传统木结构建筑足尺模型模拟地震振动台试验研究

1、传统木结构建筑足尺模型模拟地震振动台试验研究摘 要：传统木结构建筑在既往的地震中表现出了良好的抗震性能，同时也存在着一些不足。通过对传统木结构建筑足尺模型的振动台试验研究，确定木结构建筑在地震作用下的应答状况，研究结构的动力特性及其地震反应的变化规律，为现存的中国悠久的木结构古建筑的加固、修善寻找有效可行的方法。关键词：传统木结构建筑；振动台试验；动力特性；墙面板；屋面刚度中图分类号：TU313.31 引言中国传统木结构建筑有几千年的历史，其独特的结构体系博大精深，代表着东方的建筑文化，成为东方的建筑文化瑰宝，在世界的建筑历史上占有特别重要的地位。其影响深远，远及日本、韩国等国家1。然而，许多

2、传统木结构建筑在历史的发展过程中由于各种原因而消失了，只有很少部分的木构建筑遗留了下来。随着时光的流逝，传统木结构建筑的破坏也日趋严重，保护、维护以及加固这些传统木结构建筑已迫在眉睫。为此，本文着眼于传统木结构建筑的抗震性能研究，通过模拟地震振动台试验的研究方式讨论其抗震机理，为传统木结构建筑的保护、维护以及加固提供一些理论依据和技术性的参考。本次试验是2007 年1 月在日本防灾科学技术研究所兵库抗震工程研究中心进行的。其目的是通过对结构整体模型进行模拟地震振动台试验研究的方法考察模型的动力特性以及在地震作用前后动力特性的变化，模型在地震作用下的反应以及破坏机制等方面的内容。2 试验概况2.

3、1 模型介绍本模型为足尺试验模型，试验模型的构件全部由木材制作，主要构件所用木材来自德岛县产的杉木。试验模型为带墙面板的传统梁柱榫卯结构，模型为一层，平面尺寸为10.92m3.64m。分为柱脚固定和柱脚滑移两个试验模型，本文主要介绍柱脚固定试验模型(下图中左边的模型)。柱脚固定试验模型层高为2.93m，柱横向间距和纵向间距均为1.92m，柱截面和基础梁截面尺寸均为120mm120mm，屋面外框架梁截面尺寸为120mm270 mm，次梁截面尺寸为120mm210mm。试验模型概貌如图1 所示，屋面钢锤布置如图2 所示。图1 振动台试验模型概貌 图2 屋面钢锤布置-2-本次试验考虑了墙面板的三种配

4、置方式，从而实现房屋刚度的不同偏心，以及屋面分别为刚性、半刚性、柔性三种情况，分别进行振动台试验，考察不同的墙面板配置和屋面刚度对房屋整体构架在地震作用下的反应的影响。墙面板的三种配置方式的示意图如图3 所示。(a) 配置A(小偏心) (b) 配置B(无偏心) (c) 配置C(大偏心)图3 墙面板配置方式示意图2.2 加载方案、测点布置及试验阶段试验模型的短边方向（Y 向）为主要的加振方向，作为主要的输入地震波，使用了日本建筑中心模拟波(BCJ-L2)，进行最大加速度分别为100、200、300cm/s2 的地震波加振试验。为了了解房屋在墙面板配置C 情况下受到大震时的损伤状况，使用了JMA

5、神户波。在振动台的台面、模型的顶部分别安装了加速度计和位移计来采集各测点的加速度和位移反应。在柱子上下端分别粘贴了应变片，以获得各阶段模型的内力变化情况。本次试验共进行了三个阶段的振动台试验。第一阶段为半刚性屋面时，分别进行三种墙面板配置下的振动试验；第二阶段为刚性屋面时，分别进行三种墙面板配置下的振动试验；第三阶段为柔性屋面时，分别进行三种墙面板配置下的振动试验。3 试验结果及分析3.1 破坏现象本次试验在试验过程中及到试验体拆卸的时候进行了各部分的损伤观察，在这里叙述其主要的损伤状况。随着输入加速度的增大，在干式土壁覆面板上出现了裂纹以及固定覆面板的少许角部螺钉被拔出。特别是出现由于柱子脚

6、的浮起，着陆的时候冲击螺钉使其拔出的现象。同时，在柱子底面，由于跟基石的摩擦边部卷缩磨损，柱脚截面边部的棱角变得模糊，大约磨减了12mm 左右，在试验后的基石上发现了细小的磨损粉。试验结束后，通过拆卸模型时的损伤观察，发现在柱子和横梁的榫卯结点处有较大的缺损。除此之外，柱子和地梁的交接处也有损坏；柱头及柱脚在内栓的连接处有旋转拔出的现象；在榫头处内栓附近有木块割裂的现象，栓孔处也出现了裂缝；有些节点处的榫头甚至发生断裂。损伤情况如图4、图5 所示。-3-图4 干式土壁覆面板的损伤情况 图5 榫头的损伤情况3.2 模型自振频率的确定在进行动力试验前后，对试验模型进行了最大加速度为25cm/s2

7、的白噪声扫频试验，以确定模型在振动试验前后的动力特性。在试验模型短边方向（Y 向）和长边方向分别加振，通过对各测点的频谱特性、传递函数以及时程反应分析，可以得到模型结构在不同水准地震作用前后的自振频率。由加速度时程经FFT 变换得到相对台面的传递函数2 3。在模型结构的自振频率处，由于共振效应传递函数曲线出现峰值，通过传递函数曲线峰值所对应的频率值可以确定模型的自振频率4 5。通过白噪声扫频得到模型加振前后短边方向(Y 向)的一阶自振频率及周期如表1 所示。地震波加振后，各种情况下结构的自振频率都有所降低，谱曲线中振幅变小明显。地震波加振后结构的自振频率在墙面板配置C 时降低的较少，而在刚性屋

