• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

钢筋沥青隔震层振动台试验及其在不同高度砌体结构电力用房中的地震响应分析

刘湘莅,  郭正位,  陈兆仁,  尚守平,  周可威,  杨龙

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刘湘莅, 郭正位, 陈兆仁, 尚守平, 周可威, 杨龙. 钢筋沥青隔震层振动台试验及其在不同高度砌体结构电力用房中的地震响应分析[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(2): 304-319. doi: 10.11899/zzfy20180206
引用本文: 刘湘莅, 郭正位, 陈兆仁, 尚守平, 周可威, 杨龙. 钢筋沥青隔震层振动台试验及其在不同高度砌体结构电力用房中的地震响应分析[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(2): 304-319. doi: 10.11899/zzfy20180206
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Liu Xiangli, Guo Zhengwei, Chen Zhaoren, Shang Shouping, Zhou Kewei, Yang Long. Shaking Table Test of Steel-asphalt Isolation Layer and Its Seismic Response Analysis in Masonry Structure Electric Power House with Different Heights[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(2): 304-319. doi: 10.11899/zzfy20180206
Citation: Liu Xiangli, Guo Zhengwei, Chen Zhaoren, Shang Shouping, Zhou Kewei, Yang Long. Shaking Table Test of Steel-asphalt Isolation Layer and Its Seismic Response Analysis in Masonry Structure Electric Power House with Different Heights[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(2): 304-319. doi: 10.11899/zzfy20180206
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钢筋沥青隔震层振动台试验及其在不同高度砌体结构电力用房中的地震响应分析

doi: 10.11899/zzfy20180206
  • 1.

    国网河南省电力公司经济技术研究院, 郑州 450000

  • 2.

    湖南大学, 长沙 410082

  • 3.

    湖南大学设计院河南分院, 郑州 450000

  • 4.

    成都基准方中建筑设计有限公司郑州分公司, 郑州 450000

基金项目: 

国家“十二五”科技支撑项目 2015BAL03B01

详细信息
    作者简介:

    刘湘莅, 男, 生于1973年。高级工程师。主要从事输变电工程设计评审技术工作。E-mail:liuxiangli@ha.sgcc.com

    通讯作者:

    陈兆仁, 男, 生于1994年。硕士研究生。主要从事房屋隔震方面研究。E-mail:446369011@qq.com

Shaking Table Test of Steel-asphalt Isolation Layer and Its Seismic Response Analysis in Masonry Structure Electric Power House with Different Heights

  • 1.

    Economic and Technical Research Institute, State Grid Henan Electric Power Company, Zhengzhou 450000, China

  • 2.

    Hunan University, Changsha 410082, China

  • 3.

    Henan Branch of Design Institute of Hunan University, Zhengzhou 450000, China

  • 4.

    Zhengzhou Branch of Chengdu Ji Zhun Fang Zhong Architectural Design Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China

    摘要
  • 摘要: 为弥补试验的不足，对试验室里难以实现的情况进行研究，如大比例甚至足尺模型的动力试验，利用大型有限元软件MSC.MARC对钢筋-沥青复合隔震层建立了非线性有限元模型。利用钢筋非线性子程序UBEAM和非线性弹簧子程序USPRNG，分别模拟了钢筋和砖墩-上梁之间相互作用关系的非线性情况，引入了沥青油膏的温度影响系数。为验证该模型，在钢筋沥青隔震层试件振动台试验的基础上，对振动台试验中各试件的模态进行了计算、对各工况进行了三维有限元时程分析，并将分析结果与试验结果对比，计算结果与试验结果吻合较好，验证了该模型的准确性和合理性。最后利用该模型，建立了不同高度的砌体结构有限元模型，设计并建立了相应的墙下条形隔震层模型，对钢筋沥青复合隔震层在不同高度的砌体结构中的动力性能和隔震效果进行了数值模拟，并对计算结果进行了归纳和分析，得出了一系列有用的结论。
    Abstract: To remedy defects of tests in laboratory, study more situations which are difficult to achieve in it, such as large-scale even the full scale dynamic testing. In this paper a non-linear finite element model of steel-asphalt isolation layer was established through finite element software MSC.MARC. By using steel non-linear subroutine UBEAM and spring nonlinear subroutine USPRNG, the non-linearity of steel and the nonlinear interaction between brick pier and upper beam were respectively simulated. The temperature factor of asphalt ointment was also proposed. To verify the model, on the basis of shaking table test of steel-asphalt isolation layer, modes of specimens in shaking table tests were calculated, and all conditions in the shaking table tests were simulated by 3D Finite Element time history analysis. Comparison of the calculated results with the experimental results shows good agreement, which verifies the accuracy and reasonableness of the model. Finally, our models were set up in finite element models with different masonry structures in different heights, and the corresponding isolation layer models under strip foundation were design and built. The dynamic performance and isolation effect of the steel-asphalt isolation layer in different masonry structures with different heights of was simulated, and a series of useful conclusions were drawn.
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  • 图  1  钢筋沥青隔震层构造示意图

