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独立式石箍窑洞振动台试验研究

张风亮 潘文彬 刘祖强 胡晓锋 赵湘璧

张风亮, 潘文彬, 刘祖强, 胡晓锋, 赵湘璧. 独立式石箍窑洞振动台试验研究[J]. 工程力学, 2023, 40(2): 85-96. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614
引用本文: 张风亮, 潘文彬, 刘祖强, 胡晓锋, 赵湘璧. 独立式石箍窑洞振动台试验研究[J]. 工程力学, 2023, 40(2): 85-96. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614
ZHANG Feng-liang, PAN Wen-bin, LIU Zu-qiang, HU Xiao-feng, ZHAO Xiang-bi. STUDY ON SHAKING TABLE TEST OF FREESTANDING STONE CAVE DWELLING[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(2): 85-96. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614
Citation: ZHANG Feng-liang, PAN Wen-bin, LIU Zu-qiang, HU Xiao-feng, ZHAO Xiang-bi. STUDY ON SHAKING TABLE TEST OF FREESTANDING STONE CAVE DWELLING[J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(2): 85-96. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614

独立式石箍窑洞振动台试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.08.0614
基金项目: 陕西省重点研发项目(2022LL-JB-13);陕西省住房城乡建设科技科研开发计划项目(2019-K24);陕西省建筑科学研究院科研项目(2019-1-309,2020-11-350,2021-11-370)
详细信息
    作者简介:

    张风亮(1985−),男,山东潍坊人,正高工,博士,主要从事文物建筑与传统民居加固保护研究(E-mail: 364580843@qq.com)

    潘文彬(1990−),男,山西晋中人,助理工程师,硕士,主要从事传统民居抗震性能研究(E-mail: 862407211@qq.com)

    胡晓锋(1992−),男,安徽安庆人,工程师,硕士,主要从事既有建筑安全性鉴定及加固设计研究(E-mail: 615875660@qq.com)

    赵湘璧(1987−),男,陕西榆林人,讲师,博士,主要从事传统建筑结构及抗震性能研究(E-mail: zhaoxiang0711@163.com)

    通讯作者:

    刘祖强(1984−),男,山东青岛人,副教授,博士,主要从事钢-混凝土组合结构及工程结构抗震研究(E-mail: liuzuqiang0081@126.com)

  • 中图分类号: TU363

STUDY ON SHAKING TABLE TEST OF FREESTANDING STONE CAVE DWELLING

  • 摘要: 根据现场调研,以山西省静乐县典型三连拱独立式石箍窑洞为研究对象,设计制作了缩尺比例为1∶4的模型结构,并对其进行了地震模拟振动台试验,分析了模型结构的自振频率、阻尼比、加速度放大系数、最大相对位移、位移角、底部剪力与耗能等。结果表明:独立式石箍窑洞结构在地震作用下的薄弱部位为边洞洞口处拱顶与中窑腿;随着输入地震波峰值加速度的增大,模型结构自振频率下降,阻尼比上升;模型结构各部位的动力放大系数随着输入峰值加速度的增加变化不大, x向动力放大系数最大处为拱顶,y向动力放大系数最大处为窑顶;输入加速度峰值为70 gal(小震)、200 gal(中震)、440 gal(大震)时,结构最大侧移角均出现在拱顶,分别为1/1618、1/491、1/255,输入峰值加速度为600 gal时,最大侧移角出现在窑顶,为1/102;输入峰值加速度为800 gal时,结构的最大扭转角为0.0037 rad;底部剪力和累积滞回耗能均随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。
  • 图  1  三连拱独立式石箍窑洞

    Figure  1.  Freestanding stone cave dwelling with 3-arch

    图  2  试验模型立面图

    Figure  2.  Elevation of the test model

    图  3  模型制作

    Figure  3.  Model making

    图  4  试验加载模型

    Figure  4.  Test loading model

    图  5  三条地震波影响系数曲线对比

    Figure  5.  Comparison of influence coefficient of three seismic waves

    图  6  各位置示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of each position

    图  7  测点布置

    Figure  7.  Layout of measuring points

    图  8  结构损伤情况图示

    Figure  8.  Illustration of structural damage

    图  9  x向不同峰值加速度下动力放大系数

    Figure  9.  Dynamic amplification factor under different peak acceleration in x direction

    图  10  y向不同峰值加速度下动力放大系数

    Figure  10.  Dynamic amplification factor under different peak accelerations in y direction

