1、傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑足尺模型模擬地震振動臺試驗研究    摘 要：傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑在既往的地震中表現(xiàn)出了良好的抗震性能，同時也存在著一些不足。通過對傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑足尺模型的振動臺試驗研究，確定木結(jié)構(gòu)建筑在地震作用下的應答狀況，研究結(jié)構(gòu)的動力特性及其地震反應的變化規(guī)律，為現(xiàn)存的中國悠久的木結(jié)構(gòu)古建筑的加固、修善尋找有效可行的方法。關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑；振動臺試驗；動力特性；墻面板；屋面剛度中圖分類號：TU313.31 引言中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑有幾千年的歷史，其獨特的結(jié)構(gòu)體系博大精深，代表著東方的建筑文化，成為東方的建筑文化瑰寶，在世界的建筑歷史上占有特別重要的地位

2、。其影響深遠，遠及日本、韓國等國家1。然而，許多傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑在歷史的發(fā)展過程中由于各種原因而消失了，只有很少部分的木構(gòu)建筑遺留了下來。隨著時光的流逝，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的破壞也日趨嚴重，保護、維護以及加固這些傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑已迫在眉睫。為此，本文著眼于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能研究，通過模擬地震振動臺試驗的研究方式討論其抗震機理，為傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護、維護以及加固提供一些理論依據(jù)和技術(shù)性的參考。本次試驗是2007 年1 月在日本防災科學技術(shù)研究所兵庫抗震工程研究中心進行的。其目的是通過對結(jié)構(gòu)整體模型進行模擬地震振動臺試驗研究的方法考察模型的動力特性以及在地震作用前后動力特性的變化，模型在地震作用下

3、的反應以及破壞機制等方面的內(nèi)容。2 試驗概況2.1 模型介紹本模型為足尺試驗模型，試驗模型的構(gòu)件全部由木材制作，主要構(gòu)件所用木材來自德島縣產(chǎn)的杉木。試驗模型為帶墻面板的傳統(tǒng)梁柱榫卯結(jié)構(gòu)，模型為一層，平面尺寸為10.92m×3.64m。分為柱腳固定和柱腳滑移兩個試驗模型，本文主要介紹柱腳固定試驗模型(下圖中左邊的模型)。柱腳固定試驗模型層高為2.93m，柱橫向間距和縱向間距均為1.92m，柱截面和基礎(chǔ)梁截面尺寸均為120mm×120mm，屋面外框架梁截面尺寸為120mm×270 mm，次梁截面尺寸為120mm×210mm。試驗模型概貌如圖1 所示，屋面鋼錘

4、布置如圖2 所示。圖1 振動臺試驗模型概貌 圖2 屋面鋼錘布置-2-本次試驗考慮了墻面板的三種配置方式，從而實現(xiàn)房屋剛度的不同偏心，以及屋面分別為剛性、半剛性、柔性三種情況，分別進行振動臺試驗，考察不同的墻面板配置和屋面剛度對房屋整體構(gòu)架在地震作用下的反應的影響。墻面板的三種配置方式的示意圖如圖3 所示。(a) 配置A(小偏心) (b) 配置B(無偏心) (c) 配置C(大偏心)圖3 墻面板配置方式示意圖2.2 加載方案、測點布置及試驗階段試驗模型的短邊方向（Y 向）為主要的加振方向，作為主要的輸入地震波，使用了日本建筑中心模擬波(BCJ-L2)，進行最大加速度分別為100、200、300cm

5、/s2 的地震波加振試驗。為了了解房屋在墻面板配置C 情況下受到大震時的損傷狀況，使用了JMA 神戶波。在振動臺的臺面、模型的頂部分別安裝了加速度計和位移計來采集各測點的加速度和位移反應。在柱子上下端分別粘貼了應變片，以獲得各階段模型的內(nèi)力變化情況。本次試驗共進行了三個階段的振動臺試驗。第一階段為半剛性屋面時，分別進行三種墻面板配置下的振動試驗；第二階段為剛性屋面時，分別進行三種墻面板配置下的振動試驗；第三階段為柔性屋面時，分別進行三種墻面板配置下的振動試驗。3 試驗結(jié)果及分析3.1 破壞現(xiàn)象本次試驗在試驗過程中及到試驗體拆卸的時候進行了各部分的損傷觀察，在這里敘述其主要的損傷狀況。隨著輸入加

