建筑幕墻抗震性能檢測技術

徐 勤 ，徐龍濤，王 驊

（1上海建科檢驗有限公司，上海 200000；2上海光贏能源科技有限公司，上海 200000）

1 概述

建筑幕墻近年來發展迅猛，我國已經成為世界第一幕墻生產大國和第一幕墻使用大國，建筑幕墻不僅可以通過不同的飾面材料及不同的結構滿足建筑物的外裝獨特的藝術視覺效果，而且具有保護建筑物、遮風、擋雨、隔聲隔熱、采光、通風、抗震等建筑功能，與普通填充墻相比，建筑幕墻具有建設速度快、結構質量輕、易維護的特點。建筑幕墻按照施工方式不同通常分為單元式幕墻和構件式幕墻；按照面板材料類型不同通常分為玻璃幕墻、金屬板幕墻、建筑幕墻幕墻、人造板材幕墻、組合面板幕墻。此外，目前還出現了智能幕墻、雙層幕墻、光伏幕墻等新型高科技幕墻產品，建筑幕墻是由面板與支承結構體系（支承裝置與支承系統）組成，可相對主體結構有一定位移能力或自身有一定變形能力，但不承擔主體結構所受作用的建筑外圍護墻。

建筑幕墻設計時需要考慮建筑造型和建筑結構多方面的性能要求，譬如力學（強度、剛度及穩定性）、防水、隔熱、氣密、防火、抗震和避雷等性能，這些性能與使用功能和人身安全都有著密切關系，建筑幕墻作為建筑物的外圍護構件，主要承受風荷載、自重及地震荷載。相比而言，地震荷載較小，但地震作用是動力作用，對幕墻與主體結構的連接節點有較大的影響，而連接點的破壞有可能引起幕墻的脫落、倒塌。因此，對幕墻的抗震性能進行試驗，了解在地震作用下幕墻結構的變化情況很有必要。地震作用和結構抗震驗算是建筑抗震設計的重要環節，是確定所設計的結構是否滿足最低抗震設防安全要求的關鍵環節。

由于地震作用的復雜性和地震作用發生的強度的不確定性，以及結構和體形的差異等，地震作用對建筑幕墻結構影響的計算方法也是不同的，一個世紀以來，幕墻結構地震反應計算方法也經歷了一個由簡到繁，由片面到全面的發展過程，1920年，由日本大森房吉提出的靜力法。即假設建筑物為絕對剛體，結構所受的水平地震作用，可以簡化為作用于結構上的等效水平靜力，但這種方法的缺點就是沒有考慮結構的動力特性，認為地震時結構上任一點的振動加速度均等于地面運動的加速度，這意味著結構剛度是無限大的，即結構是剛性的。這是一種理想狀態，與實際情況有很大的差距，所以這種方法就顯得的比較片面；1943年美國皮奧特（M.A.Biot）發表了以實際地震記錄求得的加速度反應譜，提出的“彈性反應譜理論”，由于反應譜理論正確而簡單地反映了地震特性以及結構的動力特性，從而得到了國際上廣泛的承認。實際上到50年代，反應譜理論已基本取代了靜力法。目前，世界上普遍采用此方法。大量的震害分析表明，反應譜理論雖考慮了振幅和頻譜兩個要素，但只解決了大部分問題，地震持續時間對震害的影響始終在設計理論中沒有得到反映。這是反應譜理論的局限性。時程分析法將實際地震加速度時程記錄作為動荷載輸入，進行幕墻結構的地震響應分析。不僅可以全面考慮地震強度、頻譜特性、地震持續時間等強震三要素，還進一步考慮了反應譜所不能概括的其它特性。

