砖墩强度对钢筋-沥青复合隔震层内力重分布影响的试验研究

缪鹏伟 姚 菲 翟毅章

(河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

地震作为一种突发性的自然灾害，给人们的生命财产造成了巨大的损失．而且，地震造成损失的大小常常与受灾区域的经济状况有关．2008年的汶川大地震，造成大量砌体结构的倒塌以及不同程度的损坏[1，2]，直接受灾面积达10万平方公里．针对农村民居多为砌体结构，大多采用条形基础的特点，尚守平课题组提出了一种适合农村民居的钢筋-沥青复合隔震层(Steel-Asphalt Composite Isolation Layer,以下简称SACIL)[3]．它具有抗竖向拉拔力强、造价低廉、隔震效果好、抗倾覆力强、安全储备高等优点，具有广阔的应用前景．此外，尚守平等[4，5]还对SACIL的预制构件形式——隔震墩开展了一系列的试验研究，为今后这种隔震技术的推广做进一步的准备．

文献[6，7]对SACIL进行了振动台试验，研究表明它具有很好的减震效果．文献[8]给出了SACIL的受力模型与设计公式，该简化模型认为竖向荷载和水平地震作用完全由钢筋承担，只考虑了钢筋弹性阶段的竖向承载力和水平刚度，未考虑砖墩的影响．基于文献[9，10]可知，在小震或无震情况下，荷载主要由钢筋承担；而当水平地震作用较大时，SACIL的水平变形也较大，内力在钢筋和砖墩之间发生了非线性内力重分布，导致SACIL的本构关系在小变形下存在本质差别，砖墩承受了大部分荷载，SACIL的最终破坏为砖墩的压坏，因此，砖墩的承载力对SACIL的承载力有极大影响．

1 SACIL的基本原理

SACIL设置在上部结构和基础之间．主要组成部分包括：钢筋混凝土上梁和下梁、锚固于上梁和下梁之间的竖向钢筋、布置在竖向钢筋之间的砖墩以及灌注于砖墩之间的沥青油膏．SACIL的结构形式如图1所示．

图1 SACIL结构形式

文献[10]提出的考虑砖墩受力的SACIL计算模型如下：

在竖直方向：

Nb=N-Nscosθ

(1)

在水平方向：

F=Qs+Fs+Ff

(2)

该计算模型中，随着x的增大，竖向荷载N与水平荷载F在钢筋与砖墩之间发生重新分布，使得实际受力情况与仅考虑钢筋受力的计算设计方法存在较大差异．本文通过低周反复荷载试验[11]，研究砖墩强度对SACIL中内力重分布的影响．

2 SACIL的低周反复荷载试验

2.1 试验设计

取1 m长的条形基础为试件的单位长度，设计制作了2个SACIL试件，试件形状及尺寸如图2所示．隔震层高度(即上下梁之间的净距)为200 mm，每米隔震层分布有16根直径8 mm的钢筋．上部结构自重荷载为50 kN，由2个竖向千斤顶加载．试件参数见表1．

图2 试件尺寸

试件编号a/mm砖墩种类砖墩抗压强度/MPa4-b4烧结砖砌体3.064-c4混凝土普通砖砌体4.32

注：以4-b，4-c为例，试件编号“4”表示上梁与砖墩之间的竖向距离a为4mm，“b”表示砖墩，“c”表示混凝土普通砖砌体．

为了便于试件下梁固定在沟槽式反力基础上，试件制作过程中将下梁两端各多浇筑400 mm，并在浇注过程中用PVC管预留孔洞，以便吊运．试件设计的上梁尺寸为1 000 mm×240 mm×300 mm，下梁尺寸为1 800 mm×240 mm×300 mm．

2.2 试验内容与加载测量方案

本试验采用的是低周反复加载方式，水平推力由水平作动器提供，竖向荷载由竖向千斤顶提供．试验装置如图3所示．为了考察SACIL在水平推力作用下，竖向钢筋受力与水平位移之间的变化关系，在每根竖向钢筋的中部贴了两个应变片，SACIL竖向钢筋的应变测点布置如图4所示，用于实时观测SACIL竖向钢筋的应变变化情况，从而可以得知钢筋的受力情况．

