甘堡藏寨194号杨家宅院地震模拟振动台试验研究

作者：崔利富孙建刚王振刘伟兵李想

单位：大连民族大学土木工程学院

摘要：以甘堡藏寨194号杨家宅院为建筑原型, 根据相似比理论设计了甘堡藏寨194号杨家宅院地震模拟振动台试验缩尺模型, 采用当地的石材、砂浆, 并请当地工匠进行了模型砌筑, 选取El Centro位移波作为地震动输入, 调整位移波峰值模拟地震强度, 给出了2层和3层处楼面加速度和位移沿高度的变化规律, 进行了裂缝分析, 结果表明:藏寨砌筑砂浆强度较低、纵横墙拉结处较弱, 同时洞口为薄弱部位, 且第23层竖向体型收进, 刚度和承载力突变, 进而形成“V”字形剪切斜裂缝;结构具有不对称的扭转效应, 导致同一层的加速度和位移峰值相差10%左右;沿房屋竖向质量和刚度有突变, 形成薄弱层, 导致墙体在地震作用下有外闪的趋势, 容易发生破坏。建议对房屋的纵横墙加强拉结, 同时对薄弱部位应进行加固改造。

关键词：藏寨；石砌体；地震模拟振动台试验；地震作用；薄弱层

作者简介：孙建刚, 博士, 教授, Email:sjg728@163.com。
基金：中央财政自主基金项目 (DC201501040101)。 -页码-：42-45

0 引言

　　 2008年5月12日, 四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县发生里氏8.0级地震。根据各种震害调查报道^[1,2,3,4,5]可见, 藏族民居破坏严重, 主要破坏形式有墙体倒塌、墙体挫裂和外墙顶部局部垮塌等。究其原因主要是边疆少数民族聚居地的农村住宅均未进行抗震设计, 而其抗震性能更加落后。为了分析藏族民居抗震机理, 改善少数民族聚集地人民居住水平, 2008年5月20日项目组成员远赴四川省阿坝州理县进行了实地震害调查, 对理县甘堡藏寨194号杨家宅院 (图1) 进行了现场测绘。

　　本文采用地震模拟振动台试验的方法, 以甘堡藏寨194号杨宅院为原型, 根据相似比理论进行缩尺模型设计, 选取合适的地震动, 在控制截面布置加速度和位移传感器, 在大连民族大学单向水平位移地震输入模式的地震振动台上进行试验, 测量出相关的地震响应, 为将来藏族民居的抗震加固改造提供原始试验支撑。

　　图1 甘堡藏寨194号杨宅院全貌

　　图2 藏寨原型第1层平面图

1 工程概况

　　试验原型为四川省阿坝州理县甘堡藏寨194号杨家宅院, 就地取材于河水中顺水冲下的花岗石切割加工成大小不一的石块, 用当地的黏土垒砌建成, 建筑层数2层, 局部3层, 下宽上窄, 每层的具体建筑层高及建筑面积如表1所示, 首层平面图如图2所示。

　　表1 甘堡藏寨194号杨宅建筑层高及建筑面积

2 振动台试验方案

2.1 模型尺寸

　　根据相似比理论^[6], 将原型结构设计成1∶5缩尺模型, 模型首层平面和立面如图3所示, 第1~3层建筑层高分别为0.550, 0.548, 0.530m, 墙体厚度分别为120, 100, 80mm、女儿墙厚度为60mm, 窗洞高均为300mm, 门洞高均为360m。根据实际尺寸计算模型结构质量为3.796t^[7,8]。模型砌筑在钢筋混凝土底座上, 钢筋混凝土底座尺寸3 000mm×2500mm×200mm, 底座采用C25混凝土浇筑, 板底配筋双向12@200。第1~3层配重分配为1.1, 0.82, 0.48t。模型为欠质量模型, 重力引起的竖向应力相似比S_σ=1/2.4, 不能满足S_σ=1, 考虑到本模型在地震作用下主要受水平剪力, 设计结构剪应力相似比满足S_τ=1, 即剪应变相似常数等于1。地震加速度为2.4g, 时间压缩后时长约为12s。

2.2 实物模型制作

　　为了保证砌筑工艺符合当地的技术条件, 请当地藏族工匠进行模型砌筑, 模型材料与原型材料相同, 均采用当地的片石、黏土砂浆砌筑, 实物模型砌筑过程如图4所示。

　　图3 模型建筑图

2.3 试验装置

　　采用大连民族大学单向水平位移地震激励的地震模拟振动台, 具体参数为:台面尺寸3.00m×3.00m, 极限位移±80mm, 最大承载模型重500k N;频率范围0.1~50Hz。

2.4 传感器布置

　　试验模型不同位置的水平加速度及位移传感器布置见图5。

　　图4 实物模型砌筑

　　图5 传感器布置图

　　注:○×表示水平加速度传感器;□×表示位移传感器。

2.5 试验工况

　　选取经典的El Centro位移波作为地震动输入, 输入的位移时程曲线见图6 (a) , 对应的加速度时程曲线见图6 (b) , 调整位移波峰值分别为8.34, 12.18, 15.89mm进行地震动输入, 对应的加速度峰值为1.042, 1.598, 2.881m/s²。考虑振动台为单向水平位移地震激励及 (1) ~ (4) 轴线墙体较少, 该方向地震作用破坏最大, 故而输入该方向单向地震激励。

