農村建筑疊層竹板橡膠隔震支座的力學性能試驗研究*

婁晏寧, 胡穎平, 盛 濤, 吳 晨

(1 寧波大學土木與環境工程學院，寧波 315211；2 蘇州立誠建筑設計院有限公司，蘇州 215413)

0 概述

我國農村地域廣闊且經濟發展不均衡,農民自建房出于經濟成本考慮往往忽視其抗震設防要求,導致缺乏足夠抗震措施,地震危險性較大。在2008年汶川地震、2013年和2022年雅安地震中,抗震性能薄弱的農村建筑造成了大量人員傷亡和財產損失,致使農村建筑的抗震問題引起了社會各界的廣泛關注。近年來,相關學者對各地農村建筑震害進行了相關研究。張航華等[1]分析了農村各類型建筑物破壞的情況及原因,發現其普遍存在抗震能力低、材料性能差、監管力度弱等特點。潘毅等[2-3]比較了四川滬縣、長寧等地不同房屋結構在地震作用下的破壞情況,發現砌體結構在地震破壞中較為嚴重;劉建輝等[4]通過現場調研,發現云南寧蒗農村地區木結構房屋也存在較嚴重震害現象。自2016年起,我國地震局和建設主管部門提高了各類建筑物的抗震設防要求,且建議在農村建筑中推廣應用減隔震技術。但傳統鉛芯橡膠隔震支座造價高、資源消耗大,施工安裝難度高,不適合在量大面廣的農村地區推廣應用。為此,我國2021年發布的《建筑隔震設計標準》(GB/T 51408—2021)中明確要求農村建筑應優先選用重量輕、無復雜連接要求和施工簡便的隔震支座。但目前國內外能滿足這些要求的支座還較為缺乏。

李雅靜等[5]指出,目前農村建筑隔震措施主要包括基礎滑移隔震、橡膠墊層隔震、復合基礎隔震。James[6]應用纖維增強復合板(FRP)代替鋼板制作了疊層橡膠支座,大幅減輕了其重量,但復合板的平面外剛度較小,使其大剪切變形下的穩定性問題較突出。黃襄云等[7]將高分子纖維布與疊層橡膠硫化成整體,制作了簡易型隔震支座,通過減小尺寸來提高其穩定性。譚平等[8]利用短切纖維工程塑料板代替鋼板制作了疊層橡膠支座,降低了重量和造價。Turer、田原源等[9-10]將廢舊輪胎切割成墊片,將墊片粘接疊放后制作了簡易隔震支座,具有施工簡便、成本低廉等優勢。陳彪漢、才增霞等[11-12]也對疊層輪胎墊片的承載及隔震性能開展了試驗研究,發現其隔震性能較好。Losanno等[13-14]研究者通過數值模擬研究了再生橡膠-纖維增強板隔震支座,并結合喜馬拉雅山地區的農村建筑分析了其可行性。Katasmakat等[15]提出了一種低成本滾動橡膠隔振器,并證明了該隔振器可大大降低傳遞到上層建筑的加速度。以上支座應用于農村建筑時均具有可行性,但也存在一些不足。例如:Mohajeani等[16]認為廢舊輪胎中重金屬和化學品的毒性不適合在農村地區推廣應用;而纖維塑料板也難以降解,不具有綠色環保功能。除此之外,上述支座的加工過程也較為復雜,施工簡易性仍有待改進。

目前,在“碳達峰、碳中和”的戰略背景下,竹材的強大儲碳能力,較高的拉、壓強度和較輕的質量引起了人們高度重視,一度被認為是替代鋼材的最佳材料之一。此外,竹材種植難度低、生長周期短、取材方便、價格低廉,適合在農村地區大范圍推廣。本文以重組竹板代替鋼板,結合高強度冷粘型膠水,為農村建筑研發了一種低碳、低成本,且重量輕、無復雜連接要求,加工和施工難度低的疊層竹板橡膠隔震支座,并通過靜力和擬靜力試驗檢驗了新型支座的力學性能及可行性。

