黏弹性阻尼器加固穿斗式木结构振动台试验研究*

赵 聪，陶 忠，戴必辉，高永林，戴金沙

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650031； 2.云南省工程抗震研究所，云南 昆明 650031；3.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224； 4.昆明理工大学建筑与城市规划学院，云南 昆明 650031)

0 引言

我国西南地区广泛存在穿斗式木结构民居，为继续发挥其艺术和经济价值，多位学者开展了相关研究，如薛建阳等[1-2]对木结构模型进行了振动台试验研究，得到了结构自振周期和耗能能力等；隋等[3]以古建筑木结构铺作层与柱架为研究对象，对其抗震性能进行了分析；谢启芳等[4-5]以古木结构直榫及燕尾榫为研究对象开展抗震试验，并分析其抗震性能。部分木结构房屋具有较好的抗震性能[6]，但在某些灾害调查中发现，穿斗式木结构房屋在地震中受到一定程度的损害[7-8]。已有学者对钢筋混凝土结构抗震与加固开展了大量研究[9-11]，但对木结构加固的研究较少，为此，以穿斗式木结构为例，对抗震加固措施进行研究。

1 试验概况

基于自主研发适用于木结构加固的黏弹性阻尼器——栉固阻尼器开展振动台试验，参照云南传统民居“一颗印”相关做法，制作2层穿斗式木结构传统民居作为试验模型，如图1，2所示。本试验的主要目的在于通过输入不同地震波，研究设置阻尼器和未设置阻尼器的结构模型(分别对应加固模型和未加固模型)加速度、层间位移角、位移、应变、节点转角等，为阻尼材料设计提供数据支撑，为阻尼器产品设计提供理论依据。

图1 试验模型示意

图2 试验模型实物

2 荷载设计

本试验荷载按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》相关规定取值，楼、屋面活荷载标准值分别取为2.0，0.5kN/m2，考虑地震作用下楼面活荷载组合系数取为0.5。因木结构房屋通常不铺设楼板，0.1kN/m2的楼板恒荷载利用砂袋模拟(实际配重100kg/m2)。屋面荷载依据实际瓦片质量计算，取综合地震作用组合的计算荷载。因构件截面和节点均按足尺设计，为满足振动台尺寸要求，并使节点内力更符合实际情况，略减小了房屋开间和进深，根据课题组前期试验结果，模型配重取计算荷载的2.0倍。木材材料特性试验结果如表1所示。

表1 木材材料特性

3 栉固阻尼器

为有效地对受到破坏的木结构节点进行加固，课题组前期研发了第1代黏弹性橡胶阻尼器，如图3a所示。后经改进，得到第2代黏弹性橡胶阻尼器——栉固阻尼器，如图3b所示。栉固阻尼器为扇形，由高强度钢板和高阻尼丁基橡胶组成，钢板与木结构中的梁、枋和柱通过长螺栓连接，当钢板在地震作用下发生相对转动时，钢板之间的橡胶发生剪切变形，消耗地震能量。

图3 阻尼器示意

4 加载与测试

4.1 加载方案

本试验选择天然波El-Centro波、2021年5月21日漾濞6.4级地震中漾濞台(距震中7.9km)记录到的EW向地震波、与设计反应谱相差≤20%的天然人工波作为激励，加载工况如表2所示。试验开始后及每级加载结束后均使用白噪声进行扫描，从而获得结构动力特性。

4.2 阻尼器布置

将阻尼器布置在木结构模型各层梁与柱、梁与枋的节点处，试验开始前需进行第1次白噪声扫描。

4.3 测点布置

将安装完成的模型置于振动台上，模型x轴为东、西方向，y轴为南、北方向，油泵位于模型北侧，控制室位于模型西南侧。加速度传感器布置如图4所示，应变片布置如图5所示，拉线式位移计布置如图6所示。

