摘要:村镇建筑低成本隔震技术研究相对欠缺,工程应用尚少。分析了村镇建筑低成本隔震技术研究现状,探讨了不同隔震措施的构造特点,介绍了基础滑移隔震砌体结构研究概况,重点介绍了近期研究的一种玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构,它由上部砌体结构、上下基础梁、基础梁间低强度玻璃珠砂浆层和基础梁间限位装置构成,其关键技术在于合理设计低强度玻璃珠砂浆层。研发了低强度玻璃珠砂浆制备方法,进行了5种配合比、6种玻璃珠取代率的玻璃珠砂浆3d强度、7d强度和28d强度的试验,分析了玻璃珠砂浆强度随着配合比、玻璃珠骨料取代率、龄期的变化规律;进行了4种配合比、1种典型玻璃珠取代率的玻璃珠砂浆弹性模量试验,研究了其弹性模量与砂浆强度的关系;提出了玻璃珠砂浆层隔震系统的施工工艺。低强度玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构,小震下玻璃珠砂浆层不坏不启动滑移为抗震体系,中震或大震下玻璃珠砂浆层破坏启动滑移为隔震体系;它具有成本低、便于施工、易于推广的特点。在上述分析基础上,提出了村镇建筑低成本隔震技术发展的若干问题。
关键词:村镇建筑;低成本隔震技术;基础滑移隔震;玻璃珠砂浆层隔震
唐山大地震、汶川大地震、玉树地震、芦山地震等历次地震,对村镇建筑造成了严重损伤乃至破坏,房屋倒塌所造成的人员伤亡和经济损失巨大。村镇建筑基本是农民自建,抗震防灾能力极其薄弱,如何适应我国村镇建筑地域广阔、经济技术发展不平衡的现状,研发低成本的抗震和隔震村镇建筑结构,是目前工程界十分关注和亟待解决的问题[1-2]。国家“十一五”和“十二五”科技支撑计划重点支持了村镇建筑抗震与隔震技术研究。然而,目前有关村镇建筑低成本隔震技术的研究相对欠缺,工程案例尚少。本文对村镇建筑低成本隔震技术研究现状进行了分析,探讨了不同隔震措施的构造特点、隔震效果和实用性。介绍了本课题组研发的带玻璃丝布-石墨层的基础滑移隔震砌体结构及其隔震效果。提出了一种带玻璃珠砂浆层的基础滑移隔震砌体结构,研究了其关键技术低强度玻璃珠砂浆层的合理设计方法,给出了玻璃珠砂浆层隔振系统的施工工艺。提出了村镇建筑低成本隔震技术发展的若干问题。
1研究现状
1.1基础滑移隔震
国内外已有基础滑移隔震技术,采用的隔震材料主要有砂、石墨、玻璃丝布、土工布、聚四氟乙烯板、大理石、不锈钢板、钢球等。
李立[3]研究了砂垫层隔震层的隔震效果,进行了1/2缩尺的带砂垫层隔震的两层砖砌体结构模型的模拟地震振动台试验,研究表明,在大震作用下,上部结构完好无损,隔震效果良好。窦远明等[4-5]以刚体试块代替刚度较大的砌体结构,进行了模拟地震振动台试验,考虑了砂垫层的粒径、厚度和密实度对隔震效果的影响,表明采用单一粒径的砂垫层比连续级配的砂垫层减震效果好;单一粒径中较大粒径砂垫层比较小粒径砂垫层减震效果好;砂垫层减震效果,随着厚度增加有所增加,随着密实度的增加有所减小。Ahmad等[6]进行了1/4缩尺的粗干砂隔震单层砖砌体结构和未采取隔震措施的相同结构模拟地震振动台对比试验,表明带粗干砂隔震层房屋顶层加速度反应明显降低,隔震结构在大震时无可见裂缝,而抗震结构中震时已出现贯通裂缝,破坏严重。在此基础上,Ahmad等[7]分别利用聚四氟乙烯板和粗干砂作为基础滑移隔震层,进行了两个1/4缩尺的两层砖砌体模型的模拟地震振动台对比试验,表明相同地震强度作用下,聚四氟乙烯板隔震效果比粗干砂好。钱国桢等[8]研究了约束砂垫层隔震性能,进行了带约束砂垫层隔震砖砌体结构的模拟地震振动台试验,表明滑移隔震效果良好。该隔震技术在平湖市广陈镇农村抗震示范工程中应用,并对试点建筑进行了人工激振的响应测试,研究表明,采用封闭式约束砂垫层隔震效果好。