    图  11  不同工况下位移时程曲线

    Figure  11.  Displacement time history curves under different working conditions

    图  12  不同地震波作用下的位移包络图

    Figure  12.  Displacement envelope diagram under different seismic waves

    图  13  不同地震波作用下最大位移角

    Figure  13.  Maximum displacement angle under different seismic waves

    图  14  扭转示意图

    Figure  14.  Torsion diagram

    图  15  水平地震作用下的扭转角

    Figure  15.  Torsion angle under the action of seismic waves

    图  16  模型底部剪力变化曲线

    Figure  16.  Shear change curve at the bottom of the model

    图  17  结构累计滞回耗能曲线

    Figure  17.  Cumulative hysteretic energy consumption curve of structure

    表  1  模型参数相似关系

    Table  1.   Similarity of model parameters

    物理量相似关系物理量相似关系
    长度1/4质量1/32
    位移1/4时间${\text{1}}:2\sqrt 2 $
    应力1加速度2
    弹性模量1频率$2\sqrt 2 :1$
    密度2阻尼$1:16\sqrt 2 $
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    表  2  黄土的动力特性

    Table  2.   Dynamic properties of loess

    密度
    ρ/(g/cm3)
    干密度
    ρd/(g/cm3)
    含水率
    ω/(%)
    初始动弹性模量
    Ed0/(kg/cm2)
    阻尼比
    ξ
    固结应力比
    Kc
    破坏振次
    Nf
    围压
    σ3/kPa
    破坏动应力
    σdf/kPa
    动粘聚力
    Cd/kPa
    动摩擦角
    φ/(º)
    1.781.6311.62358.410.087~0.1314.51090373.4688.4240.69
    100393.99
    110410.95
    2090373.1788.12
    100393.12
    110409.93
    3090372.5787.94
    100392.25
    110408.91
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    表  3  试验加载工况

    Table  3.   Testing loading cases

    序号工况编号输入峰值加速度${a_{pg}}/g$地震
    水准
    xyz
    1B1
    2/3/4Ex1/Lx1/Rx10.077度
    多遇
    5/6/7Exy1/Lxy1/Rxy10.070.060
    8/9/10Exyz1/Lxyz1/Rxyz10.070.0600.046
    11B2
    12/13/14Ex2/Lx2/Rx20.148度
    多遇
    15/16/17Exy2/Lxy2/Rxy20.140.119
    18/19/20Exyz2/Lxyz2/Rxyz20.140.1190.091
    21B3
    22/23/24Ex3/Lx3/Rx30.207度
    设防
    25/26/27Exy3/Lxy3/Rxy30.200.170
    28/29/30Exyz3/Lxyz3/Rxyz30.200.1700.130
    31B4
    32/33/34Ex4/Lx4/Rx40.447度
    罕遇
    35/36/37Exy4/Lxy4/Rxy40.440.370
    38/39/40Exyz4/Lxyz4/Rxyz40.440.3700.290
    41B5
    42/43/44Ex5/Lx5/Rx50.608度
    (0.3 g)
    设防
    45/46/47Exy5/Lxy5/Rxy50.600.510
    48/49/50Exyz5/Lxyz5/Rxyz50.600.5100.390
    51B6
    52/53/54Ex6/Lx6/Rx60.809度
    设防
    55/56/57Exy6/Lxy6/Rxy60.800.680
    58/59/60Exyz6/Lxyz6/Rxyz60.800.6800.520
    61B7
    62Ex71.00
    63Exy71.000.850
    64Exyz71.000.8500.650
    65B8
    66Ex81.249度
    罕遇
    67Exy81.241.050
    68Exyz81.241.0500.810
    69B9
    注:x向为平行于窑脸方向;y向为沿窑洞进深方向。
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    表  4  模型结构自振频率与阻尼比

    Table  4.   Frequency and damping ratio of model structure

    加载阶段xy
    频率/Hz阻尼比/(%)频率/Hz阻尼比/(%)
    震前(B1)18.361.3415.044.97
    输入0.07 g(B2)17.971.4414.847.32
    输入0.14 g(B3)17.961.6414.557.69
    输入0.28 g(B4)16.991.7514.008.45
    输入0.44 g(B5)15.532.6013.969.77
    输入0.60 g(B6)14.452.7313.969.80
    输入0.80 g(B7)12.014.3012.699.22
    输入1.00 g(B8)9.086.3010.549.34
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    表  5  台面加速度和基础顶面加速度对比

    Table  5.   Comparison of acceleration between platform and foundation

    输入加速度峰值/gx向(m/s2)y向(m/s2)
    台面基础顶面比值台面基础顶面比值
    0.070.6720.6730.9990.5830.5850.997
    0.141.3751.3731.0011.1631.1660.997
    0.282.7522.7550.9992.3352.3341.000
    0.444.3214.3260.9993.6683.6691.000
    0.605.7895.7881.0004.9944.9961.000
    0.807.8527.8521.0006.6696.6671.000
    1.009.7969.8010.9998.3368.3391.000
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-09
  • 录用日期:  2021-12-31
  • 修回日期:  2021-12-21
  • 网络出版日期:  2021-12-31
  • 刊出日期:  2023-02-01

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