村镇复合隔震建筑抗震性能影响因素的研究

王荣锦，袁康,2*，代宇飞

(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003； 2 石河子大学新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室，新疆 石河子 832003)

村镇建筑是抗震设防的薄弱环节，在地震中房屋受损甚至倒塌现象十分严重，其原因是多数村镇建筑未经正规设计和施工，传统圈梁、构造柱等抗震措施难以有效实，因此，发展简易、实用的村镇减隔震技术受到广大学者的关注。AHMAD S等[1-2]研究了滑移层摩擦系数对基础滑移隔震效果的影响，TSANG H H[3]提出了废旧轮胎橡胶-土混合隔震层隔震的概念，AMADIO C等[4-5]提出了复合隔震消能系统，李立在20世纪80年代在国内提出了砂砾隔震法技术[6]，曹万林等[7]提出了一种玻璃珠-石墨基础滑移隔震系统，李英民[8]针对农村砌体房屋提出了一种以沥青-砂来作为摩擦滑移层的消能减震结构，尚守平[9- 10]提出了一种钢筋沥青隔震层的技术。在上述学者们研究的基础上，本课题组针对新疆处于冻土区和地震高发区，将滑移隔震技术与抗冻胀相结合，研发了一种造价低廉、形式简单、便于施工且适用于新疆村镇建筑的砂垫层-基础滑移复合隔震体系[11]，并进行了从构件到结构的系统抗震性能试验研究[12-13]，结果表明复合隔震技术在试验模型层面具有良好的隔震效果。

为了进一步验证复合隔震技术在实际工程中的隔震效果，研究复合隔震体系的设计参数及场地条件等相关因素影响的规律，本文在课题组前期研究的基础上，结合新疆地区农房建造的实际情况，采用ABAQUS有限元分析软件建立复合隔震建筑模型，输入地震波进行弹塑性时程分析，分析了滑移层摩擦系数、场地类别、房屋层数及地震烈度等因素对复合隔震建筑隔震性能的影响，并提出适合7度(0.10 g)～8度(0.30 g)烈度下复合隔震建筑设计参数的建议。

1 复合隔震体系的隔震机理

复合隔震体系结构简图如图1所示，在房屋基础底面铺设具有换填冻土和隔震双重功效的砂垫层，其由合理的粒径、厚度、密实度组成。沿室外地坪分2次浇筑上、下层基础圈梁，其间铺设1层摩擦系数较低的掺入钢珠的改性低标号砂浆(10 mm)作为滑移隔震层，沿基础圈梁长度方向每隔一定距离设置贯穿上下圈梁的提供限位、复位作用的橡胶束，形成基底砂垫层与基础滑移隔震层相结合的砂垫层—滑移串联复合隔震体系。

其隔震原理如下：结构遭受小震作用时，砂垫层通过抑制地震能量的向上传递起到隔震效果，而摩擦滑移隔震层未开裂，不发挥隔震功效，结构通过自身抗震和砂垫层的隔震效果实现“小震不坏”的抗震效果；当结构遭受中震和大震作用时，砂垫层发挥隔震效果的同时摩擦滑移隔震层开始出现裂缝，上部结构随上层圈梁一起与下圈梁产生错动，滑移隔震层通过摩擦耗能达到隔震效果，橡胶束不提供隔震效果，仅起到限位、复位作用，防止上部结构产生较大的位移与下圈梁脱离，通过基础滑移层与砂垫层的协同工作起到较好的隔震效果，降低地震向上部结构的能量输入，减轻上部结构的损伤，从而达到结构“中震可修，大震不倒”的设防目标。

图1 复合隔震体系结构简图

2 复合隔震体系动力弹塑性分析的模型

2.1模型的建立及参数的选取

本文采用ABAQUS有限元分析软件建立砌体隔震房屋结构平面布置(图2)和模型(图3)。该建筑开间为9.66 m,进深为8.56 m,层高3 m；墙体厚度均为240 mm，采用MU10烧结普通砖砌筑、砂浆强度等级为M7.5；楼板、基础圈梁均采用C20混凝土，楼板厚80 mm，楼面恒载及活载均为2.0 kN/m2，屋面为不上人屋面荷载取0.5 kN/m2。