    Figure  1.  Structure of isolation layer

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    图  2  隔震层试件及质量块示意图

    Figure  2.  Sketch map of isolation layer specimen and mass block

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    图  3  试验装配示意图

    Figure  3.  Setup of shaking table test

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    图  4  隔震层试件整体有限元分析模型简图

    Figure  4.  The integral finite element analysis model of isolation layer specimen

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    图  5  1层砌体结构的模态分析比较图

    Figure  5.  Comparison of modal analysis of one-story masonry structure

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    图  6  3层砌体结构的模态分析比较图

    Figure  6.  Comparison of modal analysis of three-story masonry structure

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    图  7  5层砌体结构的模态分析比较图

    Figure  7.  Comparison of modal analysis of five-story masonry structure

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    图  8  7层砌体结构的模态分析比较图

    Figure  8.  Comparison of modal analysis of seven-story masonry structure

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    图  9  砌体结构加速度幅值比与结构层数的关系曲线

    Figure  9.  Relation curves between acceleration amplitude ratio and structure number of masonry structure

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    表  1  隔震层试件参数

    Table  1.   Parameters of isolation layer specimen

    试件编号 隔震层高度/mm 竖向钢筋配置 混凝土强度 砖强度 砂浆强度 有无沥青
    GZC200-6-1 200 40C6 C30 Mu10 M5 有
    GZC300-6-1 300 40C6 C30 Mu10 M5 有
    GZC200-6-2 200 40C6 C30 Mu10 M10 无
    GZC200-8-2 200 20C8 C30 Mu10 M10 无
    注：以GZC200-6-1为例，试件编号中“GZC200”表示隔震层高度为200mm，“6”表示钢筋直径为6mm，“1”表示砖墩之间填充有防锈沥青油膏；“2”表示砖墩之间没有填充沥青油膏，“1”和“2”在砖墩上方都有一层沥青油膏作为垫层。
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    表  2  加速度与相对位移最大值汇总表

