8，每組試驗(yàn)包含3 個(gè)相同的試件以考慮離散性，共24 個(gè) 試件。

圖1 橡膠軟管 Fig.1 Rubber flexible pipe

圖2 橡膠軟管構(gòu)造示意圖 Fig.2 Schematic diagram of rubber flexible pipe

橡膠軟管兩端的連接構(gòu)造如圖2 所示，卡箍段和端部連接法蘭為目前工程中采用的構(gòu)造形式，其構(gòu)造尺寸根據(jù)《板式平焊鋼制管法蘭》[20]以及公稱內(nèi)徑DN 和工作壓強(qiáng)進(jìn)行設(shè)定。上文所述管道長(zhǎng)度為橡膠軟管實(shí)際可提供水平變形的有效尺寸，即管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L，該尺寸與卡箍段和端部連接法蘭盤(pán)尺寸之和定義為管道安裝長(zhǎng)度H。因加工精度存在誤差，本研究測(cè)量了各試件管道實(shí)際長(zhǎng)度L0，表1匯總了各組試件的相關(guān)數(shù)據(jù)。各試件通過(guò)注水實(shí)現(xiàn)排氣加壓。

表1 豎向安裝橡膠軟管試件主要參數(shù) Table 1 Properties of rubber flexible pipes

為避免端部連接鋼管發(fā)生損傷，確保其始終保持彈性狀態(tài)，本研究對(duì)鋼管進(jìn)行了彈性設(shè)計(jì)。并且試驗(yàn)測(cè)量了各試件端部鋼管的應(yīng)變，其測(cè)量應(yīng)變最大值為0.001579，遠(yuǎn)未達(dá)到屈服應(yīng)變值，說(shuō)明鋼管始終保持彈性狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。

1.2 加載和量測(cè)方案

研究團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)展了金屬柔性管道的試驗(yàn)研究[18]，本研究在此采用相同的試驗(yàn)加載裝置、加載制度及量測(cè)方案，圖3 為試驗(yàn)加載裝置圖。試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)加壓孔施加水壓，使試件保持1.6 MPa 的工作壓強(qiáng)。

圖3 試驗(yàn)加載裝置示意圖 Fig.3 Schematic diagram of test setup

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 TP1～TP4 試驗(yàn)現(xiàn)象

TP1～ TP3 組橡膠軟管均出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，經(jīng)歷了兩個(gè)關(guān)鍵損傷狀態(tài)：1) 狀態(tài)I：橡膠軟管完全繃直，考慮到橡膠軟管加工難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，尚存在一定冗余長(zhǎng)度。因此，軟管剛開(kāi)始受力基本為0，當(dāng)變形到一定程度后，管道繃直開(kāi)始受力，水平荷載和管內(nèi)壓強(qiáng)隨位移增大而顯著上升。2) 狀態(tài)II：橡膠軟管某一側(cè)在上部卡箍下端或下部卡箍上端附近發(fā)生橡膠斷裂，管道漏水，壓強(qiáng)驟降為0，承載力驟降至基本為0。

規(guī)范組橡膠軟管(TP4 組)在達(dá)到預(yù)期的400 mm位移時(shí)未出現(xiàn)破壞性現(xiàn)象，并且循環(huán)加載30 圈后其使用功能仍然完好。具體而言，規(guī)范橡膠軟管也會(huì)經(jīng)歷繃直階段，但未進(jìn)入第二階段。在位移達(dá)到400 mm 時(shí)，橡膠軟管端部單側(cè)最大拔出約8 mm，管內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)7.6 MPa～7.8 MPa。卸載后殘余拔出量約為2 mm，管內(nèi)壓強(qiáng)降低至1 MPa 左右，這主要是因?yàn)橄鹉z軟管產(chǎn)生了拉伸塑性變形現(xiàn)象，導(dǎo)致管長(zhǎng)變長(zhǎng)，壓強(qiáng)降低。在此狀態(tài)下，對(duì)試件補(bǔ)加壓可達(dá)到工作壓強(qiáng)1.6 MPa 并維持穩(wěn)定，且管道在后續(xù)循環(huán)中表現(xiàn)良好，這表明盡管橡膠軟管存在一定伸長(zhǎng)且存在少量拔出，但整體可維持功能不中斷正常使用。圖4 所示為T(mén)P1～TP4 組中典型試件(TP1-1、TP2-1、TP3-1 和TP4-1)的滯回曲線和關(guān)鍵狀態(tài)。

