新型 SIP 填充墻板框架結構足尺振動臺試驗研究

第一作者王曙光男，博士，教授，1972年生

新型SIP填充墻板框架結構足尺振動臺試驗研究

王曙光，莊麗，杜東升，李威威

(南京工業大學土木工程學院，南京211816)

摘要：對兩層鋼筋混凝土純框架及帶有新型SIP填充墻板的框架結構進行足尺振動臺試驗，對比研究了結構及墻板的破壞過程和破壞模式，分析了新型SIP墻板對鋼筋混凝土框架結構的周期、阻尼比、剛度、樓層加速度以及樓層位移的影響。研究結果表明：與裸框架相比，帶有新型SIP填充墻板的框架結構每一層抗側剛度提高了2.42倍，阻尼比提高了1.87倍且帶SIP填充墻板框架結構的阻尼比為5.891%，大于通常在進行普通填充墻結構抗震設計時所采用的5%，說明SIP填充墻板比一般填充墻耗能能力強；結構的樓層位移模式呈剪切型變形特點，層間位移角小于規范限值；從彈性到塑性過程中，除了柱根和墻板上出現裂縫外，沒有出現整體垮塌現象說明填充墻體與框架的連接措施可靠，可以在地震區推廣使用。

關鍵詞：SIP填充墻板；框架結構；振動臺試驗；動力特性；地震反應

基金項目：國家科技支撐計劃資助(2012BAJ06B00);國家科技支撐計劃資助(2012BAJ07B00)

收稿日期：2014-05-20修改稿收到日期：2014-08-19

中圖分類號:TU375.4文獻標志碼：A

Full scale shaking table tests on frame structure with new SIP filling wallboard

WANGShu-guang,ZHUANGLi,DUDong-sheng,LIWei-wei(College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract:Full scale shaking table tests on a two-layer reinforced concrete frame without wallboard and with a new type of SIP filling wall plate were conducted, in order to study the failure process and failure modes of the reinforced concrete frame and wallboard. The influences on the vibration period, damping ratio and stiffness of the reinforced concrete frame because of the addition of the new SIP wallboard were investigated. From the results, it is found that compared with the reinforced concrete frame without wallboard, the lateral stiffness increases 2.42 times for each layer and the damping ratio increases 1.87 times in the frame structure with the new SIP filling wall plate. The damping ratio is 5.891%, more than 5%, and its energy dissipation ability is better than that of the ordinary filling wall. The acceleration amplification coefficient of the structure decreases as the earthquake intensity increases and it increases as the floor height increases. The floor displacement mode of the structure belongs to the type of shear deformation and the interlayer displacement angle is less than the standard limit. From elastic to plastic states, beside the appearance of cracks at the root of the pillars and on the wall, there is no overall collapse phenomenon. The results indicate that the connection measures between the wallboard and the frame are reliable and these kinds of connection measures can be used widely in the earthquake region.

Key words:SIP filling wallboard; frame structure; shaking table test; dynamic characteristics; seismic response

填充墻框架結構在我國應用比較廣泛。由歷次地震災害可知，普通填充墻剛度和重度均較大，且自身延性較差，對框架結構整體性能的影響較大，倒塌時容易整體垮塌，易造成二次災害，給災后救援工作帶來了較大的不便[1-2]。針對上述情況，國內外開展了輕質填充墻板的科學研究。1935年美國威斯康辛州麥迪遜城的一家林木產品實驗室(FPL)提出了SIP(Structural Insulated Panels)墻板的概念，是由兩層OSB(歐松板)等為面板和一層保溫芯板疊合而成的復合板材[3]。Tissell[4]進行了6組共100多個SIP墻片單調加載試驗；Jamison[5]對23片足尺SIP墻板進行了低周往復荷載試驗；美國土木協會[6-7]對SIP墻板進行了動力性能測試的試驗，發布了SIP墻板動力性能分析的白皮書，總結了高度以及開洞率對SIP墻體承載力的影響規律，并提出了面板與芯材的應力公式。國內對這方面研究較少，王曙光等[8-9]研發了自保溫SIP墻板，所用材料及連接件與他人不同，并對該新型SIP墻板進行了基本性能試驗，研究表明該自保溫墻板的大部分性能優于規范限值；王曙光等[10]對該自保溫SIP墻板框架結構進行了低周反復荷載試驗，研究表明該墻板對結構的延性、強度、耗能等抗震性能都是有利的。