我們目前研制的幕墻抗震模擬測試臺就是在時程分析法的理論基礎上，開發研制的一套幕墻抗震模擬測試臺，該測試臺在水平或垂直方向都可以靈活的布置執行機構，采用SIEMENS的振動控制器和伺服控制器，針對不同的地震等級，產生不同的模擬測試效果。該模擬測試臺具有推力大，行程長，能模擬極低頻率的地震波，從而可以客觀的評價建筑幕墻的抗震能力。地震模擬試驗臺滿足《建筑抗震試驗方法規程》JGJ 101的設備要求，能夠準確的復現各種地震波（例如EI-Centro地震波，人工合成的地震波等），用戶只需根據試驗要求及結構特點等因素，在建筑物結構模型上布置數量不等的加速度和應力測點，通過采集這些測點的地震反應（加速度， 位移，動應力）來研究整體結構和主要構件在地震作用下的變形規律和受力狀態。同時，該地震模擬模擬試驗臺可按照客戶的需求靈活定制，并參考國內外地震模擬試驗標準完成相應的地震模擬試驗。例如GR-63-CORE ISSUE3、《高壓開關設備和控制設備的抗震要求》GB/T 13540、《電工電子產品環境試驗 第3部分：試驗導則 地震實驗方法》GB/T 2424.25等。

2 理論依據

2.1 樣品要求

測試樣品種類：一類采用鋁板+玻璃(方向為試驗時的X方向)，鋁板采用3mm厚單層成型鋁板，玻璃采用6mm厚鋼化玻璃；另一為建筑幕墻+玻璃(方向為試驗時的Y方向)，建筑幕墻采用30mm厚花崗巖，玻璃采用8mm厚鋼化玻璃；為便于試驗幕墻下部部分沒有安裝面板，面板安裝后的縫隙未注密封膠。試驗框架的單個面安裝幕墻。

2.2 幕墻與框架的連接

幕墻通過鋼連接件、錨栓與主體結構（試驗框架的梁、柱）相連接。連接點的設置為幕墻主龍骨與結構梁水平線相交的地方，每一連接點由四個錨栓與主體聯接。在結構柱處的轉角部位，考慮到錨栓安裝的合理間隙，連接點略作錯位處理。錨栓選用的是進口產品，梁部位的錨栓為M10，柱部位的錨栓為M12，施工時嚴格按照其產品的施工要求進行。

2.3 測點布置

試驗時在模型框架梁及相應位置的幕墻外表面，沿水平X向和Y向分別布置有10個加速度計，共20個。

2.4 理論公式

慣性力：

彈性恢復力：

阻尼力：

運動方程：

采用結構動力學中的振型分解法， 多自由度線性體系的振動位移x（t）可以表示為各振型下位移反應的疊加（線性組合）。

多自由度彈性體系在地震時質點所受到的慣性力就是質點的地震作用。質點上的地震作用為：

根據上式做成Fi(t)隨著時間變化的曲線，即時程曲線。曲線上Fi(t)的最大值就是設計用的最大地震作用。由于計算繁瑣，一般采用先求出每一個振型的最大地震作用及其的地震作用效應，然后組合這些效應，以求結構的最大地震作用效應。

最大地震作用在第j振型第i質點的水平地震作用絕對最大標準值：

令

則上式改寫為

求出j振型i質點上的最大地震作用后，就可計算結構的地震作用效應Sj（彎矩，剪力，軸力，變形），這里的Sj也是最大值。但任一時刻當某一振型的地震作用（使其相應的效應）達最大值時，其他各振型的地震作用及效應并不一定也達到最大值。則結構總的地震作用效應近似采用“平方和開方”的方法確定，即：

2.5 測試幕墻的抗震性能步驟

試驗時，在每一級地震波輸入后，輸入白噪聲隨機波測定模型自振特性與動力反應。位移確定是通過對加速度測點的響應時程處理并進行積分變換對應加速度測點，獲得相對振動臺臺面運動的相對位移響應過程。

試驗過程：分別沿X向、Y向輸入人工波及EL-Centro地震波，加速度分別為0.035g(7度小震)、0.07g(8度小震)、0.10g(7度中震)、0.22g(7度大震)、0.40g(8度大震)、0.62g(9度大震)，EL-Centro波輸入時，加速度最大達到0.70g(9度大震強)。共輸入八級。模型加速度反應：X向人工波實測臺面加速度最大值為0.612g，Y向人工波實測臺面加速度最大值為0.675g，相當于9度大震。X向EL-Centro波實測臺面加速度最大值為0.707g，Y向EL-Centro波實測臺面加速度最大值為0.696g，相當于9度大震的加速度輸入。在此階段，當Y向輸入臺面加速度0.67g人工波時，框架模型加速度反應達到最大值為1.5g，加速度放大2.24倍，幕墻面內最大加速度反應達到2.02g，加速度放大3.02倍。