相关期刊推荐:《自然灾害学报》(双月刊)创刊于1992年,由中国灾害防御协会、中国地震局工程力学所主办。本刊为灾害学学术性刊物。刊登各种自然灾害和社会科学在灾害科学方面的结合。刊登各种自然灾害和发生机理、灾害与人类社会的关系及其影响、防灾减灾系统工程等方面的研究论文。读者对象为灾害学研究工作者、防灾减灾专业技术人员及相关专业大专院校师生。
刘德馨等[9-10]提出了一种与石墨砂浆滑动摩擦支承相匹配的弹塑性隔震装置,通过软钢钢棒限制隔震房屋的基底滑移,进行了15个试件的反复加载试验,表明该隔震装置具有良好的隔震性能和抗疲劳特性,构造简单,易于施工,耐久性好,实用性强。张文芳等[11]提出了一种由上、下钢板和中部石墨涂层3部分叠合而成的滑移支座,进行了某九层砖房1/15缩尺模型的带滑移支座的隔震结构和非隔震结构的模拟地震振动台试验研究和理论分析,表明隔震结构层间剪力比非隔震结构显著减小。曹万林等[12-13]研发了一种玻璃丝布-石墨隔震层砌体房屋,进行了单层砌体结构隔震体系与抗震体系的模拟地震振动台比较试验,研究表明:提出的基础滑移隔震结构构造简单,成本低;当峰值加速度为0.1g时滑移隔震系统启动,显著减小了上部结构的地震反应;提出的滑移限位装置可以有效限制上下基础梁间相对位移。该隔震技术已在福建泉州某小学综合楼工程中应用,见图1。
Nanda等[14]研究了土工布在地震作用下的隔震性能,进行了1/2缩尺的带土工布隔震的单层砖砌体结构模型与非隔震结构模型的模拟地震振动台对比试验,研究表明,隔震结构能显著减轻上部结构的地震反应,土工布隔震层工作性能良好。Jayalekshmi等[15]提出了通过利用纤维增强土的强度,在其上铺上一层光滑土工布进行隔震的方法,研究表明,此隔震方法施工简单,隔震效果好。Nanda等[16]进行了1/2缩尺的带大理石板材-土工织物隔震层的单层砖砌体隔震结构模型与非隔震结构模型的模拟地震振动台对比试验,研究表明,带大理石板材-土工织物隔震层结构顶层绝对加速度比非隔震结构减小65%,其模型制作和试验照片见图2。
曹晓辉等[17-18]提出了利用二硫化钼固体润滑剂作滑移材料、实体软钢棒作限位消能的摩擦滑移隔震装置,研究表明,摩擦滑移和限位消能的工作性能均较好,构造简单,便于应用。
舒文超等[19]分析了基底设置钢球、基础限制位移的隔震系统的隔震效果,研究了摩擦系数、限位大小和限位装置刚度对结构地震反应的影响,研究表明,对于纯摩擦基础隔震系统,结构地震反应与结构周期和地震卓越周期无关,而基础位移的限定使结构的反应依赖于地震波及限位装置刚度。黄襄云等[20]提出了一种具有复位能力的球支撑滚动隔震体系,进行了刚体模型和两质点模型的振动台试验,研究了质量比、自振频率、刚度等因素对隔震效果的影响,研究表明,与抗震结构相比,球支撑滚动隔震体系隔震效果良好。史红福等[21-22]提出了两种滚动基础隔震装置,即滚球带凹槽板隔震装置和滚球加弹簧复位隔震装置,建立了此隔震系统的计算模型和动力方程,研究表明,在忽略上部结构阻尼情况下,对具有破坏性的地震,该隔震系统可显著减小地震作用向上部结构的传递,且弹簧的存在限制了底板的位移,具有一定的自复位能力。