已有研究均著眼于靜力加載時新型SIP填充墻板對框架承載力的影響，而動力加載時對框架結構周期、阻尼的影響少有研究。本文對兩層鋼筋混凝土純框架及帶有新型SIP填充墻板的框架結構進行足尺振動臺試驗，對比研究了結構及墻板的破壞過程和破壞模式，并檢驗填充墻板與框架結構之間連接措施的可靠性，評價自保溫SIP填充墻板框架結構的整體抗震性能，并給出設計建議。

1試驗概況

1.1模型的設計

試驗模型的原型為一個典型的二層單跨住宅。根據規范[11-13]，考慮振動臺臺面尺寸和承載能力后對其進行建筑設計。試驗縮尺比例為1∶1。設計基本信息為：設計使用年限為50a；建筑結構的安全等級為三級，相應的結構重要性系數為γo=1.0；抗震設防烈度為7°，設計基本地震加速度為0.10 g，Ⅱ類場地，地震分組為第一組；基本風壓0.4 kN/m2，地面粗糙程度B類，丙類建筑。

試驗模型總高5.5 m，底梁以上結構總高5.2 m，層高2.6 m。橫向柱距2.1 m，縱向柱距2.6 m?？蚣苤孛娉叽鐬?.2 m×0.2 m，框架梁截面尺寸為0.15 m×0.2 m，底梁截面尺寸為0.3 m×0.3 m，板厚0.06 m。混凝土強度等級為C30，樓板均布活荷載2 kN/m2，恒載1.5 kN/m2。

采用剛性地基假定，底座為口字型的剛性底梁，試驗模型的配筋圖(見圖1)。

圖1　模型平面配筋圖 Fig.1 Planar reinforcement figure of test model

自保溫SIP墻板主要由聚苯乙烯泡沫板芯材、楊木膠合板和混有短玻璃纖維的石膏三部分組成，即用兩塊楊木膠合板將聚苯乙烯泡沫板芯材夾在中間。墻板的尺寸組成為：15 mm厚的石膏，6 mm厚的楊木膠合板，60 mm厚的聚苯乙烯泡沫，總厚度為15 mm×2+6 mm×2+60 mm=102 mm。石膏由半水石膏粉3 kg、普通自來水2.5 kg及長度為20 mm的短玻璃纖維0.075 kg拌制而成，三者的質量比為40∶26.7∶3。木襯板采用楊木膠合板，規格為600 mm×2 394 mm×6 mm。聚苯乙烯泡沫為江蘇白云鋼結構有限公司生產的EPS泡沫板，質量密度為20 kg/m3。本文自保溫SIP填充墻板實際厚度為102 mm，自重0.483 kN，比同等厚度的普通SIP墻板更輕。

單片墻板的寬度按照600 mm的模數考慮設計，墻板結構圖(見圖2)。本次試驗所設計的框架結構沿振動方向框架柱之間的間距為2 400 mm，故每片墻由4片單片墻板組合而成，連接單塊墻板的木骨柱為Ⅲc級以上的南方松規格材，中間部分的木骨柱截面尺寸為60 mm×60 mm，沿墻長方向的中心間距為600 mm，位于整塊墻體兩側木骨柱的截面尺寸為30 mm×60 mm，同時用長度為50 mm的普通圓釘將單片墻板與木骨柱進行連接。墻板結構和墻板拼接見圖2和圖3。

圖2　600 mm寬SIP墻板結構圖 Fig.2 The new panel of SIP

注：1.墻骨柱采用釘接連接。
2.釘子長50 mm，直徑25 mm，為普通本地圓釘。
3.墻骨柱為Ⅲc級以上的南方松規格材。
4.墻骨柱截面尺寸為50 mm×60 mm,50 mm×30 mm。
圖3墻板拼接示意圖
Fig.3 Figure of wall and plate splice joint

新型SIP墻板是內填充墻墻板，與框架梁、柱之間的連接通常采用柔性連接。采用L型鋼板卡將新型SIP墻板與框架柱相連接，板卡一端與墻板之間采用規格為ST3.5的十字槽盤頭自攻螺釘相連接，公稱長度為25 mm，板卡另一端與框架柱采用規格為M8×90的膨脹螺栓相連接；采用U型鋼板卡將新型SIP墻板與框架梁相連接，其中U型板卡與事先預埋在梁中的預埋件焊接在一起。所用鋼材均為Q235，鋼板卡厚3 mm。板卡詳圖見圖4和圖5。

圖4　L型鋼板卡詳圖 Fig.4 Detail drawing of L-shaped steel board

圖5　U型板卡與預埋件詳圖 Fig.5 Detail drawing of U-shaped steel board and embedded parts

1.2測點布置與加載方案

共布置7個加速度傳感器，布置位置及編號分別為：底梁A1、一層梁中部A3、一層梁左端A2、一層梁右端A4、二層梁中部A6、二層梁左端A5、二層梁右端A7(見圖6)。