砂垫层按照《建筑地基处理技术规范》[14]要求采用换填垫层法换填粗砂垫层，厚度设置为500 mm，砂垫层的粒径组成采用5～10 mm的圆砾，按规范要求进行分层压实，压实系数不小于 0.94，经测试砂垫层与基础的混凝土面板之间的摩擦系数约为0.6左右[15]；设计地震分组为第2组，场地设置了Ⅰ1类、Ⅱ类、Ⅲ类等类别以探究场地类别对减隔震效果的影响。

图2 建筑平面图

图3 ABAQUS软件建立的模型

对于混凝土的本构模型，本文模拟选用《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010[16]附录C.2中混凝土单轴受拉和受压的本构曲线，砌体的本构模型选用杨卫忠模型[17]，而砌体受拉本构关系参照《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010附录C.2.3[16]。砂垫层的本构模型选用Drucker-Prager屈服准则的弹塑性本构模型[18]，在建立本构关系时均采用材料强度的平均值。本文采用整体式模型进行砌体结构中墙体的数值模拟分析，单元类型采用三维实体C3D8R单元包括墙体结构、楼板、圈梁、滑移层、砂垫层等。构件之间的约束方式分别采用接触约束和绑定约束，其中上层圈梁和下层圈梁之间法线方向采用硬接触，切线方向采用库仑摩擦模型，其相对摩擦系数不同工况分别设置0.1、0.2、0.3、0.4、0.5；基础底面混凝土面板和粗砂垫层之间法线方向采用硬接触，切线方向采用库仑摩擦模型，其相对摩擦系数设置0.6。楼面板和砌体墙之间、上层圈梁和砌体墙之间、基础上表面和下层圈梁之间均采用绑定约束的方式。

2.2 地震波的选取

合理选择地震波是弹塑性时程分析的前提条件，按照《建筑抗震设计规范》 GB 50011—2010[19]第5.1.2条的要求，依据新疆石河子地区场地条件，选用3条地震波，包括2条天然波(RSN12、ELCENTRO)，1条人工波(RH4TG245)。Ⅱ类场地下3条地震波曲线及其加速度反应谱曲线与设计反应谱曲线对比如图4。

图4 三条地震波及加速度反应谱对比

2.3 模型验证

对村镇复合隔震建筑进行隔震性能分析，其关键点是对砂垫层和滑移层的模拟,本文参照文献[20-21]模拟砂垫层采用实体单元的方法，其中砂垫层的阻尼系数、刚度及质量等为主要参数；滑移层的模拟主要考虑滑移界面的接触分析。前期本课题组进行的墙体拟静力试验研究结果表明[12],橡胶束主要在上、下层圈梁开裂滑动后，限制上部结构产生过大位移而脱离下圈梁和提供上部结构恢复原位的作用，其对结构整体滑移隔震基本无贡献，且本次数值模拟存在大量的非线性计算，橡胶束在数值模拟过程中又会耗费大量的运算时间，所以为了简化有限元模型，减少计算时间，加快运算速度，本文数值模拟忽略橡胶束的影响不作计算分析。为验证滑移界面的接触分析中各种参数设置的合理性，本文将数值模拟结果与本课题组前期的振动台试验数据进行对比，振动台模型和有限元模型如图5所示，振动台模型和数值模型最后破坏形态如图6所示。通过对比显示：振动台模型和数值模型的门窗洞口处均受到一定程度的破坏，均为二楼破坏较为严重、一楼有较细微破坏，表明数值模拟中参数设置合理。

图5 振动台实体模型和数值模型

图6 振动台模型和有限元模型最后破坏形态

在有限元模型中输入与振动台试验相同的ELCENTRO地震波，提取上部结构顶点加速度时程进行傅里叶变换，再进行杜哈梅积分得到加速度反应谱后与振动台试验加速度反应谱对比，加速度时程及加速度反应谱的对比如图7所示。

图7 加速度时程及加速度反应谱的对比

由图7可见：有限元模型与振动台模型的加速度时程与加速度谱幅值相近，但由于数值模拟未考虑橡胶束在滑动后期提供的变形耗能及限位复位作用，导致数值模拟得到的加速度谱幅值较振动台试验结果稍大，但两者幅值差值不大，可见摩擦滑移层使用接触分析的方法是行得通的，且各种参数设置是合理的。