基础滑移隔震其优点是隔震效果较好、成本低、取材方便,耐久性好;不足是震后复位相对困难。低成本、高性能、易施工、耐久性好的基础滑移隔震系统的合理构造问题,仍是今后需要进一步研究的关键技术问题。基础滑移隔震系统的限位装置构造细节很重要,既要考虑过大滑移限位,又要考虑滑移过程减小阻力,还要考虑对竖向地震及倾覆力矩的抵抗作用,同时应兼顾滑移隔震限位装置钢筋与上部砌体结构构造柱的关系,对此仍需进一步探索。
1.2橡胶垫层基础隔震
赵世峰等[23]研究了带限位钢棒夹层橡胶隔震垫在地震作用下的反应特征,表明限位钢棒夹层橡胶隔震垫隔震性能好且可有效限位。Sassu[24]提出了一种在基础与上部墙体之间铺设50mm厚的低强度砂浆和4mm厚的橡胶隔震层,并由一系列垂直钢筋连接到基础中的隔震构造作法,进行了力学性能试验和有限元模拟,研究表明,小震或风荷载作用下基础隔震层不启动滑移,中震或大震时低强度砂浆层启动摩擦滑移隔震,垂直钢筋限制了隔震层过大变形。李英民等[25]提出在建筑物的底层墙体之间内置一道橡胶束的设计方法,用沥青油膏填补橡胶与墙体砖之间的空隙,沿橡胶束高度的中部留设一道低于墙体砂浆强度的砂浆灰缝,进行了1/4缩尺结构模型的模拟地震振动台试验,表明该隔震结构在小震作用下不发生破坏,中震作用下启动滑移隔震。
Toopchi-Nezhad[26]进行了带加强纤维弹性隔震支座的两层砌体结构和非隔震砌体结构的数值模拟对比分析,研究表明,该支座具有稳定的剪切变形能力,隔震支座使上部结构的地震作用大幅降低。黄襄云、周福霖等[27-28]研发了一种适用于村镇砌体房屋的低造价新型隔震装置-纤维橡胶隔震砖,设计制作了采用纤维橡胶隔震砖装置的1/2比例村镇砌体房屋模型,与同比例的非隔震砌体房屋模型进行模拟地震振动台对比试验,采用SAP2000对试验模型进行了数值模拟,分析了带纤维橡胶隔震支座的隔震结构和非隔震结构在7度、8度、9度地震作用下的地震反应,研究表明,带纤维橡胶隔震砖装置的结构模型在经历9度地震后房屋完好无损,见图3(a),而非隔震砌体房屋模型在9度地震作用下,结构出现了贯通裂缝破坏严重,该橡胶隔震支座表现出了很好地隔震性能。相对于传统意义的叠层橡胶支座,该隔震技术施工更加简单,价格优势也更加明显,特别适用于我国广大村镇建筑的隔震设计。谭平等[29-30]对工程塑料板橡胶隔震支座进行了系统的抗压及抗剪特性、压应力相关性、剪应变相关性、竖向极限变形等力学性能试验,研究成果已用于某3层砌体抗震示范楼,该楼隔震设计和隔震支座布置见图3(b)。
Turer等[31]进行了废弃轮胎垫基础隔震层(STP)的抗压和反复抗剪性能试验研究,其中抗压性能试验见图4(a),试验中考虑了轮胎垫的层数和不同叠放方式,提出了废弃轮胎垫基础隔震层(STP)及不同工程轴方向的刚度计算公式,研究表明,废弃轮胎垫基础隔震层(STP)中的钢丝网与叠层橡胶隔震支座中的钢板类似,通过改变轮胎垫的层数可以调整隔震层的竖向刚度和水平剪切刚度;废弃轮胎垫基础隔震层(STP)成本低,重量轻,易于施工,且实现了资源的回收利用。