    Table  2.   Maximum acceleration and relative displacement

    工况代号 输入加速度幅值绝对值/m·s－2 输出加速度幅值绝对值/m·s－2 加速度幅值比β 隔震层最大水平相对位移绝对值/mm
    200-6-1El0.1 0.96 0.48 0.50 2.6
    200-6-1El0.2 1.98 0.92 0.46 7.8
    200-6-1El0.3 3.14 1.32 0.42 8.5
    200-6-1El0.4 4.32 1.83 0.42 10.9
    200-6-1Taft0.1 1.29 0.68 0.53 2.7
    200-6-1Taft0.2 2.18 1.38 0.63 9.1
    200-6-1Taft0.3 3.13 1.40 0.45 9.8
    200-6-1Taft0.4 4.14 1.64 0.40 10.9
    300-6-1El0.1 1.16 0.56 0.48 2.5
    300-6-1El0.2 2.17 0.89 0.41 7.6
    300-6-1El0.3 3.17 1.24 0.39 8.6
    300-6-1Taft0.1 1.04 0.69 0.66 2.7
    300-6-1Taft0.2 2.13 1.04 0.49 8.2
    300-6-1Taft0.3 3.10 1.30 0.42 10.1
    200-6-2El0.1 0.83 0.55 0.66 2.2
    200-6-2El0.2 1.66 1.14 0.69 4.8
    200-6-2El0.3 3.28 2.09 0.64 7.6
    200-6-2El0.4 4.28 2.62 0.61 9.2
    200-6-2El0.5 5.42 3.08 0.57 13.6
    200-6-2El1.0 10.35 5.69 0.55 19.8
    200-6-2El1.7 17.13 8.22 0.48 29.7
    200-6-2Taft0.1 1.27 0.92 0.72 3.2
    200-6-2Taft0.2 1.95 1.50 0.77 5.6
    200-6-2Taft0.3 2.83 2.09 0.74 7.6
    200-6-2Taft0.4 3.83 2.66 0.69 9.3
    200-6-2Taft0.5 6.41 4.58 0.71 14.2
    200-6-2Taft1.1 11.83 7.22 0.61 16.5
    200-6-2Taft1.7 17.11 8.27 0.48 24.3
    200-8-2El0.1 0.72 0.61 0.85 1.7
    200-8-2El0.2 2.39 1.53 0.64 4.5
    200-8-2El0.3 3.40 2.37 0.70 7.2
    200-8-2El0.5 5.03 3.67 0.73 10.2
    200-8-2El0.6 5.48 3.91 0.71 15.4
    200-8-2El1.7 17.0 11.9 0.70 36.1
    200-8-2Taft0.1 1.60 1.51 0.94 2.6
    200-8-2Taft0.2 2.22 1.78 0.80 3.5
    200-8-2Taft0.3 3.35 1.86 0.55 4.9
    200-8-2Taft0.4 4.37 2.81 0.64 6.2
    200-8-2Taft0.6 6.99 4.22 0.60 14.1
    200-8-2Taft1.5 15.12 5.66 0.37 29.3
    注：加速度幅值比β＝隔震层顶部加速度幅值/隔震层底部加速度幅值。
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    表  3  试验与计算结果对比表

    Table  3.   Comparison of test and calculated results

    工况代号 试验所得加速度幅值比β 计算所得加速度幅值比β′ 误差百分比/%
    200-6-1El0.1 0.50 0.46 8.0
    200-6-1El0.2 0.46 0.45 2.2
    200-6-1El0.3 0.42 0.44 4.8
    200-6-1El0.4 0.42 0.43 2.4
    200-6-1Taft0.1 0.53 0.54 1.8
    200-6-1Taft0.2 0.63 0.53 15.8
    200-6-1Taft0.3 0.45 0.48 6.7
    200-6-1Taft0.4 0.40 0.38 5.0
    300-6-1El0.1 0.48 0.44 8.3
    300-6-1El0.2 0.41 0.41 0.0
    300-6-1El0.3 0.39 0.38 2.5
    300-6-1Taft0.1 0.66 0.54 18.1
    300-6-1Taft0.2 0.49 0.51 4.1
    300-6-1Taft0.3 0.42 0.46 9.5
    200-6-2El0.1 0.66 0.71 7.6
    200-6-2El0.2 0.69 0.70 1.4
    200-6-2El0.3 0.64 0.70 9.4
    200-6-2El0.4 0.61 0.65 6.6
    200-6-2El0.5 0.57 0.60 5.3
    200-6-2El1.0 0.55 0.55 0.0
    200-6-2El1.7 0.48 0.52 8.3
    200-6-2Taft0.1 0.72 0.81 12.5
    200-6-2Taft0.2 0.77 0.79 2.7
    200-6-2Taft0.3 0.74 0.74 0.0
    200-6-2Taft0.4 0.69 0.61 11.6
    200-6-2Taft0.5 0.71 0.61 14.1
    200-6-2Taft1.1 0.61 0.58 4.9
    200-6-2Taft1.7 0.48 0.47 2.1
    200-8-2El0.1 0.85 0.79 7.1
    200-8-2El0.2 0.64 0.75 17.2
    200-8-2El0.3 0.70 0.72 2.9
    200-8-2El0.5 0.73 0.71 2.7
    200-8-2El0.6 0.71 0.69 2.8
    200-8-2El1.7 0.70 0.67 4.3
    200-8-2Taft0.1 0.94 0.88 6.4
    200-8-2Taft0.2 0.80 0.84 5.0
    200-8-2Taft0.3 0.55 0.70 27.3
    200-8-2Taft0.4 0.64 0.67 4.7
    200-8-2Taft0.6 0.60 0.61 1.7
    200-8-2Taft1.5 0.37 0.41 8.1
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    表  4  各试件隔震层参数设计

