娄晏宁, 胡颖平, 盛 涛, 吴 晨

(1 宁波大学土木与环境工程学院，宁波 315211；2 苏州立诚建筑设计院有限公司，苏州 215413)

0 概述

我国农村地域广阔且经济发展不均衡,农民自建房出于经济成本考虑往往忽视其抗震设防要求,导致缺乏足够抗震措施,地震危险性较大。在2008年汶川地震、2013年和2022年雅安地震中,抗震性能薄弱的农村建筑造成了大量人员伤亡和财产损失,致使农村建筑的抗震问题引起了社会各界的广泛关注。近年来,相关学者对各地农村建筑震害进行了相关研究。张航华等[1]分析了农村各类型建筑物破坏的情况及原因,发现其普遍存在抗震能力低、材料性能差、监管力度弱等特点。潘毅等[2-3]比较了四川沪县、长宁等地不同房屋结构在地震作用下的破坏情况,发现砌体结构在地震破坏中较为严重;刘建辉等[4]通过现场调研,发现云南宁蒗农村地区木结构房屋也存在较严重震害现象。自2016年起,我国地震局和建设主管部门提高了各类建筑物的抗震设防要求,且建议在农村建筑中推广应用减隔震技术。但传统铅芯橡胶隔震支座造价高、资源消耗大,施工安装难度高,不适合在量大面广的农村地区推广应用。为此,我国2021年发布的《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)中明确要求农村建筑应优先选用重量轻、无复杂连接要求和施工简便的隔震支座。但目前国内外能满足这些要求的支座还较为缺乏。

李雅静等[5]指出,目前农村建筑隔震措施主要包括基础滑移隔震、橡胶垫层隔震、复合基础隔震。James[6]应用纤维增强复合板(FRP)代替钢板制作了叠层橡胶支座,大幅减轻了其重量,但复合板的平面外刚度较小,使其大剪切变形下的稳定性问题较突出。黄襄云等[7]将高分子纤维布与叠层橡胶硫化成整体,制作了简易型隔震支座,通过减小尺寸来提高其稳定性。谭平等[8]利用短切纤维工程塑料板代替钢板制作了叠层橡胶支座,降低了重量和造价。Turer、田原源等[9-10]将废旧轮胎切割成垫片,将垫片粘接叠放后制作了简易隔震支座,具有施工简便、成本低廉等优势。陈彪汉、才增霞等[11-12]也对叠层轮胎垫片的承载及隔震性能开展了试验研究,发现其隔震性能较好。Losanno等[13-14]研究者通过数值模拟研究了再生橡胶-纤维增强板隔震支座,并结合喜马拉雅山地区的农村建筑分析了其可行性。Katasmakat等[15]提出了一种低成本滚动橡胶隔振器,并证明了该隔振器可大大降低传递到上层建筑的加速度。以上支座应用于农村建筑时均具有可行性,但也存在一些不足。例如:Mohajeani等[16]认为废旧轮胎中重金属和化学品的毒性不适合在农村地区推广应用;而纤维塑料板也难以降解,不具有绿色环保功能。除此之外,上述支座的加工过程也较为复杂,施工简易性仍有待改进。

目前,在“碳达峰、碳中和”的战略背景下,竹材的强大储碳能力,较高的拉、压强度和较轻的质量引起了人们高度重视,一度被认为是替代钢材的最佳材料之一。此外,竹材种植难度低、生长周期短、取材方便、价格低廉,适合在农村地区大范围推广。本文以重组竹板代替钢板,结合高强度冷粘型胶水,为农村建筑研发了一种低碳、低成本,且重量轻、无复杂连接要求,加工和施工难度低的叠层竹板橡胶隔震支座,并通过静力和拟静力试验检验了新型支座的力学性能及可行性。

1 新型支座设计

新型叠层竹板橡胶隔震支座的三维剖视图和实物图如图1所示,其仅包含重组竹板、橡胶片和钢环三个组成部件。竹板和橡胶的接触面应用高强度橡胶专用的518胶水粘接。该冷粘型加工方式对机械设备要求不高,且成本低廉,适合在农村地区推广。考虑到一般农村建筑的重量较轻,为降低其隔震频率,橡胶片采用邵氏硬度HS35的天然橡胶,其剪切模量约0.35MPa。为使竹板顺、横纹向具有相近力学特性,且不丧失其横纹向的平面外刚度,沿竹板外围应用0.5mm厚的薄钢片包裹加固,使竹板横纹向拉力转换为薄钢片拉力。