8、面、墙面板配置B 时降低的较多，降幅接近50%。上述自振频率的变化情况，考虑到是因为用地震波加振导致结构产生了某种损伤而使房屋结构的刚性降低，从而导致结构的自振频率的减小。表1 模型的一阶自振频率及周期加振前 加振后屋面 墙配置自振频率(Hz) 周期(s) 自振频率(Hz) 周期(s)A 2.48 0.403 1.60 0.625B 2.40 0.417 1.31 0.763刚性C 1.12 0.893 1.02 0.980A 2.40 0.417 1.58 0.633B 2.12 0.472 1.55 0.645半刚性C 1.17 0.855 1.00 1.00A 2.06 0.485 1.

9、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声加振得到的传递函数曲线的对比图如图4 所示。图中列出了柱脚固定试验模型在墙面板配置A 时、刚性屋面情况下的对比曲线。-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 3 4 5 60.00.51.01.52.03.12Hz1.60HzX1X5X9X13Frequ

10、ency (Hz)Amplitude-1000010000 1 2 3 4 5 6Frequency (Hz)Angle(deg)(a)加振前 (b)加振后图4 墙面板配置A 刚性屋面时在白噪声加振前后的传递函数曲线对比3.3 模型结构的加速度反应3.3.1 加速度反应时程振动试验中，在各个试验工况分别进行了白噪声和三种强度的BCJ-L2 波以及JMA 神户波的地震波试验。图5图7 给出了柱脚固定试验模型在BCJ-L2 波Y 向各级加振下墙面板配置A 时模型屋面不同刚度时的加速度反应时程对比 (45s 后的反应较小未给出)。0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-200-100

11、0100200加速度(gal)时间(s)半刚性刚性柔性图5 BCJ-L2(100cm/s2 )波加振下屋面不同刚度时的加速度反应时程0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-300-200-1000100200300加速度(gal)时间(s)半刚性刚性柔性图6 BCJ-L2(200cm/s2 )波加振下屋面不同刚度时的加速度反应时程-5-0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-600-400-2000200400600加速度(gal)时间(s)半刚性刚性柔性图7 BCJ-L2(300cm/s2 )波加振下屋面不同刚度时的加速度反应时程从图中可以看出，模型的加速度反

12、应随着地震波强度的增大而增大；屋面为刚性时比屋面为柔性时，在各种强度的地震波作用下模型顶部的加速度反应略小；且两者都比屋面为半刚性时模型顶部的加速度反应要小。3.3.2 加速度放大系数通过设置在模型上的加速度传感器，可以测得模型在台面地震波作用下房屋顶部的绝对加速度反应时程曲线，其幅值相对于台面输入加速度幅值的比值，即为加速度动力放大系数。各个试验阶段房屋顶部在BCJ-L2 波Y 向各级加振下的加速度放大系数见表2。表中地震波强度的单位为cm/s2。各试验阶段在BCJ-L2 波Y 向各级加振下房屋各断面的加速度放大系数见图8图10，图中X1、X5、X9、X13 分别为模型平面图中X 轴的相应轴

13、号所在的断面。从表中及图中可以看出，在各个试验阶段，随着地震波强度的增大，模型整体的加速度放大系数在减小。在墙面板配置A 下，刚性屋面时模型的加速度放大系数最小，柔性屋面时的最大；在墙面板配置B 下，刚性屋面时模型的加速度放大系数最小，半刚性屋面时的最大。在墙面板配置C 下，半刚性屋面时模型的加速度放大系数最小。表2 各试验阶段模型顶部的最大加速度放大系数半刚性屋面 刚性屋面 柔性屋面墙板配置 地震波实测台面峰值 实测台面峰值 实测台面峰值 BCJ100 114.5 1.917 117.4 1.561 114.7 2.031A BCJ200 248.1 1.598 250.7 1.343 24

14、8.8 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 1.384 246.8 1.469BCJ300 388.3 1.276 390.3 1.293 389.

15、6 1.183-6-X1 X5 X9 X131.21.31.41.51.61.71.81.92.0加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X131.01.21.41.61.82.0加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.70.80.91.01.11.21.31.4加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300(a) 配置A (b) 配置B (c) 配置C图8 半刚性屋面各种墙面板配置时模型各断面的加速度放大系数X1 X5 X9 X130.80.91.01.11.21.31.41.51.6加速度放大系数断面号

16、BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.7加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300(a) 配置A (b) 配置B (c) 配置C图9 刚性屋面各种墙面板配置时模型各断面的加速度放大系数X1 X5 X9 X130.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.02.12.2加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300

17、X1 X5 X9 X131.01.11.21.31.41.51.61.7加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300X1 X5 X9 X130.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6加速度放大系数断面号BCJ100BCJ200BCJ300(a) 配置A (b) 配置B (c) 配置C图10 柔性屋面各种墙面板配置时模型各断面的加速度放大系数3.4 模型结构的位移反应各个试验阶段房屋顶部在BCJ-L2 波Y向各级加振下相对于台面的最大位移及位移角如表3 所示。各试验阶段在BCJ-L2 波Y 向各级加振下房屋各断面相对于台面的最大位移见图11图13。图中X1、X

18、5、X9、X13 分别为模型平面图中X 轴的相应轴号所在的断面。表3 各试验阶段模型顶部相对于台面的最大位移及位移角半刚性屋面 刚性屋面 柔性屋面墙板配置 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 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)断面号BCJ100BCJ200BCJ