图4(b)为STP的工程案例。Tsang[32]提出了废旧轮胎橡胶-土混合隔震层隔震的概念,并进行了废旧轮胎橡胶-土混合隔震层相关参数试验研究与模拟分析,研究表明,橡胶-土混合隔震层可以减轻上部结构的水平、竖向地震作用,废旧轮胎橡胶-土混合隔震层成本低、施工简单。Tsompanakis等[33]对利用废旧轮胎作为基础隔震层的隔震结构进行了有限元模拟,研究表明,这种隔震系统成本低,能有效减少地震作用对上部结构的影响。张超等[34]提出了一种利用废旧轮胎加工的橡胶粉隔震的方法,进行了橡胶粉的静力及动力性能试验,研究了橡胶粉的静等效刚度、吸能能力及合理隔震设计参数的确定方法。陈文等[35]对废旧轮胎隔震垫进行了较系统的力学性能试验,得到了废旧轮胎隔震垫的力学性能指标,研究表明,这种隔震系统只有在一定的竖向压力下,才会有良好的隔震效果,废旧轮胎隔震垫能够明显的降低上部结构的地震反应。
橡胶垫层基础隔震其优点是橡胶垫层基础隔震效果稳定,具有稳定的弹性复位功能,在城市多层和高层结构中已有大量的工程应用,并成功经受了地震考验;不足是造价相对基础滑移隔震结构高,施工相对复杂一些,还有建筑服役期橡胶支座更换问题。
1.3复合隔震
尚守平等[36]以刚体质量块代替刚度较大的砌体建筑物,进行了钢筋-沥青复合隔震层的模拟地震振动台试验,研究了隔震层在不同高度及不同加速度幅值输入下的动力特性、相对位移、加速度反应,研究表明,隔震效果较好,该隔震技术已用于某3层农村民居隔震结构。付杰等[37]提出了利用SBS改性沥青隔震支座作为村镇建筑的隔震装置,通过试验研究了SBS改性沥青隔震支座的竖向性能和水平性能,研究表明,该隔震支座有一定的竖向承载能力,水平滞回曲线饱满,造价低廉,施工方便。尚守平等[38](2010)提出了橡胶颗粒-砂混合物隔震,研究了不同固结压力、不同配比下的橡胶颗粒-砂混合物的动剪模量以及随动剪应变的变化规律,研究表明,橡胶颗粒可以有效地降低橡胶颗粒-砂混合物的动剪模量,橡胶颗粒-砂混合物的动剪模量随固结压力增大而增大。吴延辉等[39]提出了带钢绞线的砂-橡胶粒复合隔震垫隔震系统,利用SAP2000对传统抗震、砂-橡胶颗粒复合隔震垫隔震、带钢绞线的砂-橡胶颗粒复合隔震垫隔震3种结构模型进行了数值模拟,研究表明,带钢绞线的砂-橡胶颗粒复合隔震垫隔震效果较好,钢绞线能有效限制水平滑移。
复合基础隔震其优点是在基础隔震系统中,综合利用了橡胶、沥青等柔性垫层可提供一定回复力的优势,以及滑移层滑动滞回耗能的特性,这种复合隔震系统一定程度上发挥了橡胶垫层隔震和基础滑移隔震的优势,隔震效果较好;不足是施工相对复杂一些,不同材料复合利用时,有时难以控制隔震层的稳定工作性能。
2玻璃珠砂浆层隔震
2.1隔震构造
提出了玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构,见图5(a),其隔震系统由上部结构、上下基础梁、基础梁间玻璃珠砂浆层、基础梁间限位装置构成。上部为砌体结构,上下基础梁之间铺设低强度玻璃珠砂浆隔震层,并设置限位装置,隔震系统见图5(b)。玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构,小震下玻璃珠砂浆层不破坏、不启动滑移,为抗震结构;中震或大震下玻璃珠砂浆层破坏、启动滑移,为隔震结构。低强度玻璃珠砂浆层特点:玻璃珠与粗砂比,其表面光滑,与胶凝体界面粘结性能差,受力后易与胶凝体剥离,形成“玻璃滚珠”,滚动摩擦系数小;玻璃珠比粗砂硬度高,抗滚动损伤能力强,基础滑移性能稳定;玻璃珠与粗砂化学性质相同,玻璃珠砂浆与建筑等寿命;玻璃珠砂浆层制作简便,成本低。