图1 新型支座图

此外,如图1所示,新型支座与传统叠层钢板橡胶隔震支座不同,其省去了与上、下部结构之间连接专用钢板,可直接将支座嵌固在基础和隔震层梁的预留空槽内,一方面简化了隔震层施工流程,另一方面便于震后迅速更换隔震支座。

2 竹板的力学性能试验

新型支座的隔震性能取决于加固重组竹板的压剪力学性能及518胶水的粘接强度。本文结合高性能压力试验机和自制压剪静力加载装置开展竹板的纯压试验和压剪试验,以评估竹板和胶水的力学可靠性。

2.1 纯压试验

试验时采用如图2(a)所示的直径220mm、厚度10mm的加固重组竹板,按0.5kN/s的速率加载至30MPa。每间隔5MPa取下竹板观察其裂缝变化情况。各级压力下的试验如图2(b)、(c)所示。最后一次加载的力-位移曲线如图2(d)所示。

图2 重组竹纯压试验图

试验结果表明:1)竹板在纯压状态下的裂缝均沿顺纹向发展,横纹向没有裂缝;2)竹板具有较高的抗压承载力,加载至15MPa时出现细微裂缝,加载至20MPa时出现贯通型裂缝;3)薄钢环可显著抑制竹板裂缝宽度,使其保持整体性,因此可显著提升竹板的抗压强度。

《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)[17]建议农村建筑简易隔震支座的竖向压应力设计值为5MPa。根据本文纯压试验结果,竹板的安全承载系数远高于3,因此具有较高冗余度。

2.2 压剪试验

仿照叠层钢板橡胶隔震支座的试验方法,设计了如图3(a)、(b)所示的竹板压剪试验装置。该装置主体结构为水平向单向拉伸自反力架,由力传感器测试其水平剪力,由千分尺测试其水平位移。

图3 重组竹压剪试验图

试验时将该装置固定于2 000kN压力试验机内,施加5MPa恒定竖向压应力。再依据《橡胶支座 第1部分:隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007)[18],在竹板的上、下表面粘贴橡胶片,通过推动橡胶片给竹板施加剪力。因此,试验结果还可用于评估冷粘胶水的粘结强度。试验过程中观察竹板的开裂情况,记录力-位移曲线。最终状态下的竹板及其力-位移曲线如图3(c)、(d)所示,剪应力最大值为1.5MPa。

试验时,顺纹向加载的竹板未出现任何裂缝,说明其顺纹向强度较高。横纹向加载时,当剪应力达到1MPa时,竹板发出明显声响,证明其部分纤维出现断裂和重排列情况,其剪切刚度也有所降低。继续沿横纹向加载至1.5MPa时,声响较大,停止加载。高温环境下将胶水融化后,发现其出现如图3(c)所示的两条贯通型裂缝,但竹板外观完整,仍具承载力。

当竹板压应力为5MPa时,等效为承重170kN,若隔震周期为1.5s,场地特征周期为0.25s(山区),设防烈度为9度,由式(1)可知,罕遇地震时竹板的最大剪力为48kN,等效为1.5MPa。

(1)

式中:α为水平影响系数;Tg为场地特征周期;T为隔震周期;αmax为水平影响系数最大值;Gek为建筑重力荷载代表值;Fek为水平地震作用标准值。

由此可知,重组竹板经过薄钢环加固后具有良好的压剪复合受力性能,可满足《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)中高烈度区农村建筑承载所需。此外,上述试验过程中并未出现胶水剥离现象,证明518胶水粘接强度可靠。且由图3(d)可知,竹板顺、横纹向的力学性能相近,可近似为各向同性,证明薄钢片可显著提升竹板纵横向整体性。

3 某农村建筑基础隔震设计

3.1 农村建筑概况

为响应新农村建设号召,以四川省汶川县某两层农居建筑为例,应用新型支座设计基础隔震方案。该建筑所在建设场地的抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度0.2g,场地类别Ⅰ1类(山区),设计地震分组为第一组(近震)。该建筑采用砌体结构,建筑面积约200m2,其建筑立面图和平面图分别如图4(a)、(b)所示,隔震层支座布置图如图4(c)所示,其拟应用12个新型隔震支座。根据结构设计图纸估算得到其总重力荷载代表值约2 000kN,分配到每个支座上的重力荷载代表值如图4(c)所示。

图4 汶川县某农村建筑

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[19](简称抗规)相关要求,隔震支座的尺寸选取不仅要满足压应力限值,还要满足变形性能。同时考虑到农村建筑体量小,扭转变形不明显,支座选型宜统一,以便加工、运输和安装,因此统一采用直径220mm的支座作为基础隔震方案,每个支座的压应力如图4(c)所示,最大值5MPa,满足规范中的压应力要求。