圖4 TP1～TP4 滯回曲線和關(guān)鍵狀態(tài) Fig.4 Hysteretic curves and key states of TP1～TP4

值得注意的是，橡膠軟管在進(jìn)入狀態(tài)I 后達(dá)到狀態(tài)II 之前，加壓泵處壓力計(jì)所示壓強(qiáng)隨著位移的增大而持續(xù)增大，即管內(nèi)壓強(qiáng)持續(xù)增大。以TP1-1為例，橡膠軟管的管內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)為1.6 MPa，進(jìn)入狀態(tài)I 后，壓強(qiáng)開(kāi)始增大(如圖5(a)所示)；當(dāng)位移接近破壞位移時(shí)，管內(nèi)壓強(qiáng)升至7.2 MPa(如圖5(b)所示)；當(dāng)達(dá)到破壞位移時(shí)，管內(nèi)壓強(qiáng)驟降為0(如 圖5(c)所示)。

圖5 管內(nèi)壓強(qiáng)變化 Fig.5 Pressure change in the pipe

2.2 TP5～TP8 試驗(yàn)現(xiàn)象

TP5～TP7 三組均經(jīng)歷了與TP1～TP3 組相同的損傷演化次序及兩個(gè)關(guān)鍵損傷狀態(tài)。規(guī)范組橡膠軟管TP8 組與TP4 組試驗(yàn)現(xiàn)象也基本相同，當(dāng)位移達(dá)到400 mm 時(shí)管道端部單側(cè)最大拔出約10 mm，卸載后橡膠軟管殘余的拔出量約為5 mm，管道仍能穩(wěn)定承受工作壓強(qiáng)，且后續(xù)循環(huán)仍未見(jiàn)損傷，整體功能性完好。圖6 所示為T(mén)P5～TP8 組典型試件的滯回曲線和關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)。

圖6 TP5～TP8 滯回曲線和關(guān)鍵狀態(tài) Fig.6 Hysteretic curves and key states of TP5～TP8

3 變形能力與承載能力分析

3.1 TP1～TP4 變形能力分析

表2 所示為T(mén)P1～TP4 組試件在關(guān)鍵狀態(tài)時(shí)的位移，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為350 mm(TP1 組)、450 mm(TP2組)、550 mm(TP3 組)和750 mm(TP4 組)的橡膠軟管狀態(tài)Ⅰ的平均位移分別為73.3 mm、116.7 mm、146.7 mm 和203.3 mm，發(fā)生破壞的TP1、TP2 和TP3 組試件狀態(tài)Ⅱ的平均位移分別為230.01 mm、288.51 mm 和359.05 mm。橡膠軟管在兩種狀態(tài)下的位移變化情況表明，在公稱內(nèi)徑相同的情況下，其變形能力與管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度正相關(guān)。

當(dāng)截距為0，即管道實(shí)際長(zhǎng)度為0 時(shí)，變形能力為0，采用二次拋物線回歸管道實(shí)際長(zhǎng)度與破壞位移之間的關(guān)系如圖7 所示，從圖中可知公式相關(guān)性較強(qiáng)，相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.98，相應(yīng)公式如式(1)所示：

式中：0L為管道實(shí)際長(zhǎng)度；IIΔ為管道破壞位移?；谠摴筋A(yù)測(cè)規(guī)范管的變形能力可達(dá)493 mm，表明規(guī)范管具有較大的安全冗余度。

表2 TP1～TP4 關(guān)鍵試驗(yàn)現(xiàn)象及其位移 Table 2 Key experimental phenomena and displacements of TP1～TP4

圖7 50 mm 內(nèi)徑橡膠軟管實(shí)際長(zhǎng)度與破壞位移關(guān)系回歸 Fig.7 Regression of the relationship between the real length and failure displacement for the rubber flexible pipe with an internal diameter of 50 mm

上述結(jié)果表明：1) 本文所研究的不滿足規(guī)范長(zhǎng)度要求的橡膠軟管方案均難以滿足400 mm 的變形需求，全部發(fā)生了軟管斷裂和漏水；2) 規(guī)范建議的橡膠軟管長(zhǎng)度具有較高的安全冗余，在達(dá)到400 mm 的目標(biāo)位移下雖有微小拔出，但均未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，且卸載后能夠繼續(xù)穩(wěn)定承受工作壓強(qiáng)，整體功能完好。