　　图6 台面输入位移和加速度时程

3 试验结果与分析

3.1 裂缝分析

　　当台面地震动输入位移峰值为15.89mm时, 模型出现裂缝如图7所示, 根据试验现象, 绘制出墙体裂缝分布示意图如图8所示。

　　图7?~?轴线间第3层外墙裂缝分布

　　图8 裂缝分布示意图

　　图7和图8表明:试验模型经历台面位移地震输入由小到大的过程, ?~?轴线间第3层外墙开裂, 裂缝主要分布在窗口的上部, 呈“V”字形分布, 窗口部位到墙面转角部位几乎形成贯通的裂缝。这是因为洞口部位为薄弱部位, 且第2~3层竖向体型收进, 导致刚度和承载力突变, 进而形成剪切斜裂缝, 另外, 砌筑砂浆强度较低^[9,10,11]、纵横墙拉结较弱, 也是形成裂缝的原因。

3.2 模型加速度反应

　　根据各个测点的加速度时程, 可得模型在位移波峰值8.34, 12.18, 15.89mm这3种工况作用下的加速度峰值, 2层和3层处楼面的加速度峰值如表2所示, 沿高度方向加速度峰值变化见图9, 对应的加速度放大系数见图10。

　　图9 地震反应加速度包络图

　　图1 0 地震反应加速度放大系数

　　表2表明:随着台面地震位移的不断增大, 其上部结构的加速度也增大, 同时同一层的加速度峰值相差10%左右, 这主要是由于结构不对称的扭转效应引起的。图9和图10表明:沿着房屋高度方向, 楼层的加速度峰值总体上逐渐放大, 特别是在位移波峰值达到15.89mm情况下, 第3层的加速度峰值增大更为明显, 这是因为沿房屋竖向质量和刚度有突变, 形成薄弱层, 同时地震作用方向墙体少, 地震作用下有外闪的趋势, 容易发生破坏。建议对房屋的薄弱部位进行加固改造。

　　表2 El Centro波的模型加速度峰值

　　表3 El Centro波的模型位移峰值

3.3 模型位移反应

　　根据各个测点的位移时程可得模型层间相对位移峰值, 2层和3层处楼面相对位移如表3所示。沿高度方向位移峰值变化见图11。

　　图1 1 模型相对位移反应包络图

　　表3表明:随着台面地震位移的不断增大, 其上部结构的位移也增大, 同时同一层的位移峰值相差10%左右, 再次说明结构具有不对称的扭转效应。图11表明:沿着房屋高度方向, 楼层的位移总体上逐渐放大, 且从相对位移来看, 第2, 3层明显大于一层, 进一步说明沿房屋竖向质量和刚度有突变, 形成薄弱层, 同时地震作用方向只有两面短墙, 平面内刚度小, 地震作用下位移大, 容易发生破坏。建议对房屋的薄弱部位进行加固改造。

4 结论

　　 (1) 根据相似比理论设计了甘堡藏寨194号杨家宅院地震模拟振动台试验缩尺模型, 采用当地的石材、砂浆, 并请当地工匠进行了模型砌筑, 达到了真实还原藏寨民族特色的要求。

　　 (2) 藏寨砌筑砂浆强度较低、纵横墙拉结较弱, 同时洞口部位为薄弱部位, 且第2~3层竖向体型收进, 刚度和承载力突变, 进而形成“V”字形剪切斜裂缝。

　　 (3) 结构具有不对称的扭转效应, 导致同一层的加速度和位移峰值相差10%左右;沿房屋竖向质量和刚度有突变, 形成薄弱层, 导致墙体在地震作用下有外闪的趋势, 容易发生破坏。建议对房屋的纵横墙加强拉结, 同时对薄弱部位进行加固改造。

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Experimental study on earthquake-simulated shaking table test of Tibetan village of No.194 Yang' fort in Ganbao

Cui Lifu Sun Jiangang Wang Zhen Liu Weibing Li Xiang

(College of Architecture and Civil Engineering, Dalian Nationalities University)

Abstract: Taking Tibetan village of No. 194 Yang' fort in Ganbao as building prototype, the similarity ratio theory was used to design the scale model of the shaking table test for simulating earthquake. The model was modeled by the local artisans use local stone and mortar. The El Centro displacement wave was selected as the input of ground motion and the peak value of displacement wave was adjusted to simulate earthquake intensity. The law of acceleration and displacement along height for two floors and three floors was given. The crack analysis was carried out. The results show that the strength of masonry mortar for Tibetan village is low, and the connection of longitudinal and transverse walls are weakened, while the holes are weak. And there is vertical shape set back from second floor to third floor, to lead to abrupt change in stiffness and bearing capacity, forming of V-shaped shear diagonal cracks. The structure has an asymmetric torsional effect, resulting in about10% difference in the peak values of the acceleration and displacement of the same layer. There is a sudden change in vertical mass and stiffness along the height of the house to form a weak layer, which leads to the tendency of the outward displacement of the wall under the earthquake and is prone to damage. It is suggested that the longitudinal and transverse walls of houses should be strengthened and the weakest parts should be reinforced and transformed.

Keywords: Tibetan village; stone masonry; earthquake-simulated shaking table test; seismic action; weak layer

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