試驗設計應變片包括鋼筋應變片和混凝土應變片。鋼筋應變片分別布置在沿激振方向的兩根柱子柱底以及梁兩端距離支座150 mm處。混凝土應變片分別布置在每層柱子距離柱根150 mm以及每層梁跨中受拉區。共有鋼筋應變片28個，混凝土應變片18個。

圖6　模型實物及傳感器布置圖 Fig.6 Physical model and sensor layout

試驗采用單向激震，選用兩條天然地震波記錄(El-Centro波和Taft波)和一條人工波。采用四級施加方式逐次進行7度基本烈度地震、7度罕遇地震、8度罕遇地震和9度罕遇地震下的振動臺試驗研究，并在每級工況前后對試驗模型進行白噪聲掃頻。首先對純框架結構進行白噪聲掃頻試驗，之后安裝SIP墻板，進行帶SIP墻板框架結構的振動臺試驗。試驗工況總數為18個。試驗加載工況見表1。

表1　試驗加載工況

2試驗結果與分析

2.1試驗現象

7度基本烈度地震下，結構整體有輕微晃動，位移響應較小，加載完成后模型表面未發現可見裂縫，白噪聲掃頻試驗表明結構周期比加載前延長2.5%，可認為結構處于彈性狀態。

7度罕遇地震下，墻體出現輕微的擠壓聲，持續時間較短，且在振動的過程中一層墻體與框架梁之間產生可見的相對錯動位移，但墻體與框架之間的連接完好，連接件沒有出現外拔等松動現象，結構整體反應較7度基本烈度地震時有一定程度的放大，同時上部樓層位移響應增大，待該烈度的三個工況加載結束后，模型表面也未發現明顯的裂縫，白噪聲掃頻試驗表明結構周期比加載前延長7.7%，表明結構內部開始出現輕微損傷。

8度罕遇地震下，結構整體位移響應較大，墻體由于擠壓而出現了較大的響聲，且持續時間相對較長。部分L型鋼板卡出現松動現象，位于一層的填充墻板在墻角處的木肋出現擠壓裂縫，部分墻板上的石膏出現細微的剪切裂縫，同時在柱腳處也出現了可見裂縫。在加載過程中，墻體與框架梁之間有明顯的相對錯動位移，其中一層的相對錯動現象最為明顯。白噪聲掃頻試驗結果亦表明結構損傷增大，剛度退化較大，結構進入彈塑性狀態，但結構整體不倒塌。構件損傷情況見圖7。

圖7　8度罕遇地震下構件損傷情況 Fig.7 Damage of components under 8 degrees severe earthquake

9度罕遇地震下，結構整體位移響應較大，墻板出現因擠壓而產生的較大脆裂聲響，持續時間較長。一層梁底下的多處墻板角部木肋出現開裂現象，柱腳出現較多裂縫，L型鋼板卡與框架柱之間的連接處出現膨脹螺栓外拔現象及混凝土脫落的情況。說明結構出現了較大損傷，剛度退化程度較大，結構進入塑性的程度加深。構件損傷情況見圖8。

圖8　9度罕遇地震下構件損傷情況 Fig.8 Damage of components under 9 degrees severe earthquake

2.2體系的動力特性

表2給出了各工況下純框架以及帶填充墻框架結構的一階周期和結構阻尼比。

表2　模型結構的基本頻率和阻尼比

由表中數據可知，帶有自保溫SIP填充墻板的框架結構的剛度比純框架結構明顯增大，純框架的自振周期為0.274s，帶填充墻板框架結構的自振周期為0.156s，自振周期減小43%；帶填充墻板框架結構的阻尼比為5.891%，是純框架的2.87倍，同時也大于通常在進行結構抗震設計時所采用的5%。建議在相應的結構設計中，偏保守地將帶有新型SIP填充墻板的框架-填充墻結構的阻尼比取為5%。

2.3新型SIP墻板對框架結構剛度的提高

圖9　框架結構等效模型 Fig.9 Equivalent model of the framework

采用自工況C0和工況C1中識別出的結構自振頻率，研究新型SIP填充墻板對框架結構的剛度貢獻。模型結構體系較規整，質量分布對稱，假定為兩自由度的串聯質點系(見圖9)。

根據試驗數據可知，帶填充墻板框架結構在地震作用下的樓層層間位移變形符合剪切型變形特點，故在計算結構變形時僅考慮結構的側向變形，僅考慮側向剛度。根據《結構動力學》[14]相關內容可知，結構的一階自振圓頻率與結構的抗側剛度的關系為：