图3 试件加载装置 图4 应变测点位置

2.3 试验现象

总体来说，当隔震层水平变形较小时，竖向钢筋发生较小幅度的摆动，砖墩与隔震层上梁之间开始产生相对位移．当隔震层水平变形较大时，部分砖墩开始发生破坏，这是由于施工误差，砖墩上表面不完全在同一平面上，以及砖墩本身施工质量的差异，造成上梁并非同时接触到每个砖墩，因此每个砖墩破坏不是同步的．试件的破坏情况包括砌体的整体受压破坏、砌体的局部受压破坏以及砖墩灰缝的剪切破坏，如图5所示．

图5 破坏现象

3 试验结果及分析

3.1 竖向内力重分布试验结果分析

根据所测出的钢筋的应变[12]，可计算出每根钢筋的轴力Ns．但是试验过程中发现，每个计算单元受力并不均匀，这是由于试件长度所限，在水平推力下产生了倾覆力矩所致．鉴于实际工程中，条形基础的长度远远超过试件的长度，在基础中段的计算单元受力比较接近．故为了简化分析问题，将所有计算单元的钢筋受力求和，再求出平均值作为一个计算单元的钢筋受力．而竖向总压力N可以直接测出，由公式(1)可求出一个计算单元的砖墩的竖向受力Nb，从而绘制SACIL竖向力-位移曲线如图6所示．为了便于比较，将各试件的钢筋竖向力-位移曲线绘于图7．

由图6可知：试件4-b和4-c的力-位移曲线变化趋势有相近之处，均分为4个阶段．

阶段1：水平段．此时砖墩尚未参与受力，钢筋轴力的竖向分量Ns与竖向总压力N基本接近，砖墩竖向压力Nb为零．

阶段2：钢筋受压上升段．此时砖墩开始参与受力，与钢筋共同承受竖向压力，此时Ns与Nb均为负值，表示砖墩与钢筋均受压．随着水平位移的增大，砖墩分担的压力越来越多，钢筋所承受的压力则逐渐减小，直至Ns为零．

阶段3：钢筋受拉上升段．随着隔震层水平位移的增大，钢筋所受压力逐渐减小，此时Ns由负值变成正值，表示钢筋开始由受压转为受拉，Nb的绝对值已开始大于N．

阶段4：下降段．此时砖墩已经发生破坏，丧失承载能力，Nb迅速下降，钢筋受力也随之下降．

图6 SACIL竖向力-位移曲线

由图7可知：试件4-c与4-b在的钢筋竖向力-位移曲线变化趋势接近，阶段1与阶段2之间的转折点接近，其中4-b的钢筋竖向力的峰值力明显大于试件4-b．这是由于SACIL最终的破坏为砖墩的破坏，而试件4-c中砖墩的强度高于试件4-b．

图7 两个试件钢筋竖向力-位移曲线对比图

定义砖墩开始参与受压时的水平位移值为x1，钢筋受力为零时的水平位移值为x2，钢筋受力达到峰值时的水平位移值为x3，数值列于表2．试件4-c的x1该试件由于施工误差，导致上梁与个别砖墩之间的距离过小，因此比试件4-b提前发生了接触．

表2 曲线关键点

3.2 SACIL水平内力重分布试验结果分析

绘制SACIL水平力-位移曲线如图8所示．

图8 SACIL水平力-位移曲线

由图8可得出如下结论：

1)当砖墩参与受力后，Qs+Nssinθ的曲线在Ff的下方，表明在整个受力过程中，水平力主要由砖墩与隔震层上梁之间的摩阻力Ff承担．进一步说明了砖墩对钢筋复合隔震层的影响是不容忽视的．

2)试件4-c的水平承载能力较试件4-b有所提高．进一步证实了砖墩的材料强度对SACIL水平承载力的影响．

3)从砖墩参与受力前后水平力的相对大小可知，砖墩参与受力之后，水平力迅速上升，隔震层水平刚度也迅速增加．说明钢筋-沥青复合隔震层与其他常规结构不同，变形较大时刚度不但不退化，反而上升，砖墩对隔震层的位移有限制作用．

4 结 论

1)拟静力试验结果表明：试件4-b和4-c的竖向受力过程可以分为4个阶段，即水平段、钢筋受压上升段、钢筋受拉上升段和下降段随着砖墩与上梁之间距离的增加，砖墩与上梁发生接触时的水平位移也随之增加．

2)由于砖墩材料的不同，试件4-c的竖向与水平承载力大于试件4-b．

3)当砖墩参与受力后，水平力主要由砖墩与隔震层上梁之间的摩阻力Ff承担．

4)钢筋-沥青复合隔震层与其他常规结构不同，变形较大时刚度不但不退化，反而上升，砖墩对隔震层的位移有限制作用．

参考文献：

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