    Table  4.   Parameter design of isolation layer for all specimens

    试件号 分布位置 钢筋直径/mm 钢筋数/根·m－1 隔震层高度/mm
    Q1 外墙下 6 15 300
    内墙下 6 20
    Q3 外墙下 8 20 400
    内墙下 10 20
    Q5 外墙下 10 20 400
    内墙下 12 20
    Q7 外墙下 12 20 400
    内墙下 14 20
    注：试件号“Q1”表示一层的砌体结构，其余相同。4个试件的上部结构只是层数不同，跨度、跨数、面积等其余参数均相同，隔震层竖向钢筋等级均为HRB400。
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    表  5  计算工况表

    Table  5.   Calculation table of working condition

    试件号 输入波形 输入峰值加速度/g 隔震结构工况代号 非隔震结构工况代号
    Q1 El-Centro 0.1 Q1El0.1-G Q1El0.1
    0.3 Q1El0.3-G Q1El0.3
    1.0 Q1El1.0-G Q1El1.0
    Taft 0.1 Q1Taft0.1-G Q1Taft0.1
    0.3 Q1Taft0.3-G Q1Taft0.3
    1.0 Q1Taft1.0-G Q1Taft1.0
    Q3 El-Centro 0.1 Q3El0.1-G Q3El0.1
    0.3 Q3El0.3-G Q3El0.3
    1.0 Q3El1.0-G Q3El1.0
    Taft 0.1 Q3Taft0.1-G Q3Taft0.1
    0.3 Q3Taft0.3-G Q3Taft0.3
    1.0 Q3Taft1.0-G Q3Taft1.0
    Q5 El-Centro 0.1 Q5El0.1-G Q5El0.1
    0.3 Q5El0.3-G Q5El0.3
    1.0 Q5El1.0-G Q5El1.0
    Taft 0.1 Q5Taft0.1-G Q5Taft0.1
    0.3 Q5Taft0.3-G Q5Taft0.3
    1.0 Q5Taft1.0-G Q5Taft1.0
    Q7 El-Centro 0.1 Q7El0.1-G Q7El0.1
    0.3 Q7El0.3-G Q7El0.3
    1.0 Q7El1.0-G Q7El1.0
    Taft 0.1 Q7Taft0.1-G Q7Taft0.1
    0.3 Q7Taft0.3-G Q7Taft0.3
    1.0 Q7Taft1.0-G Q7Taft1.0
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    表  6  各砌体模型在不同工况下的基频比较

    Table  6.   Comparison of fundamental frequencies of seperately masonry models under different working conditions

    试件号 一阶自振频率/Hz
    隔震结构 非隔震结构
    Q1 1.043 21.20
    Q3 0.920 6.444
    Q5 1.067 3.278
    Q7 1.079 1.973
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    表  7  砌体结构各工况加速度幅值比汇总表

    Table  7.   Acceleration amplitude ratio of masonry structure under different working conditions

    工况代号 加速度幅值比
    隔震结构β1 非隔震结构β2
    Q1El0.1（-G） 0.48 1.01
    Q1El0.3（-G） 0.46 1.01
    Q1El1.0（-G） 0.44 1.01
    Q1Taft0.1（-G） 0.42 1.06
    Q1Taft0.3（-G） 0.41 1.06
    Q1Taft1.0（-G） 0.41 1.06
    Q3El0.1（-G） 0.35 1.60
    Q3El0.3（-G） 0.34 1.60
    Q3El1.0（-G） 0.49 1.60
    Q3Taft0.1（-G） 0.41 1.66
    Q3Taft0.3（-G） 0.40 1.66
    Q3Taft1.0（-G） 0.43 1.66
    Q5El0.1（-G） 0.63 1.80
    Q5El0.3（-G） 0.62 1.80
    Q5El1.0（-G） 0.60 1.80
    Q5Taft0.1（-G） 0.61 2.16
    Q5Taft0.3（-G） 0.65 2.16
    Q5Taft1.0（-G） 0.59 2.16
    Q7El0.1（-G） 0.95 2.21
    Q7El0.3（-G） 0.95 2.21
    Q7El1.0（-G） 0.95 2.21
    Q7Taft0.1（-G） 1.08 1.68
    Q7Taft0.3（-G） 1.00 1.68
    Q7Taft1.0（-G） 1.00 1.68
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  • 收稿日期:  2017-08-22
  • 刊出日期:  2018-06-01

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