3 村镇复合隔震建筑抗震性能影响因素的分析

3．1 工况设计

前期模型试验结果表明[21]，在砂垫层材料组成一定的条件下，基于村镇建筑上部结构与基础部分的质量比，影响复合隔震体系隔震效果的因素主要为地震烈度、滑移层摩擦系数、房屋层数及场地类别等。

为了验证各因素在实际工程中影响的规律，获取不同烈度下的合理设计参数，本文研究设计以下工况进行对比研究，地震烈度分别如下：7度220 gal(0.10 g)、7度310 gal(0.15 g)、8度400 gal(0.20 g)、8度510 gal(0.30 g)，滑移层的摩擦系数分别设置为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，场地类别为Ⅰ1类、Ⅱ类、Ⅲ类。

工况设计如表1所示。

表1 工况设计

本文研究按规定[19]选取2条天然波(RSN12、ELCENTRO)和1条人工波(RH4TG245)，分析结果显示不同地震波作用下结构的动力响应基本相同，限于篇幅，本文仅选取RH4TG045地震波作用下场地类别为Ⅱ类场地、设计分组为第2组的结果分析。

3.2 地震烈度影响的分析

图8是地震烈度对结构动力响应的影响。由图8a和b可知,地震烈度对复合隔震建筑底部剪力和顶点加速度影响类似，主要有以下特点:

(1)随着地震烈度的增加，不同工况上部结构的底部剪力和顶点加速度均呈现上升趋势。表明复合隔震结构基本没有表现出刚度退化，实现了较好的隔震效果。

(2)滑移层摩擦系数越小的工况，其曲线表现越为平缓。表明其对地震作用向上部结构的传递控制越好。

(3)各个工况的上部结构底部剪力曲线在后半段的上升幅度略微减小，尤其是摩擦系数0.1的工况曲线趋于水平。其原因是随着地震烈度增大，上部结构进入滑动状态，结构底部剪力主要表现为滑动摩擦力。

图8c显示出地震烈度对复合隔震建筑上部结构滑移位移幅值影响的规律：

(1)随着地震烈度的增加，上部结构滑移位移幅值均呈现上升趋势，且上升幅度也随地震烈度的增加而增大。表明复合隔震结构在高烈度条件下获得较好隔震效果的同时，位移响应将进一步加大。

(2)当滑移层摩擦系数较高时，各个工况曲线相对集中，但当滑移层摩擦系数取值为0.1和0.2时，曲线斜率显著增大。表明当通过设计较小的滑移层摩擦系数来获取结构加速度响应有效控制的同时，位移响应不容忽视，应重视其限位复位装置的保护设计。

图8 地震烈度对结构动力响应的影响

3.3 摩擦系数的影响分析

图9是滑移层摩擦系数对结构动力响应的影响。由图9a和b可知：

(1)随着摩擦系数的增加，复合隔震建筑底部剪力幅值和顶点加速度幅值的变化趋势相同。

(2)在同一烈度条件下，随着滑移层摩擦系数的增大，上部结构底部剪力幅值和顶点加速度幅值呈增长趋势。表明摩擦系数是复合隔震结构重要影响因素，摩擦系数越小，对上部结构地震作用传递控制越好。

(3)当摩擦系数大于0.3之后，不同地震烈度输入下的曲线斜率分布出现差异，其中地震烈度越大的曲线斜率越大。表明摩擦系数过大之后，对高烈度地区的隔震效果有限。

图9c显示出摩擦系数对复合隔震建筑上部结构滑移位移幅值影响的规律：

(1)上部结构滑移位移幅值随滑移层摩擦系数的增大而逐渐减小。表明摩擦系数越大，在相同地震烈度输入下，其滑动隔震能力越弱。

(2)当滑移层摩擦系数增大到0.3时，各工况曲线斜率降幅驱缓，尤其是地震烈度输入较低的曲线(220 gal，310 gal)滑动量较小，其表现也验证了加速度响应的结果，即要获得较好的隔震效果，摩擦系数不宜过大。

图9 滑移层摩擦系数对结构动力响应的影响

为进一步获得不同烈度区适宜的滑移层摩擦系数取值，图10给出了结构的隔震率与滑移层摩擦系数、地震烈度的关系,

隔震率=

当设计中明确了预期隔震率后，可以从图10中便捷查得各个设防烈度区应有的滑移层摩擦系数取值范围。按照建筑抗震设计规范第12章第12.2.5条[19]对隔震结构的规定，预设隔震率为40%，上部结构可降低一度进行设防。