3.2 基础隔震设计

为了满足抗规中的变形性能要求,新型支座的尺寸如图5所示,采用9层橡胶片和10层竹板。其中,竹板与薄钢片的厚度、直径等尺寸与第2节相同。为保证支座具有良好稳定性,需要尽量减小橡胶层总厚度,为了抵御罕遇地震,支座需要具有较大的水平向变形能力。综合上述要求,选取HS35、厚度4mm、直径210mm的软橡胶垫,与竹板形成“内嵌”结构,可使橡胶片的压剪应力均匀化。

图5 新型支座尺寸图

支座的第一形状系数S1为13.1,第二形状系数S2为5.8,稳定性良好。在实际应用时,支座外围增设橡胶保护层,防水防潮及防虫蛀,也可以防老化和腐蚀等问题。

传统叠层钢板橡胶隔震支座的抗剪刚度KH计算公式如式(2)所示。其中,G为橡胶材料的剪切弹性模量;A为橡胶板平板面积;h为橡胶层总厚度。根据HS35天然橡胶的剪切模量估算得到新型支座的剪切刚度约0.3kN/mm。

(2)

此时,该农村建筑的隔震刚度为3.6kN/mm,对应的隔震周期为1.5s。根据式(1)所示的反应谱法计算得到隔震层在小震、中震和大震时的水平地震作用标准值约9.3、19.02、28.5kN。对应的剪应变分别为88%、176%和264%,满足抗规中“支座极限剪切变形应小于橡胶层总厚度的300%及0.55倍的有效直径”相关要求。

根据原材料市场价格,每块重组竹板约10～20元,每块橡胶板约10元,不锈钢条价格约5元/m,518胶水约25元/100ml。实际加工过程发现每个支座材料成本不足500元。包含隔震层梁及各类预埋件的材料成本以及施工中的人工成本后,预估采用隔震技术增加的费用不超过1万元。应用隔震技术后,还可适当减少圈梁、构造柱的数量,因此该隔震建筑的建设成本相当低廉,更具推广价值。

4 支座的隔震性能试验

4.1 试验方案

为证明新型支座的隔震性能,如图6所示,结合高性能MTS作动器和自制的竖向自反力架,开展“双剪”拟静力试验。该试验方法不受试验设备摩擦力的干扰,可准确评估支座的阻尼性能。

图6 试验装置图

参照《橡胶支座 第1部分:隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007),试验时固定支座的竖向压应力为5MPa,按位移控制水平向加载进程,加载速度为1mm/s。另外,按抗规要求,沿纵、横纹向分别加载至100%、200%和300%剪应变,对应小震、中震和大震三种情况,各剪应变下均往复循环3次。之后再沿横纹向按300%剪应变往复加载20次,评估其抵抗主震、余震多次影响的能力。

4.2 剪应变100%的试验结果及分析

沿顺纹方向加载得到的滞回曲线如图7(a)所示,沿横纹方向的滞回曲线如图7(b)所示。参照《橡胶支座 第1部分:隔震橡胶支座试验方法》(GB/T 20688.1—2007),选取剪应变25%时的剪力计算其剪切刚度,并取平均值,同时根据滞回圈面积计算其等效阻尼比。其计算公式如式(3)、(4)所示。得到的等效刚度和等效阻尼比如表1所示。

(3)

表1 小震下支座的等效刚度和等效阻尼比

图7 小震下的滞回曲线

(4)

式中:Kh为支座等效刚度;heq为支座等效阻尼比;X1为剪切位移最大值,mm;X2为剪切位移最小值,mm;Q1为剪切位移最大值对应的剪力值,kN;Q2为剪切位移最小值对应的剪力值,kN;ΔW为滞回曲线包络面积。

试验结果表明:1)新型支座沿顺、横纹向加载时,竹板未出现任何裂缝,各循环周期内的滞回曲线稳定;2)沿顺纹加载时的剪切刚度大于横纹向约20%,这主要由于竹纤维沿顺纹向的弹性模量更大;3)支座沿顺、横纹向的等效阻尼比相近。