进行了低强度玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构基础性问题的研究。包括:(1)研究了低强度玻璃珠砂浆的制备工艺。低强度玻璃珠砂浆,它由3~5mm粒径玻璃珠、细砂、水泥、石灰膏和水制备而成。玻璃珠由回收废旧玻璃通过一定流程生产,设备和工艺简单,成本低。(2)研究了低强度玻璃珠砂浆层基础滑移隔震系统施工工艺。低强度玻璃珠砂浆层基础滑移隔震系统制作过程:首先在基础垫层上制作下部基础梁,下基础梁制作时置入下基础梁限位套管和上下基础梁限位钢筋,并在套管内灌入粗砂,浇筑下基础梁混凝土;下基础梁混凝土有一定强度后在其上铺设30mm左右厚度的玻璃珠砂浆层;玻璃珠砂浆层有一定强度后,在其上放绑扎好的上基础梁钢筋,置入上基础梁限位套管并在管内灌入粗砂,支设上基础梁模板,玻璃珠砂浆层作上基础梁的底部模板,浇筑上基础梁混凝土。上下基础梁限位装置,由上下分开的限位套管、上下连通的限位钢筋、钢筋上下端部固定钢制件、上下套管内粗砂构成,上下限位套管可用薄钢管或PVC管制作;下套管内粗砂可防止施工中玻璃珠砂浆和杂物落入套管中,上套管内粗砂可防止砌筑上部结构施工中砂浆和杂物落入套管中;上下套管内粗砂在基础滑移过程中有一定的消能作用。目前,课题组正在较系统地进行低强度玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构工作性能研究,包括隔震系统的低周反复荷载试验和结构整体的模拟地震振动台试验研究。玻璃珠砂浆层基础滑移隔震砌体结构的关键技术,在于低强度玻璃珠砂浆层的设计与制备,下面予以重点介绍。
2.2玻璃珠砂浆设计
为了研究玻璃珠砂浆的性能,进行了5种不同配合比、6种不同玻璃珠取代率的玻璃珠砂浆3d抗压强度、7d抗压强度、28d抗压强度试验。5种配合比见表1。表1中,骨料由细砂和玻璃珠混合而成,骨料总重量中玻璃珠所占的重量比例为玻璃珠取代率,掺入石灰膏主要提高砂浆和易性,灰砂比指水泥重量与骨料重量的比值。每m3砂浆中的用水量是参照规程[40]对砂浆稠度要求确定的。
由图6可见:相同玻璃珠取代率下,随着灰砂比的增大,玻璃珠砂浆的抗压强度增大,灰砂比对玻璃珠砂浆强度起着较大的作用。
2.4玻璃珠取代率影响试验所得,表1所给5种配合比下玻璃珠取代率对玻璃珠砂浆28d抗压强度M的影响曲线见图7。
由图7可见:相同配合比下,当玻璃珠取代率小于80%时,玻璃珠砂浆强度随着玻璃珠取代率的增大而提高;当玻璃珠取代率达80%时,玻璃珠砂浆强度达到最大值;当玻璃珠取代率大于80%时,玻璃珠砂浆强度随着玻璃珠取代率的增大而降低。
2.5龄期的影响
试验所得,不同玻璃珠取代率下,不同龄期的玻璃珠砂浆抗压强度与28天抗压强度比值(简称强度比值)随龄期的变化曲线见图8。——论文作者:曹万林,戴租远,叶炜,张玉山,张勇波
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