3.2 TP5～TP8 變形能力分析

表3 所示為T(mén)P5～TP8 組試件在關(guān)鍵狀態(tài)時(shí)的位移。根據(jù)表中所給TP5～TP8 組各試件關(guān)鍵狀態(tài)下的位移數(shù)據(jù)繪制公稱內(nèi)徑為100 mm 的橡膠軟管實(shí)際長(zhǎng)度與破壞位移散點(diǎn)圖，采用上文所述方式回歸兩者關(guān)系并與公稱內(nèi)徑為50 mm 的結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。

表3 TP5～TP8 關(guān)鍵試驗(yàn)現(xiàn)象及其位移 Table 3 Key experimental phenomena and displacements of TP5～TP8

圖8 50 mm 和100 mm 內(nèi)徑橡膠管道結(jié)果對(duì)比 Fig.8 Comparison between the test results of the specimens with an internal diameter of 50 mm and 100 mm

上述圖表說(shuō)明，管道長(zhǎng)度相近時(shí)，大公稱內(nèi)徑的管道較于小公稱內(nèi)徑的管道具有更小的變形能力，且兩者的變形能力差與管道長(zhǎng)度正相關(guān)。具體而言： 1) 對(duì)于管長(zhǎng)約為350 mm 的試件，TP5 組試件(公稱內(nèi)徑為100 mm)關(guān)鍵狀態(tài)II 的平均破壞位移為145.49 mm，顯著小于TP1 組試件(公稱內(nèi)徑為50 mm)的230.01 mm，兩者差值為84.52 mm。 2) 對(duì)于管長(zhǎng)約為450 mm 的試件，TP6 組試件(公稱內(nèi)徑為100 mm)關(guān)鍵狀態(tài)II 的平均破壞位移為192.84 mm，顯著小于TP2 組試件(公稱內(nèi)徑為50 mm)的288.51 mm，兩者差值為95.67 mm。 3) 對(duì)于管長(zhǎng)約為550 mm 的試件，TP7 組試件(公稱內(nèi)徑為100 mm)關(guān)鍵狀態(tài)II 的平均破壞位移為259.77 mm，顯著小于TP3 組試件(公稱內(nèi)徑為50 mm)的359.05 mm，兩者差值為99.28 mm。

圖8 所示回歸公式同樣相關(guān)性良好，相關(guān)性系數(shù)也達(dá)0.98，相應(yīng)公式如式(2)所示?；谠摴筋A(yù)測(cè)規(guī)范管的變形能力可達(dá)470 mm，表明規(guī)范管也具有較大的安全冗余度。

總的來(lái)說(shuō)：1) 本文研究公稱內(nèi)徑為100 mm 的不滿足規(guī)范長(zhǎng)度要求的橡膠軟管方案均無(wú)法滿足400 mm 的變形需求，全部發(fā)生了軟管斷裂和漏水；2) 規(guī)范建議長(zhǎng)度的橡膠軟管在400 mm 的變形下雖有拔出現(xiàn)象，但也均未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，且卸載后能夠繼續(xù)穩(wěn)定承受工作壓強(qiáng)，整體功能 完好。

公稱內(nèi)徑100 mm 與50 mm 的橡膠軟管對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在相近的實(shí)際長(zhǎng)度下，大公稱內(nèi)徑橡膠軟管的變形能力更小，兩者間存在介于84 mm和99 mm 之間的水平變形能力差，這也是規(guī)范對(duì)于大公稱內(nèi)徑管道建議了更大的管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的關(guān)鍵因素。

3.3 承載能力分析

由于橡膠軟管端部構(gòu)造和試驗(yàn)破壞現(xiàn)象與前期金屬軟管相似[18]，因此本研究采用與之相同的受力計(jì)算模型(如圖9 所示)，對(duì)橡膠軟管端部的受力情況進(jìn)行分析。即假設(shè)影響管道破壞的主要因素是橡膠軟管的抗拉拔能力，由橡膠軟管端部的豎向荷載分量控制。圖9 中，L為管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，l為管道拉伸后長(zhǎng)度，IIΔ為管道達(dá)到狀態(tài)II 時(shí)的水平位移，θ為管道和水平方向的夾角，F(xiàn)P為管道端部所受的拉力，F(xiàn)H為管道端部所受的水平荷載分量，F(xiàn)V為管道端部所受的豎向荷載分量。