4.3 剪应变200%的试验结果及分析

剪应变为200%时,沿顺纹方向加载得到的滞回曲线如图8(a)所示,沿横纹方向的滞回曲线如图8(b)所示。根据滞回圈计算得到的等效刚度和等效阻尼比如表2所示。

表2 中震下支座的等效刚度和等效阻尼比

试验结果表明:1)由小震到中震,支座沿顺纹向加载时的剪切刚度降低了约20%,横纹向剪切刚度降低幅度较小,证明薄钢片起到了约束横纹向的作用;2)中震时,支座在加载过程中出现劈裂响声,说明竹板出现了少量裂缝;3)各循环周期内的滞回曲线稳定,说明支座保持完整;4)由于少量竹板开裂,其耗能过程使支座沿顺、横纹向的等效阻尼比略有增加。

4.4 剪应变300%的试验结果及分析

剪应变为300%时,沿顺纹方向加载得到的滞回曲线如图9(a)所示,沿横纹方向的滞回曲线如图9(b)所示。根据滞回圈计算得到的剪切刚度和等效阻尼比如表3所示。

表3 大震下支座的等效刚度和等效阻尼比

图9 大震下的滞回曲线

试验结果表明:1)大震时,支座沿顺纹向的剪切刚度相对于小震降低了约33%,横纹向剪切刚度仅略微降低,进一步证明薄钢片显著提升了横纹向力学性能;2)大震时,支座在加载过程中的劈裂响声增大,说明竹板出现了较多裂缝;3)各循环周期内的滞回曲线基本稳定,说明支座仍可有效承载;4)竹板的开裂进一步增加了耗能,支座沿顺、横纹向的等效阻尼比增加至7%～9.2%,近似于高阻尼支座。

4.5 主震余震多次影响的试验结果及分析

沿横纹向按300%剪应变往复加载20次得到的滞回曲线如图10所示。根据滞回圈计算得到的剪切刚度和等效阻尼比渐变过程如图11所示。

图10 各循环次数时的滞回曲线

图11 剪切刚度和等效阻尼比

试验结果表明:1)随着循环次数增加,剪切刚度逐渐降低,其降低过程呈线性变化规律;2)同时,滞回曲线的形状变化不大,但面积逐渐增加,说明竹板力学性能虽呈现退化,但仍可有效承载;3)随着循环次数增加,等效阻尼比由10%逐渐增加至20%,证明竹板的裂缝数量进一步增加,耗能能力进一步加强,有助于减隔震。

另外,根据试验现象可以发现:新型支座沿顺横纹向的所有橡胶层剪切变形均相同,均能协同工作,证明新型支座的整体性较好。在地震作用下,地震动的能量首先转化为橡胶的弹性应变能,并由橡胶垫本身的阻尼对能量进行耗散。随着地震强度的提高,竹板出现开裂,在不影响承载能力的情况下,重组竹自身的阻尼性能得以发挥,整体支座的等效阻尼比也得以加强。

综上所述,随着地震等级的增加,支座沿顺纹向的剪切刚度显著降低,横纹向剪切刚度仅略微降低,这说明薄钢片提升了横纹向力学性能;随着地震等级的增加,支座顺纹向等效阻尼比变化不大,仅在大震时等效阻尼有明显增加,但支座横纹向等效阻尼比随着地震等级增加有着明显提高。这主要是由于竹纤维沿顺纹向弹性模量较大,较之于横向可以抵抗更大的水平力作用,因此横纹向竹板开裂引起的耗能比顺纹向更为显著,等效阻尼比增加更为明显。

5 结论

(1)竹板承压时裂缝均沿横纹向发展,15MPa出现少量裂缝,20MPa出现贯通裂缝,竹板性能满足规范要求。

(2)竹板在承压5MPa,承剪1.5MPa时未出现严重破坏,可继续抵御压剪复合力,原理上可满足高烈度区农村建筑的承载及隔震所需。

(3)以四川省汶川县两层农村建筑为例,配置适当数量的新型隔震支座,其性能可满足规范要求,且造价低廉利于推广。

(4)小震时竹板未出现裂缝,滞回曲线稳定,顺纹向等效刚度略高于横纹向,等效阻尼比接近;中震时竹板出现少量裂缝,滞回曲线稳定,顺纹等效刚度降低较横纹明显,等效阻尼比略有增加;大震时竹板出现较多裂缝,滞回曲线稳定,等效刚度继续降低,等效阻尼比显著增加至10%,与高阻尼支座接近。

(5)以300%剪应变横纹向为例,随着加载循环次数的增加,剪切刚度呈线性略有降低,滞回圈形状不变,面积增大;加载循环20次后,等效阻尼比提高至17%,竹板大面积开裂,且部分钢片脱落,但支座的整体性和力学稳定性不受影响。

综上所述,新型支座具有较高的抗压、抗剪承载力,且力学性能稳定,低碳环保、经济节约,适合在农村地区推广使用,具有良好的发展前景。