模型現象：在第六級輸入0.40g EL-Centro波后，建筑幕墻有滑動現象；第七級輸入0.62g人工波、EL-Centro波后，建筑幕墻有滑動現象。通過觀察模型結構變形情況及錨栓連接情況，未發現幕墻連接節點有松動現象。

模型相對位移：在X向輸入臺面加速度0.708g EL-Centro波時，框架模型頂部相對位移反應達到最大值2.97cm，頂點位移與高度比值為1/168。幕墻最大相對位移反應達到3.006cm。

模型層間位移反應：在X向輸入臺面加速度0.708g EL-Centro波時，框架模型頂部最大層間位移反應達到最大值2.457cm，層間位移角為1/102。幕墻最大層間位移達到2.529cm。

2.6 數據處理

P-MA 數據采集與分析儀將PXI 總線和千兆以太網技術緊密結合，構建出一個性能卓越的輸入高達64通道的測試分析平臺。 PXI總線和千兆網相結合的數據傳輸與管理功能保證了64通道數據采集與傳輸的同步性，實現多輸入單輸出（MISO）振動控制、多點多軸（MIMO）振動控制，使系統具有優良的擴展性和可靠性。P-MA 利用QX 實時操作系統和機載板卡DSP，構成了數據的實時分析處理和多種分析功能。通過控制系統對數值進行分析從而測出在該位移下的力，并采集試驗中結構的應變、位移數據，進行數據對比演算處理。

2.7 試驗數據對幕墻設計的理論指導

該試驗環節是幕墻設計中十分重要的工作，因作用在幕墻上的荷載有重力荷載、風荷載、雪荷載等，此外還有使結構產生變形和內力的作用，有地震作用、溫度作用。如果取值過大，所設計的結構尺寸會會偏大，造成浪費；如果過小，則所設計的結構不夠安全。通過試驗數據與幕墻標準要求的對比，可以指導我們的設計人員在設計時選擇一個切實可行的結構型式和結構體系，加強薄弱部位的設計，特別注意結構連接節點是否設計可靠，尤其是不要遺漏結構焊縫、耳板、銷軸、連接板的設計計算，各種結構型式的受力特點，必要時需考慮溫度應力的影響。除此之外，還應注意綜合考慮多道防線設計，盡量避免薄弱點的出現，以及正常使用極限狀態的驗算等。幕墻是懸掛在主體建筑上的外圍結構，幕墻結構僅承受幕墻本身受到的荷載，不能承受主體建筑傳來的荷載。而幕墻結構所承受的荷載必須通過連接傳給主體建筑，并且應該適應主體建筑的變形。重視鋼結構連接節點可靠性（耳板、銷軸、焊縫的計算等）；有框幕墻及石材是掛在主體結構上，其連接非常重要（預埋件、螺栓、角碼）；隱框幕墻設計要謹慎，玻璃下設托條，結構膠設計計算及質量能得到可靠保證，另因為鋼結構的穩定計算要考慮φ值、長細比及平面外穩定，通過改試驗可以明確各種荷載傳遞路徑與結構體系中各桿件所擔負功能。盡量使荷載傳遞路徑簡捷。

3 小結

面對近年頻發的地震災害，建筑結構安全越發引起高度重視，幕墻作為建筑物的外圍護結構，其安全性更不容忽視，我們一定要貫徹國家抗震規范，做好幕墻抗震設計，確保其完整和安全的使用功能。

[1]建筑幕墻抗震性能振動臺試驗方法.(GB/T18575-2001).

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[5]王翠坤，肖從真，趙西安;幕墻抗震性能試驗研究[J].建筑結構，2002，(09).