图4 加速度传感器布置

图6 拉线式位移计布置

5 试验结果与分析

5.1 试验现象

按照破坏现象和剧烈程度可将试验过程分为以下阶段。

1)第1阶段

此阶段为8度多遇地震(加速度峰值为0.07g)阶段，加固模型沿平面外x向轻微晃动，1层柱晃动不明显，尤其是沿平面外y向几乎不动，结构沿x，y向晃动时均发出轻微的“吱吱”声。未加固模型2层楼面以上沿x向有明显晃动，2层楼面以下沿x，y向几乎未晃动。

2)第2阶段

此阶段为8度基本地震(加速度峰值为0.20g)阶段，加固模型沿x，y向均发生了较大程度的晃动，x向晃动幅度较大，但剧烈程度较轻。未加固模型整体沿x向晃动幅度较大，2层结构沿y向晃动幅度较大，且发出的声音较大。

3)第3阶段

此阶段为8度罕遇地震(加速度峰值为0.40g)阶段，加固模型y向晃动幅度变大，同时伴随的“吱吱”声音更大，2层结构晃动更剧烈，屋脊处晃动幅度最大。

4)第4阶段

此阶段为破坏阶段，加固模型在9度罕遇地震(加速度峰值为0.62g)作用下柱开裂，如图7a所示，由于节点晃动剧烈，阻尼器螺栓与木材摩擦，使木屑不断掉落。加固模型在9度强罕遇地震(加速度峰值为0.95g)作用下，柱开裂较普遍，同时阻尼器固定螺栓被拔出，如图7b所示。

图7 试验现象

5.2 破坏特征分析

1)因穿斗式木结构传统民居较简单，未将柱脚插入础石中，本试验制作模型时仅将柱搁置于混凝土板上。在地震作用下，柱脚发生跳动，并与台面发生相对滑动，使地脚枋脱落，产生卯口，起一定隔震作用。设置阻尼器后，结构相对滑动位移减小，阻尼器起到了良好的减震耗能作用。

2)因采用特殊的穿枋和斗枋结构，可在地震作用下反复拔榫，因此具有良好的耗能能力。设置阻尼器后，连接节点稳定性增强，不仅提高了结构刚度，且阻尼器自身的耗能能力提高了结构抗震能力。

3)因榫卯节点具有半刚性特点，在未设置阻尼器的情况下易发生几何变位，当峰值加速度达0.40g后，未加固模型开始出现倾斜，但始终未破坏，结构满足“墙倒屋不塌”的要求。设置阻尼器后，结构刚度增大，变形减小，满足正常使用极限状态要求。

5.3 结构力学特性

获得结构加速度响应后，通过传递函数计算结构自振频率、阻尼比等相关动力特性参数。通过分析可知，施加地震激励前、后结构频率变化较小，频谱曲线几乎重合，说明结构刚度变化较小，基本未受损伤。

5.3.1加速度

以安装在台面的加速度传感器测得的加速度最大值为基准，安装在其他位置处的加速度传感器测得的加速度最大值除以该基准值得到相应位置处加速度放大系数β，用于评定各位置处加速度响应，如图8所示。由图8可知，不同位置处加速度放大系数为0.6～2.1，低于一般钢筋混凝土结构房屋的加速度放大系数(2～4)，说明穿斗式木结构房屋自身的耗能减震能力较强。当输入峰值加速度为0.07g，0.20g时，阻尼器减震作用不明显。当输入峰值加速度达0.40g后，加速度放大系数减小幅度较大，这主要是因为穿斗式木结构房屋自身具有较好的抗震性能，当外界输入的地震作用较小时，结构自身可抵御，使阻尼器未进入减震耗能工作中。当输入峰值加速度为0.62g，0.95g时，虽无未加固模型加速度放大系数数据，但与输入峰值加速度0.40g相比，加固模型加速度放大系数增大不明显，说明在大烈度地震作用下阻尼器性能可得到较好的发挥。x向地震作用下屋脊处加速度放大系数均大于2层楼面，说明在x向屋脊处存在一定鞭鞘效应，使加速度反应稍强。