圖9 橡膠軟管受力計(jì)算模型 Fig.9 Force calculation model for rubber flexible pipes

通過(guò)模型計(jì)算，橡膠軟管端部受力關(guān)系如下：

式中，maxF為橡膠軟管位移達(dá)到關(guān)鍵狀態(tài)II 時(shí)的水平極限荷載。表4 所示為T(mén)P1～TP8 組各試件的maxF和相應(yīng)VF值。

表4 TP1～TP8 水平極限荷載以及豎向拔出荷載匯總 Table 4 Horizontal ultimate load and vertical pull-out load of TP1 ～ TP8

對(duì)比分析表中數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：

1) TP1～TP3 組FV平均值的的誤差值不超過(guò)6.51%，可取這3 組試件FV的平均值15.78 kN，作為公稱內(nèi)徑50 mm 的橡膠軟管豎向抗拔承載力。

2) 公稱內(nèi)徑100 mm橡膠軟管的豎向抗拔承載力取TP5～TP7 組試件FV的平均值33.71kN。鑒于公稱內(nèi)徑為50 mm 和100 mm 軟管的管道壁厚相同且三層厚度相同，基于破壞取決于豎向抗拔承載力的假定，橡膠軟管的豎向抗拔承載力應(yīng)于其公稱內(nèi)徑呈正比例關(guān)系，兩者豎向抗拔預(yù)測(cè)承載力實(shí)際比值為2.14，公稱內(nèi)徑之比為2，兩項(xiàng)比值差異較小，驗(yàn)證了該假定具有一定的合理性。

3) 對(duì)于水平破壞荷載，對(duì)于相同的管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，大公稱內(nèi)徑管道的變形能力約為小公稱內(nèi)徑管道的63%～72.3%，而兩者豎向力分量比約為2.14，因此大公稱內(nèi)徑管道破壞時(shí)的水平荷載約為小公稱內(nèi)徑管道的1.39 倍～1.48 倍，小于公稱內(nèi)徑比。

上述結(jié)果表明：1) 橡膠軟管的破壞主要取決于其豎向抗拔承載能力，而橡膠軟管的豎向抗拔承載能力主要取決于其公稱內(nèi)徑，二者的關(guān)系近似于線性相關(guān)；2) 橡膠軟管長(zhǎng)度相同時(shí)，管道的公稱內(nèi)徑與其水平極限荷載正相關(guān)，但其增大幅度小于豎向拉拔力的增大程度，這主要是由于其水平變形能力出現(xiàn)了一定程度的減小。

4 結(jié)論

由于橡膠柔性管道逐漸應(yīng)用于隔震工程中，而對(duì)于橡膠軟管抗震性能的研究相對(duì)較少。因此本文選擇水平變形達(dá)400 mm 的橡膠軟管為研究對(duì)象，結(jié)合管道公稱內(nèi)徑和設(shè)計(jì)長(zhǎng)度兩個(gè)影響因素，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究了橡膠軟管在地震下的損傷演化模式、變形和承載能力特征，結(jié)論如下：

(1) 橡膠軟管長(zhǎng)度不符合規(guī)范要求時(shí)，不同公稱內(nèi)徑的橡膠軟管均無(wú)法達(dá)到400 mm 的預(yù)期變形目標(biāo)。其破壞主要經(jīng)歷兩個(gè)階段：管道繃直階段和單側(cè)斷裂破壞漏水階段，震后功能中斷需進(jìn)行更換。

(2) 橡膠軟管長(zhǎng)度符合規(guī)范要求時(shí)，不同公稱內(nèi)徑的橡膠軟管在達(dá)到400 mm 的預(yù)期變形時(shí)均未出現(xiàn)破壞性現(xiàn)象，但由于橡膠軟管發(fā)生了一定的塑性變形，導(dǎo)致端部輕微拔出，但可穩(wěn)定承受工作壓強(qiáng)且具備30 圈的400 mm 循環(huán)變形能力，整體功能完好。

(3) 橡膠軟管的變形能力與其實(shí)際長(zhǎng)度正相關(guān)，但與其公稱內(nèi)徑負(fù)相關(guān)。橡膠軟管的實(shí)際長(zhǎng)度相同時(shí)，公稱內(nèi)徑越大，管道承受水平極限荷載能力越強(qiáng)，但大公稱內(nèi)徑和小公稱內(nèi)徑管道極限水平荷載之比小于公稱內(nèi)徑比。