(1)

由此可得出K/K′=18.321×106/5.356×106=3.42，即由于新型SIP墻板的加入，使得該框架結構每一層的抗側剛度提高到3.42倍。

2.4加速度反應

圖10給出了加速度峰值分別為100 gal、220 gal、400 gal和620 gal時結構各層加速度放大系數ηa的分布。

圖10　不同地震烈度下結構各層的加速度放大系數 Fig.10 Layers acceleration amplification factor under different seismic intensity

由圖10可知：

(1)隨著地震烈度的提高，帶填充墻框架結構的加速度放大系數逐漸減小，表明隨著地震烈度的增加，結構進入塑性的程度逐漸增加，耗能能力加大，結構的抗側剛度減小。

(2)帶填充墻板框架結構在不同烈度的地震作用下，其加速度的峰值均發生在結構的頂部，加速度放大系數隨著樓層的增加而增大，二層加速度放大系數增加的幅度較一層大；隨著地震烈度的增大，結構的損傷增大，且一層的損傷大于二層，一層耗能能力增大，導致該結構一層的加速度放大系數下降較快，這種現象可從圖9可知，當地震烈度為9度時，帶填充墻板框架結構一層的放大系數已經趨近于1，而二層的放大系數約為1.5。

綜上，該結構的整體性能良好，隨著地震烈度的增加，結構逐漸進入塑性階段，加速度放大系數逐漸減??；隨著樓層高度的增大加速度放大系數逐漸增加。由此說明樓層的高度、抗側力構件的抗側剛度及結構本身的耗能能力均會影響到樓層加速度放大系數。

2.5位移反應

帶填充墻板框架結構在不同烈度地震下，各樓層層間位移(見圖11)，層間位移角最大值見表3。

圖11　不同地震烈度下結構最大層間位移 Fig.11 Maximum layers relative displacement response under different seismic intensity

地震烈度層間位移角EL-Centro波Taft波人工波7度基本烈度1/24791/23281/27997度罕遇1/13311/16171/14778度罕遇1/8981/8911/7249度罕遇1/5871/4531/493

由圖11和表3可知：

(1)結構最大層位移處于頂層，最大層間位移角則發生在首層，其樓層位移形式符合鋼筋混凝土框架結構的剪切型變形特點。結構在8度罕遇地震下，層間位移最大值為3.592 mm，對應的層間位移角為1/724，小于建筑抗震設計規范中隨規定的1/550；9度罕遇地震下，層間位移角為1/453，遠小于彈塑性位移角限值1/50。隨著地震烈度的增大，結構各樓層的層間位移角增大，且層間位移角均小于規范限值。

(2)結構在試驗過程中整體性較好，除了柱根和墻板上出現裂縫外，沒有出現垮塌的試驗現象，說明該結構整體抗震性能良好，能夠抵御9度罕遇地震。

3結論

通過對二層自保溫SIP填充墻板框架結構足尺模型進行振動臺試驗研究，得出以下結論：

(1)自保溫SIP填充墻板具有輕質的優點，工業化程度較高，可以在現場一次性組裝完成整片墻體進行安裝工作，施工方便，有利于推廣使用。

(2)自保溫SIP填充墻板與框架之間主要靠L型鋼板卡進行連接。在整個地震模擬振動臺試驗的過程中，墻板自身沒有出現與鋼板卡整體大面積脫開的現象，表明L型鋼板卡可以為墻板提供可靠的連接。

(3)自保溫SIP填充墻板框架結構在7度基本烈度地震下保持彈性，7度罕遇地震下出現輕微損傷，8度和9度罕遇地震下進入塑性，剛度退化，自振頻率降低，但整體結構屹立不倒，滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求。

(4)自保溫SIP墻板對該框架結構主體抗側剛度、阻尼比等性能均具有較大的影響，其中帶填充墻板框架結構抗側剛度為純框架的3.4倍，帶填充墻板框架結構的阻尼比為5.891%，是純框架的的2.87倍，同時也大于通常在進行結構抗震設計時所采用的5%，表明SIP墻板提高了結構耗能能力。

(5)同一地震波下，隨著樓層的增高，加速度放大系數逐漸增大；隨著地震烈度的增大，樓層加速度放大系數先增大后逐漸減小。

(6)模型結構的最大樓層位移處于頂層，最大層間位移角發生在首層，其樓層位移形式屬于剪切型變形，且層間位移角值滿足規范限值，結構在彈性到塑性過程中，除了在柱根和墻板上出現裂縫外，沒有出現垮塌的試驗現象，整體性能較好。

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