1 新型支座設計

新型疊層竹板橡膠隔震支座的三維剖視圖和實物圖如圖1所示,其僅包含重組竹板、橡膠片和鋼環三個組成部件。竹板和橡膠的接觸面應用高強度橡膠專用的518膠水粘接。該冷粘型加工方式對機械設備要求不高,且成本低廉,適合在農村地區推廣?？紤]到一般農村建筑的重量較輕,為降低其隔震頻率,橡膠片采用邵氏硬度HS35的天然橡膠,其剪切模量約0.35MPa。為使竹板順、橫紋向具有相近力學特性,且不喪失其橫紋向的平面外剛度,沿竹板外圍應用0.5mm厚的薄鋼片包裹加固,使竹板橫紋向拉力轉換為薄鋼片拉力。

圖1 新型支座圖

此外,如圖1所示,新型支座與傳統疊層鋼板橡膠隔震支座不同,其省去了與上、下部結構之間連接專用鋼板,可直接將支座嵌固在基礎和隔震層梁的預留空槽內,一方面簡化了隔震層施工流程,另一方面便于震后迅速更換隔震支座。

2 竹板的力學性能試驗

新型支座的隔震性能取決于加固重組竹板的壓剪力學性能及518膠水的粘接強度。本文結合高性能壓力試驗機和自制壓剪靜力加載裝置開展竹板的純壓試驗和壓剪試驗,以評估竹板和膠水的力學可靠性。

2.1 純壓試驗

試驗時采用如圖2(a)所示的直徑220mm、厚度10mm的加固重組竹板,按0.5kN/s的速率加載至30MPa。每間隔5MPa取下竹板觀察其裂縫變化情況。各級壓力下的試驗如圖2(b)、(c)所示。最后一次加載的力-位移曲線如圖2(d)所示。

圖2 重組竹純壓試驗圖

試驗結果表明:1)竹板在純壓狀態下的裂縫均沿順紋向發展,橫紋向沒有裂縫;2)竹板具有較高的抗壓承載力,加載至15MPa時出現細微裂縫,加載至20MPa時出現貫通型裂縫;3)薄鋼環可顯著抑制竹板裂縫寬度,使其保持整體性,因此可顯著提升竹板的抗壓強度。

《建筑隔震設計標準》(GB/T 51408—2021)[17]建議農村建筑簡易隔震支座的豎向壓應力設計值為5MPa。根據本文純壓試驗結果,竹板的安全承載系數遠高于3,因此具有較高冗余度。

2.2 壓剪試驗

仿照疊層鋼板橡膠隔震支座的試驗方法,設計了如圖3(a)、(b)所示的竹板壓剪試驗裝置。該裝置主體結構為水平向單向拉伸自反力架,由力傳感器測試其水平剪力,由千分尺測試其水平位移。

圖3 重組竹壓剪試驗圖

試驗時將該裝置固定于2 000kN壓力試驗機內,施加5MPa恒定豎向壓應力。再依據《橡膠支座 第1部分:隔震橡膠支座試驗方法》(GB/T 20688.1—2007)[18],在竹板的上、下表面粘貼橡膠片,通過推動橡膠片給竹板施加剪力。因此,試驗結果還可用于評估冷粘膠水的粘結強度。試驗過程中觀察竹板的開裂情況,記錄力-位移曲線。最終狀態下的竹板及其力-位移曲線如圖3(c)、(d)所示,剪應力最大值為1.5MPa。

試驗時,順紋向加載的竹板未出現任何裂縫,說明其順紋向強度較高。橫紋向加載時,當剪應力達到1MPa時,竹板發出明顯聲響,證明其部分纖維出現斷裂和重排列情況,其剪切剛度也有所降低。繼續沿橫紋向加載至1.5MPa時,聲響較大,停止加載。高溫環境下將膠水融化后,發現其出現如圖3(c)所示的兩條貫通型裂縫,但竹板外觀完整,仍具承載力。