图8 结构加速度放大系数

5.3.2位移

通过拉线式位移计采集的数据分析不同位置处最大相对位移及最大层间位移角(见图9，10)，其中，最大相对位移为不同位置处的位移与台面位移差值的最大值。由图9可知，对于未加固模型，随着输入峰值加速度的不断增大，不同位置处最大相对位移增大。对于加固模型，随着输入峰值加速度的不断增大，不同位置处最大相对位移同样增大。当输入峰值加速度相同时，加固模型最大相对位移较小。当输入漾濞波和人工波时，1层楼面x向最大相对位移出现较大值，说明结构内部发生了一定程度的损伤， 使结构刚度退化较快。 当输入漾濞波且峰值加速度为0.40g时，加固模型与未加固模型均在2层楼面处y向最大相对位移出现较大值，说明2层楼面沿y向发生了损伤，使结构刚度退化较快。x向最大相对位移整体上大于y向，这说明模型y向整体刚度较x向大，这也解释了模型x向晃动幅度较大的试验现象。设置阻尼器后，模型x向晃动幅度明显减小，表明阻尼器在x向发挥的作用更大。

图9 结构最大相对位移

由图10可知，随着输入加速度峰值的不断增大，结构最大层间位移角增大。设置阻尼器后，结构最大层间位移角得到了较好的控制。

图10 结构最大层间位移角

5.3.3应变

地震作用下榫卯节点会成为结构薄弱环节，但由于榫头和卯口无法布置应变片，且课题组前期研究成果已证明阻尼器加固后的节点不再是薄弱环节，节点受力被阻尼器承担，传至与其连接的梁、柱和枋，因此对柱端部分测点应变进行分析(见图11)。

图11 柱应变

由图11可知，随着输入峰值加速度的不断增大，柱端拉应变和压应变均增大，根据材料性能试验结果可知，未达到材料变形极限。

5.3.4剪力

对结构层间剪力与基底总剪力比值进行分析，可知剪力分布基本与楼层质量成正比，2层楼面剪力占总剪力的比值较小，约为10%，1层楼面与屋脊剪力占总剪力的比值相当，各占约45%。

5.3.5弯矩

当输入峰值加速度为0.62g，0.95g时，虽无未加固模型柱弯矩数据，但与输入峰值加速度0.40g相比，加固模型柱弯矩有所增大，说明阻尼器吸收了应由榫卯节点承受的弯矩，将其传至柱端。

5.3.6应力

与结构对称性相对应，柱应力分布也具有较高的对称性，即与荷载输入方向垂直的同排柱受力特性相似，处于侧边中部位置的柱所受荷载较大。加固模型中柱应力分布较复杂，说明设置阻尼器后，柱部分应力发生了重分布，这是因为阻尼器是通过螺钉钉入木材中，从而实现固定，受钉入角度和深度影响，加之人员操作时的不可控人为因素，使木材内部发生无规律变化，从而导致设置阻尼器后应力分布较复杂。

6 结语

1)栉固阻尼器可为结构提供附加阻尼和附加刚度，设置阻尼器加固的结构地震响应较小，可知阻尼器减震加固效果较好。

2)栉固阻尼器在大震下的耗能效率更高，小震时穿斗式木结构房屋自身的抗震能力可抵抗地震作用，使阻尼器无法进入工作阶段。

3)栉固阻尼器对结构刚度较低的x向一侧加固效果更明显。

4)设置栉固阻尼器加固后，阻尼器会承担榫卯节点处的弯矩和能量，并将一部分荷载传至梁、枋和柱端，造成应力重分布，重分布的荷载均在安全范围内，因此阻尼器可提高木结构材料利用率。

5)阻尼器失效源自固定螺栓的拔出，而非自身的破坏，建议对连接方式进行一定优化处理。