6、速度的增大，在干式土壁覆面板上出現(xiàn)了裂紋以及固定覆面板的少許角部螺釘被拔出。特別是出現(xiàn)由于柱子腳的浮起，著陸的時候沖擊螺釘使其拔出的現(xiàn)象。同時，在柱子底面，由于跟基石的摩擦邊部卷縮磨損，柱腳截面邊部的棱角變得模糊，大約磨減了12mm 左右，在試驗后的基石上發(fā)現(xiàn)了細小的磨損粉。試驗結(jié)束后，通過拆卸模型時的損傷觀察，發(fā)現(xiàn)在柱子和橫梁的榫卯結(jié)點處有較大的缺損。除此之外，柱子和地梁的交接處也有損壞；柱頭及柱腳在內(nèi)栓的連接處有旋轉(zhuǎn)拔出的現(xiàn)象；在榫頭處內(nèi)栓附近有木塊割裂的現(xiàn)象，栓孔處也出現(xiàn)了裂縫；有些節(jié)點處的榫頭甚至發(fā)生斷裂。損傷情況如圖4、圖5 所示。-3-圖4 干式土壁覆面板的損傷情況 圖5 榫頭的損

7、傷情況3.2 模型自振頻率的確定在進行動力試驗前后，對試驗模型進行了最大加速度為25cm/s2 的白噪聲掃頻試驗，以確定模型在振動試驗前后的動力特性。在試驗模型短邊方向（Y 向）和長邊方向分別加振，通過對各測點的頻譜特性、傳遞函數(shù)以及時程反應分析，可以得到模型結(jié)構(gòu)在不同水準地震作用前后的自振頻率。由加速度時程經(jīng)FFT 變換得到相對臺面的傳遞函數(shù)2 3。在模型結(jié)構(gòu)的自振頻率處，由于共振效應傳遞函數(shù)曲線出現(xiàn)峰值，通過傳遞函數(shù)曲線峰值所對應的頻率值可以確定模型的自振頻率4 5。通過白噪聲掃頻得到模型加振前后短邊方向(Y 向)的一階自振頻率及周期如表1 所示。地震波加振后，各種情況下結(jié)構(gòu)的自振頻率都有

8、所降低，譜曲線中振幅變小明顯。地震波加振后結(jié)構(gòu)的自振頻率在墻面板配置C 時降低的較少，而在剛性屋面、墻面板配置B 時降低的較多，降幅接近50%。上述自振頻率的變化情況，考慮到是因為用地震波加振導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了某種損傷而使房屋結(jié)構(gòu)的剛性降低，從而導致結(jié)構(gòu)的自振頻率的減小。表1 模型的一階自振頻率及周期加振前 加振后屋面 墻配置自振頻率(Hz) 周期(s) 自振頻率(Hz) 周期(s)A 2.48 0.403 1.60 0.625B 2.40 0.417 1.31 0.763剛性C 1.12 0.893 1.02 0.980A 2.40 0.417 1.58 0.633B 2.12 0.472 1.

9、55 0.645半剛性C 1.17 0.855 1.00 1.00A 2.06 0.485 1.55 0.645B 1.86 0.538 1.55 0.645柔性C 1.00 1.00 0.85 1.176地震波加振前后由白噪聲加振得到的傳遞函數(shù)曲線的對比圖如圖4 所示。圖中列出了柱腳固定試驗模型在墻面板配置A 時、剛性屋面情況下的對比曲線。-4-0 1 2 3 4 5 60.00.51.01.52.03.89Hz2.48HzX1X5X9X13Frequency (Hz)Amplitude-1000010000 1 2 3 4 5 6Frequency (Hz)Angle(deg)0 1 2

10、3 4 5 60.00.51.01.52.03.12Hz1.60HzX1X5X9X13Frequency (Hz)Amplitude-1000010000 1 2 3 4 5 6Frequency (Hz)Angle(deg)(a)加振前 (b)加振后圖4 墻面板配置A 剛性屋面時在白噪聲加振前后的傳遞函數(shù)曲線對比3.3 模型結(jié)構(gòu)的加速度反應3.3.1 加速度反應時程振動試驗中，在各個試驗工況分別進行了白噪聲和三種強度的BCJ-L2 波以及JMA 神戶波的地震波試驗。圖5圖7 給出了柱腳固定試驗模型在BCJ-L2 波Y 向各級加振下墻面板配置A 時模型屋面不同剛度時的加速度反應時程對比 (45

11、s 后的反應較小未給出)。0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-200-1000100200加速度(gal)時間(s)半剛性剛性柔性圖5 BCJ-L2(100cm/s2 )波加振下屋面不同剛度時的加速度反應時程0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-300-200-1000100200300加速度(gal)時間(s)半剛性剛性柔性圖6 BCJ-L2(200cm/s2 )波加振下屋面不同剛度時的加速度反應時程-5-0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-600-400-2000200400600加速度(gal)時間(s)半剛性剛性柔性圖7 BCJ