當竹板壓應力為5MPa時,等效為承重170kN,若隔震周期為1.5s,場地特征周期為0.25s(山區),設防烈度為9度,由式(1)可知,罕遇地震時竹板的最大剪力為48kN,等效為1.5MPa。

(1)

式中:α為水平影響系數;Tg為場地特征周期;T為隔震周期;αmax為水平影響系數最大值;Gek為建筑重力荷載代表值;Fek為水平地震作用標準值。

由此可知,重組竹板經過薄鋼環加固后具有良好的壓剪復合受力性能,可滿足《建筑隔震設計標準》(GB/T 51408—2021)中高烈度區農村建筑承載所需。此外,上述試驗過程中并未出現膠水剝離現象,證明518膠水粘接強度可靠。且由圖3(d)可知,竹板順、橫紋向的力學性能相近,可近似為各向同性,證明薄鋼片可顯著提升竹板縱橫向整體性。

3 某農村建筑基礎隔震設計

3.1 農村建筑概況

為響應新農村建設號召,以四川省汶川縣某兩層農居建筑為例,應用新型支座設計基礎隔震方案。該建筑所在建設場地的抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度0.2g,場地類別Ⅰ1類(山區),設計地震分組為第一組(近震)。該建筑采用砌體結構,建筑面積約200m2,其建筑立面圖和平面圖分別如圖4(a)、(b)所示,隔震層支座布置圖如圖4(c)所示,其擬應用12個新型隔震支座。根據結構設計圖紙估算得到其總重力荷載代表值約2 000kN,分配到每個支座上的重力荷載代表值如圖4(c)所示。

圖4 汶川縣某農村建筑

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(2016年版)[19](簡稱抗規)相關要求,隔震支座的尺寸選取不僅要滿足壓應力限值,還要滿足變形性能。同時考慮到農村建筑體量小,扭轉變形不明顯,支座選型宜統一,以便加工、運輸和安裝,因此統一采用直徑220mm的支座作為基礎隔震方案,每個支座的壓應力如圖4(c)所示,最大值5MPa,滿足規范中的壓應力要求。

3.2 基礎隔震設計

為了滿足抗規中的變形性能要求,新型支座的尺寸如圖5所示,采用9層橡膠片和10層竹板。其中,竹板與薄鋼片的厚度、直徑等尺寸與第2節相同。為保證支座具有良好穩定性,需要盡量減小橡膠層總厚度,為了抵御罕遇地震,支座需要具有較大的水平向變形能力。綜合上述要求,選取HS35、厚度4mm、直徑210mm的軟橡膠墊,與竹板形成“內嵌”結構,可使橡膠片的壓剪應力均勻化。

圖5 新型支座尺寸圖

支座的第一形狀系數S1為13.1,第二形狀系數S2為5.8,穩定性良好。在實際應用時,支座外圍增設橡膠保護層,防水防潮及防蟲蛀,也可以防老化和腐蝕等問題。

傳統疊層鋼板橡膠隔震支座的抗剪剛度KH計算公式如式(2)所示。其中,G為橡膠材料的剪切彈性模量;A為橡膠板平板面積;h為橡膠層總厚度。根據HS35天然橡膠的剪切模量估算得到新型支座的剪切剛度約0.3kN/mm。

(2)

此時,該農村建筑的隔震剛度為3.6kN/mm,對應的隔震周期為1.5s。根據式(1)所示的反應譜法計算得到隔震層在小震、中震和大震時的水平地震作用標準值約9.3、19.02、28.5kN。對應的剪應變分別為88%、176%和264%,滿足抗規中“支座極限剪切變形應小于橡膠層總厚度的300%及0.55倍的有效直徑”相關要求。