图10 摩擦系数对复合隔震房屋隔震率影响的曲线

从上述分析可见，基于40%隔震率条件下，单层房屋的滑移层摩擦系数建议取值范围如下：7度区(0.1 g)应小于0.2，7度区(0.15 g)应小于0.3，8度区(0.2 g)应小于0.32，8度区(0.3 g)应小于0.35。

3.4 房屋层数的影响分析

村镇建筑多为1或2层，层数对房屋遭遇的地震作用大小有较大影响，也对复合隔震体系布置方案有影响，故本节对同一布置方案下的层数影响进行分析，以获取层数的影响规律及不同烈度区合理的布置方案。本文研究选取RH4TG045波8度罕遇地震作用(输入地震动加速度幅值400 gal)，滑移层摩擦系数为0.2工况的数据进行分析。

图11是房屋层数对结构动力响应的影响。

从图11a、b可见，两层房屋的底部剪力幅值和顶层加速度幅值均显著大于单层房屋，分别高81.31%和46.40%，隔震率提高13%左右，其原因为双层房屋的上部结构质量、刚度更大，其承受的地震作用更大。

从图11c可见，两层房屋相应的滑移位移也更大，位移曲线趋于水平，表明上部结构层间位移很小，整体趋于平动，即在8度罕遇地震下，摩擦系数取值0.2，对于单层和两层房屋都能够获得很好的隔震效果。

3.5 场地类别的影响分析

场地条件对地震动向上部结构传递的影响很大，主要体现在地震动峰值和频谱特性等方面，也将对体系的隔震效果带来一定影响。为研究其规律，本文进行了在相同地震波输入条件下Ⅰ1类、Ⅱ类、Ⅲ类不同场地类别对隔震效果影响的分析。

为选择3种场地类别适宜的地震波，分别重新选用与场地设计反应谱在统计意义上相吻合的3条人工波进行模拟计算，其对比如图12a所示。由图12b可见，3条地震波在峰值出现位置和下降段有较为明显的差异。因篇幅所限，仅选取3条人工波8度罕遇地震作用(地震动幅值为400 gal)，设计分组取第2组，滑移层摩擦系数为0.2的单层复合隔震房屋进行分析。

a—地震波 b—加速度反应谱

场地类别对复合隔震房屋结构动力响应的影响结果(图13)显示：上部结构底部剪力幅值和顶点加速度幅值随着场地类别由Ⅰ1类、Ⅱ类、Ⅲ类的变化逐渐减小，而滑移位移逐渐增大，表明软土地基条件下复合隔震房屋上部结构地震输入更小。其原因是土体的阻尼效应增大，本身就发挥了一定的滤波效果。另外，进一步说明在获得相同隔震效果的条件下，软土地基上的复合隔震砌体房屋滑移层摩擦系数取值可以比坚硬土体条件的更小。

图13 场地类别对结构动力响应的影响

4 结论

本文通过对复合隔震房屋模型进行动力弹塑性分析，得出地震烈度、滑移层摩擦系数、房屋层数及场地类别等因素对复合隔震建筑隔震性能的影响，具体结论如下：

(1)基础滑移层与砂垫层协同工作的复合隔震体系具有良好的隔震效果，获得越好的加速度和底部剪力隔震效果，上部结构滑移位移越大。因此，设计中应注意从构造措施上保证其滑移量得到满足。

(2)影响复合隔震结构隔震效果的主要因素是滑移层摩擦系数和地震烈度，地震烈度越高，摩擦系数越小，复合隔震结构的隔震效果越好；其次，在相同抗震设防区要获得相似的隔震效果，基于不同场地条件和层数的建造条件下，复合隔震房屋的滑移层摩擦系数取值应有所区分，场地条件越坚硬，摩擦系数取值越小，单层房屋相对于两层房屋，摩擦系数取值更小。

(3)在预设隔震率为40%的条件下，高烈度区单层复合隔震房屋的滑移层摩擦系数取值范围为：7度区(0.1 g)应小于0.2，7度区(0.15 g)应小于0.3，8度区(0.2 g)应小于0.32，8度区(0.3 g)应小于0.35。