12、-L2(300cm/s2 )波加振下屋面不同剛度時的加速度反應時程從圖中可以看出，模型的加速度反應隨著地震波強度的增大而增大；屋面為剛性時比屋面為柔性時，在各種強度的地震波作用下模型頂部的加速度反應略小；且兩者都比屋面為半剛性時模型頂部的加速度反應要小。3.3.2 加速度放大系數(shù)通過設(shè)置在模型上的加速度傳感器，可以測得模型在臺面地震波作用下房屋頂部的絕對加速度反應時程曲線，其幅值相對于臺面輸入加速度幅值的比值，即為加速度動力放大系數(shù)。各個試驗階段房屋頂部在BCJ-L2 波Y 向各級加振下的加速度放大系數(shù)見表2。表中地震波強度的單位為cm/s2。各試驗階段在BCJ-L2 波Y 向各級加振下房屋各

13、斷面的加速度放大系數(shù)見圖8圖10，圖中X1、X5、X9、X13 分別為模型平面圖中X 軸的相應軸號所在的斷面。從表中及圖中可以看出，在各個試驗階段，隨著地震波強度的增大，模型整體的加速度放大系數(shù)在減小。在墻面板配置A 下，剛性屋面時模型的加速度放大系數(shù)最小，柔性屋面時的最大；在墻面板配置B 下，剛性屋面時模型的加速度放大系數(shù)最小，半剛性屋面時的最大。在墻面板配置C 下，半剛性屋面時模型的加速度放大系數(shù)最小。表2 各試驗階段模型頂部的最大加速度放大系數(shù)半剛性屋面 剛性屋面 柔性屋面墻板配置 地震波實測臺面峰值 實測臺面峰值 實測臺面峰值 BCJ100 114.5 1.917 117.4 1.56

14、1 114.7 2.031A BCJ200 248.1 1.598 250.7 1.343 248.8 1.980BCJ300 388.9 1.565 398.0 1.117 395.9 1.784BCJ100 113.4 1.905 115.3 1.556 111.2 1.652B BCJ200 249.0 1.701 251.5 1.385 246.2 1.464BCJ300 394.0 1.497 392.8 1.186 390.9 1.235BCJ100 112.7 1.336 114.2 1.504 114.5 1.324C BCJ200 248.4 1.307 244.3 1.38

15、4 246.8 1.469        BCJ300 388.3 1.276 390.3 1.293 389.6 1.183-6-X1 X5 X9 X131.21.31.41.51.61.71.81.92.0加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X131.01.21.41.61.82.0加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.70.80.91.01.11.21.31.4加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300(a) 配

16、置A (b) 配置B (c) 配置C圖8 半剛性屋面各種墻面板配置時模型各斷面的加速度放大系數(shù)X1 X5 X9 X130.80.91.01.11.21.31.41.51.6加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.7加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300(a) 配置A (b) 配置B (c) 配置C圖9 剛性屋面各種墻面板配置

17、時模型各斷面的加速度放大系數(shù)X1 X5 X9 X130.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.2加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X131.01.11.21.31.41.51.61.7加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6加速度放大系數(shù)斷面號BCJ100BCJ200BCJ300(a) 配置A (b) 配置B (c) 配置C圖10 柔性屋面各種墻面板配置時模型各斷面的加速度放大系數(shù)3.4 模型結(jié)構(gòu)的位移反應各個

18、試驗階段房屋頂部在BCJ-L2 波Y向各級加振下相對于臺面的最大位移及位移角如表3 所示。各試驗階段在BCJ-L2 波Y 向各級加振下房屋各斷面相對于臺面的最大位移見圖11圖13。圖中X1、X5、X9、X13 分別為模型平面圖中X 軸的相應軸號所在的斷面。表3 各試驗階段模型頂部相對于臺面的最大位移及位移角半剛性屋面 剛性屋面 柔性屋面墻板配置 地震波位移(mm) 位移角位移(mm) 位移角位移(mm) 位移角BCJ100 20.6 1/142 20.2 1/145 22.5 1/130A BCJ200 48.0 1/61 41.9 1/70 49.3 1/59BCJ300 99.5 1/30

19、 90.5 1/33 100.9 1/29BCJ100 20.2 1/145 22.7 1/129 23.8 1/123B BCJ200 43.8 1/67 44.9 1/65 54.5 1/54BCJ300 73.7 1/40 80.5 1/36 100.5 1/29BCJ100 40.6 1/72 37.3 1/78 39.7 1/74C BCJ200 89.2 1/33 82.9 1/35 85.2 1/35BCJ300 142.2 1/21 137.2 1/23 139.2 1/22-7-X1 X5 X9 X130102030405060708090100110位移(mm)斷面號BCJ10