根據原材料市場價格,每塊重組竹板約10～20元,每塊橡膠板約10元,不銹鋼條價格約5元/m,518膠水約25元/100ml。實際加工過程發現每個支座材料成本不足500元。包含隔震層梁及各類預埋件的材料成本以及施工中的人工成本后,預估采用隔震技術增加的費用不超過1萬元。應用隔震技術后,還可適當減少圈梁、構造柱的數量,因此該隔震建筑的建設成本相當低廉,更具推廣價值。

4 支座的隔震性能試驗

4.1 試驗方案

為證明新型支座的隔震性能,如圖6所示,結合高性能MTS作動器和自制的豎向自反力架,開展“雙剪”擬靜力試驗。該試驗方法不受試驗設備摩擦力的干擾,可準確評估支座的阻尼性能。

圖6 試驗裝置圖

參照《橡膠支座 第1部分:隔震橡膠支座試驗方法》(GB/T 20688.1—2007),試驗時固定支座的豎向壓應力為5MPa,按位移控制水平向加載進程,加載速度為1mm/s。另外,按抗規要求,沿縱、橫紋向分別加載至100%、200%和300%剪應變,對應小震、中震和大震三種情況,各剪應變下均往復循環3次。之后再沿橫紋向按300%剪應變往復加載20次,評估其抵抗主震、余震多次影響的能力。

4.2 剪應變100%的試驗結果及分析

沿順紋方向加載得到的滯回曲線如圖7(a)所示,沿橫紋方向的滯回曲線如圖7(b)所示。參照《橡膠支座 第1部分:隔震橡膠支座試驗方法》(GB/T 20688.1—2007),選取剪應變25%時的剪力計算其剪切剛度,并取平均值,同時根據滯回圈面積計算其等效阻尼比。其計算公式如式(3)、(4)所示。得到的等效剛度和等效阻尼比如表1所示。

(3)

表1 小震下支座的等效剛度和等效阻尼比

圖7 小震下的滯回曲線

(4)

式中:Kh為支座等效剛度;heq為支座等效阻尼比;X1為剪切位移最大值,mm;X2為剪切位移最小值,mm;Q1為剪切位移最大值對應的剪力值,kN;Q2為剪切位移最小值對應的剪力值,kN;ΔW為滯回曲線包絡面積。

試驗結果表明:1)新型支座沿順、橫紋向加載時,竹板未出現任何裂縫,各循環周期內的滯回曲線穩定;2)沿順紋加載時的剪切剛度大于橫紋向約20%,這主要由于竹纖維沿順紋向的彈性模量更大;3)支座沿順、橫紋向的等效阻尼比相近。

4.3 剪應變200%的試驗結果及分析

剪應變為200%時,沿順紋方向加載得到的滯回曲線如圖8(a)所示,沿橫紋方向的滯回曲線如圖8(b)所示。根據滯回圈計算得到的等效剛度和等效阻尼比如表2所示。

表2 中震下支座的等效剛度和等效阻尼比

試驗結果表明:1)由小震到中震,支座沿順紋向加載時的剪切剛度降低了約20%,橫紋向剪切剛度降低幅度較小,證明薄鋼片起到了約束橫紋向的作用;2)中震時,支座在加載過程中出現劈裂響聲,說明竹板出現了少量裂縫;3)各循環周期內的滯回曲線穩定,說明支座保持完整;4)由于少量竹板開裂,其耗能過程使支座沿順、橫紋向的等效阻尼比略有增加。

