砂垫层-基础滑移复合隔震村镇建筑抗震性能研究

摘要

论文针对我国北方大部分地区处于高烈度寒区（地震烈度高、气候寒冷），低层村镇建筑面临地震和地基冻胀的双重危害，因地制宜地提出一种由基底砂垫层与基础滑移隔震层组成的砂垫层—基础滑移复合隔震体系，该体系在隔震的同时也可消除地基冻胀对低层村镇建筑的不利影响，本文围绕砂垫层—基础滑移复合隔震村镇建筑的抗震性能开展研究，主要工作及结论有：
　　①适于高烈度寒区村镇建筑的砂垫层—基础滑移复合隔震体系研发
　　提出由基底砂垫层和基础滑移隔震层相结合的新型复合隔震体系，并通过反应谱理论分析了该体系的隔震机理。复合隔震体系在实现消能减震的同时，通过基础圈梁和基底垫层消除地基冻胀对低层村镇建筑的不利影响。
　　②砂垫层—基础滑移复合隔震体系相关部件的材性研究
　　对构成复合隔震体系的基础滑移隔震层和基底砂垫层等相关隔震部件的材料性能及构造进行了研究，包括完成了基础滑移隔震层的配方在不同烈度需求下的开裂启滑条件及滑移性能研究，基础滑移隔震层的限位装置捆绑橡胶束的抗剪强度及变形能力研究，并探讨了基底砂垫层的材料组成及施工工艺。
　　③不同基础滑移隔震层构造的隔震墙体抗震性能试验研究
　　进行了滑石粉改性砂浆滑移隔震墙体、钢珠—改性砂浆滑移隔震墙体、干铺石墨粉滑移隔震墙体等3种隔震构造墙体与普通墙体的低周反复加载对比试验研究，从破坏现象、滞回耗能能力、刚度退化等角度进行了对比分析。研究表明隔震墙体具有良好的滑移耗能能力，设置低摩擦系数的滑移隔震层改变了墙体的受力破坏机制，隔震墙体在试验过程中始终处于弹性阶段，上部刚度几乎没有退化，即通过水平滑动和橡胶束的限位作用有效保护了上部结构免于破坏。3种配方中的滑移能力依次为石墨粉滑移层、钢珠改性砂浆滑移层、滑石粉改性砂浆层。
　　④隔震结构与普通结构模型振动台对比试验研究
　　进行了1/4缩尺模型对比振动台试验，包括4栋2层的砌体结构房屋，分别为复合隔震结构砌体房屋、基础滑移隔震结构砌体房屋、基底砂垫层隔震结构砌体房屋，以及普通抗震结构砌体房屋。对比考察了上述四种结构在不同地震输入水平下的动力特性、地震反应特征，以及破坏特点。研究表明，未设置构造柱的普通抗震结构抗震性能较差，设置隔震措施的结构抗震性能较好，其中采用复合隔震体系的结构由于基底砂垫层和基础滑移层的联合工作，其抗震性能最优。
　　⑤砂垫层—基础滑移复合隔震结构房屋数值分析
　　采用ABAQUS软件对包括普通砌体结构、基础滑移隔震结构、砂垫层隔震结构、复合隔震结构等四种模型进行了不同地震强度输入下的弹塑性时程分析，分析了四种结构动力反应特征的差异，明确了砂垫层—基础滑移复合隔震体系的隔震机理，以及不同烈度区合理的滑移层摩擦系数取值范围。
　　⑥砂垫层—基础滑移复合隔震村镇建筑技术要点建议
　　基于本文所开展的隔震部件材性试验、滑移隔震墙体低周反复加载试验、1/4缩尺模型结构振动台试验，以及理论分析和数值模拟研究成果，综合考虑现行国家规范标准对隔震房屋的相关设计及构造要求，以及对基底换填垫层的要求，初步提出砂垫层—基础滑移复合隔震村镇建筑的设计与施工建议，为工程应用提供依据。
　　本文取得的创新点为：
　　①提出由基底砂垫层和基础滑移隔震层串联组成的复合隔震体系，建立了简化三质点动力分析模型，得到了体系的减震机理。在消能减震的同时，通过基底砂垫层置换冻土和设置基础圈梁消除地基冻胀对低层村镇建筑的危害。
　　②提出了低标号滑石粉改性砂浆、钢珠—改性砂浆、干铺石墨粉外围勾缝等3种基础滑移隔震层的材料组成，通过材性试验和低周反复加载试验研究了3种滑移隔震墙体的抗震性能，针对村镇建筑特点，提出了材料离散性的控制对策。
　　③通过理论分析、振动台试验，以及数值模拟等手段，系统研究了砂垫层—基础滑移复合隔震体系的地震响应特征及减震效果影响因素，提出了基于预设隔震率的体系设计方法及细部构造措施。

目录

符号注释表

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究目标及内容

2 砂垫层—基础滑移复合隔震体系的提出及其基本原理

2.1 砂垫层—基础滑移复合隔震体系的提出背景

2.2 砂垫层—基础滑移复合隔震体系的提出及其技术特点

2.3 砂垫层—基础滑移复合隔震体系的基本原理

2.4 小结

3 隔震部件材料性能研究

3.1 基础滑移隔震层构造研究

3.2 限位装置研究

3.3 砂垫层构造研究

3.4 材料离散性控制对策

3.5 小结

4 滑移隔震墙体的低周反复加载试验

4.1 试件设计

4.2 试验方案

4.3 破坏过程与钢筋应变分析

4.4 滞回曲线与骨架曲线

4.5 刚度退化性能分析

4.6 耗能能力分析

4.7 本章小结

5 砂垫层—基础滑移复合隔震结构房屋振动台试验

5.1 试验系统与仪器设备

5.2 模型设计与制作

5.3 加载方案

5.4 观测方案

5.5 试验结果分析

5.6 小结

6 砂垫层—基础滑移复合隔震结构房屋数值分析

6.1 基于ABAQUS的动力弹塑性时程分析方法

6.2 模型验证

6.3 模型与分析工况建立

6.4 砂垫层—基础滑移复合隔震结构地震响应特征分析

6.5 砂垫层—基础滑移复合隔震结构影响因素研究

6.6 本章小结

7 砂垫层—基础滑移复合隔震村镇建筑技术要点建议

7.1 基本规定

7.2 设计建议

7.3 隔震部件制作工艺及施工建议

7.4 农户自建房建议及成本计算

8 结论与展望

8.1 主要研究工作及结论

8.2 主要创新点

8.3 后续研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 振动台模型加速度计布置与通道表

B. 振动台模型位移计布置与通道表

C. 各加载工况下模型峰值加速度及加速度放大系数

D. 模型各加载工况下的绝对值最大位移

E. 作者在攻读学位期间发表的论文

F. 作者在攻读学位期间获得的专利及主持的科研项目