4.4 剪應變300%的試驗結果及分析

剪應變為300%時,沿順紋方向加載得到的滯回曲線如圖9(a)所示,沿橫紋方向的滯回曲線如圖9(b)所示。根據滯回圈計算得到的剪切剛度和等效阻尼比如表3所示。

表3 大震下支座的等效剛度和等效阻尼比

圖9 大震下的滯回曲線

試驗結果表明:1)大震時,支座沿順紋向的剪切剛度相對于小震降低了約33%,橫紋向剪切剛度僅略微降低,進一步證明薄鋼片顯著提升了橫紋向力學性能;2)大震時,支座在加載過程中的劈裂響聲增大,說明竹板出現了較多裂縫;3)各循環周期內的滯回曲線基本穩定,說明支座仍可有效承載;4)竹板的開裂進一步增加了耗能,支座沿順、橫紋向的等效阻尼比增加至7%～9.2%,近似于高阻尼支座。

4.5 主震余震多次影響的試驗結果及分析

沿橫紋向按300%剪應變往復加載20次得到的滯回曲線如圖10所示。根據滯回圈計算得到的剪切剛度和等效阻尼比漸變過程如圖11所示。

圖10 各循環次數時的滯回曲線

圖11 剪切剛度和等效阻尼比

試驗結果表明:1)隨著循環次數增加,剪切剛度逐漸降低,其降低過程呈線性變化規律;2)同時,滯回曲線的形狀變化不大,但面積逐漸增加,說明竹板力學性能雖呈現退化,但仍可有效承載;3)隨著循環次數增加,等效阻尼比由10%逐漸增加至20%,證明竹板的裂縫數量進一步增加,耗能能力進一步加強,有助于減隔震。

另外,根據試驗現象可以發現:新型支座沿順橫紋向的所有橡膠層剪切變形均相同,均能協同工作,證明新型支座的整體性較好。在地震作用下,地震動的能量首先轉化為橡膠的彈性應變能,并由橡膠墊本身的阻尼對能量進行耗散。隨著地震強度的提高,竹板出現開裂,在不影響承載能力的情況下,重組竹自身的阻尼性能得以發揮,整體支座的等效阻尼比也得以加強。

綜上所述,隨著地震等級的增加,支座沿順紋向的剪切剛度顯著降低,橫紋向剪切剛度僅略微降低,這說明薄鋼片提升了橫紋向力學性能;隨著地震等級的增加,支座順紋向等效阻尼比變化不大,僅在大震時等效阻尼有明顯增加,但支座橫紋向等效阻尼比隨著地震等級增加有著明顯提高。這主要是由于竹纖維沿順紋向彈性模量較大,較之于橫向可以抵抗更大的水平力作用,因此橫紋向竹板開裂引起的耗能比順紋向更為顯著,等效阻尼比增加更為明顯。

5 結論

(1)竹板承壓時裂縫均沿橫紋向發展,15MPa出現少量裂縫,20MPa出現貫通裂縫,竹板性能滿足規范要求。

(2)竹板在承壓5MPa,承剪1.5MPa時未出現嚴重破壞,可繼續抵御壓剪復合力,原理上可滿足高烈度區農村建筑的承載及隔震所需。

(3)以四川省汶川縣兩層農村建筑為例,配置適當數量的新型隔震支座,其性能可滿足規范要求,且造價低廉利于推廣。

(4)小震時竹板未出現裂縫,滯回曲線穩定,順紋向等效剛度略高于橫紋向,等效阻尼比接近;中震時竹板出現少量裂縫,滯回曲線穩定,順紋等效剛度降低較橫紋明顯,等效阻尼比略有增加;大震時竹板出現較多裂縫,滯回曲線穩定,等效剛度繼續降低,等效阻尼比顯著增加至10%,與高阻尼支座接近。

(5)以300%剪應變橫紋向為例,隨著加載循環次數的增加,剪切剛度呈線性略有降低,滯回圈形狀不變,面積增大;加載循環20次后,等效阻尼比提高至17%,竹板大面積開裂,且部分鋼片脫落,但支座的整體性和力學穩定性不受影響。

綜上所述,新型支座具有較高的抗壓、抗剪承載力,且力學性能穩定,低碳環保、經濟節約,適合在農村地區推廣使用,具有良好的發展前景。