框架結構膨脹珍珠巖板外保溫飾面層抗震分析

趙考重栗笑航王飛

(山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

建筑節能的一個重要部分是建筑圍護結構的保溫，外墻外保溫系統應用最為廣泛，保溫系統置于外墻外側以解決熱橋效應，而在實際工程中由于保溫飾面層脫落引起的安全事故時有發生，因此對外墻保溫飾面層的安全性能進行深入研究顯得尤為重要[1-5]。我國屬于地震多發國家，對外墻保溫系統抗震性能的研究，避免地震時飾面層脫落產生次生災害至關重要[6-10]。學者們對保溫系統的安全性能做了一些研究。徐洪濤等[11]通過分析外墻外保溫系統與基層墻體連接無效的例子，得到了墻體和外保溫系統在應用時應注意的兼容性問題，外保溫粘結層和基層墻體的彈性模量不宜相差過大。江春等[12]對粘貼外墻外保溫系統的單片墻體試件進行振動臺試驗分析，得出外墻外保溫系統的抗震安全性能滿足要求。任瑜等[13]時程分析可發性聚苯乙烯板(Expanded Polystyrene Board，EPS)保溫飾面層及膠粉EPS顆粒保溫結構，得出外保溫系統設計應用時應注意保溫系統質量不宜過大，以免產生較大地震作用引起主體結構破壞。研究表明，以超薄石材、蒸壓砂加氣保溫砌塊及巖棉纖維為材料的外保溫飾面層，均滿足抗震要求并達到安全性需求，但目前對保溫飾面層抗震性能的研究多為理論分析或單片墻體粘貼保溫層的抗震試驗，對主體為框架結構、外維護結構粘貼膨脹珍珠巖板的房屋，地震作用下飾面層的抗震性能研究還未見報道。

基于此，設計制作了3個兩層兩跨的鋼筋混凝土框架結構模型，通過進行水平低周反復荷載作用下的擬靜力試驗[14-18]，研究了膨脹珍珠巖板外保溫系統在地震作用下的受力機理、破壞特征以及飾面層對主體結構的影響。

1 試驗概述

1.1 試件設計

試驗共制作了三榀框架，其中試件KJ-1僅砌筑加氣混凝土砌塊填充墻無保溫飾面層，試件KJ-2和KJ-3為加氣混凝土砌塊填充墻并粘貼膨脹珍珠巖保溫板。試件為兩層兩跨，每跨跨度為2.5 m、層高為1.5 m，梁截面尺寸寬×高為150 mm×250 mm，底梁截面尺寸寬×高為400 mm×500 mm，其柱截面尺寸為200 mm×200 mm。梁柱箍筋均為HRB400級Ф8＠100，梁的上、下各配兩根Ф16縱向鋼筋，框架柱縱向鋼筋為4Ф16，縱筋鋼筋級別為HRB400。實測箍筋屈服強度為575 MPa、極限強度為695 MPa，梁柱縱向鋼筋屈服強度為453 MPa、極限強度為583 MPa。混凝土強度等級設計為C30，實測混凝土立方體抗壓強度為31.5 MPa。試件具體尺寸如圖1所示。

圖1 試驗試件示意圖/mm

試件KJ-2和KJ-3兩個側面(A面和B面)均粘貼膨脹珍珠巖保溫板，在每個側面的不同填充墻區域內采用不同的粘貼方式和粘貼率。保溫飾面層粘貼率分別為20%、50%、70%、100%，粘貼方式為條粘法、點框法，分別記為1和2。保溫系統在試件KJ-2的A、B面僅粘貼填充墻表面，框架上梁柱部分不粘貼；試件KJ-3的A面保溫系統粘貼方式與KJ-2相同，B面保溫系統粘貼整個框架。圖1給出了試件填充墻區域劃分，試件粘貼要求見表1。膨脹珍珠巖保溫板標準規格為600 mm×600 mm、厚度為50 mm。保溫板及塑料錨栓布置如圖2、3所示。錨栓錨固深度為50 mm，采用單層玻纖網，外抹厚為5 mm的抹面膠漿。每層填充墻與框架柱之間設置兩道Ф6拉結筋。

圖2 僅填充墻粘貼保溫板示意圖/mm

表1 試件保溫飾面層粘貼要求表

圖3 全部粘貼保溫板示意圖/mm

1.2 試驗裝置與加載制度

試驗通過MTS液壓伺服加載系統施加荷載，采用位移加載控制方式，分級加載。開始每級增幅1 mm至產生初始裂縫，隨后每級2 mm增加，產生較大變形時每級位移增幅改為4 mm，荷載降至極限荷載85%時停止加載。試驗重點研究試件水平地震作用下框架結構的抗震性能、水平位移和層間位移，以及面板層的破壞模式。加載裝置如圖4所示。

圖4 試驗加載裝置圖

1.3 量測內容

試驗的主要測量內容有:(1)試件每級荷載F，由MTS液壓伺服加載系統自動采集記錄；(2)各層的位移Δ，在框架的一層梁、二層梁及底梁位置處各布置了一個位移傳感器，量測各樓層的準確位移Δ；(3)試件破壞形態。

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞過程

試件KJ-1僅砌筑加氣混凝土砌塊，無外墻保溫系統。試件在低周水平荷載作用下首先在一層一側邊柱的下端產生水平裂縫，施加拉力時西邊柱西側下端產生水平裂縫，柱上端無裂縫；荷載增大，柱上裂縫不斷發展，當荷載達到一定值，填充墻砌塊上產生斜裂縫，同時在一層框架梁與中柱節點處兩側梁端產生垂直裂縫，梁端裂縫分別位于梁底、梁頂；隨著荷載增加，填充墻斜裂縫不斷出現，并形成沿灰縫的階梯型貫通斜裂縫，一層框架梁柱節點產生斜裂縫，邊柱下端均出現大量水平裂縫，已有水平裂縫不斷延伸和加寬；繼續施加荷載，填充墻發生破壞，砌塊被壓碎而脫落，此時中柱亦產生較多水平裂縫，各層框架梁梁端均產生垂直裂縫，裂縫符合框架受力規律；再施加荷載，填充墻破壞嚴重，最終一層梁柱節點產生剪切破壞如圖5所示，試件承載力大幅下降。試件最終整體破壞形態如圖6所示。

圖5 梁柱節點剪切破壞圖

圖6 試件KJ-1整體破壞狀態圖

試件KJ-2砌筑填充墻，外貼為僅在填充墻上粘貼的外保溫系統，A、B面粘貼率分別為20%和50%。與試件KJ-1相同，水平荷載作用下邊柱下端產生水平裂縫；荷載增加至128.2 kN時，二層角部保溫板出現開裂，一層柱水平裂縫貫穿整個柱；繼續施加荷載，飾面層與基層墻體及框架柱完全脫開如圖7所示，拉結筋因被拉出而失去作用，填充墻成為框架內可自由活動的剛體，可能在地震中倒塌。最終，填充墻體的轉角受壓破壞，保溫飾面層受擠壓凸出發生破壞引起脫落如圖8所示；二層中柱和邊柱上端均發生剪切破壞，如圖9所示，一層框架梁跨中出現垂直裂縫，梁端未發現裂縫。分別對比不同粘貼方式的A面與不同粘貼率的B面，結果顯示，兩面的破壞特征相同。

圖7 飾面層與墻體脫開圖

圖8 填充墻角部破壞飾面層脫落圖

圖9 框架柱剪切破壞圖

試件KJ-3砌筑填充墻，外貼為保溫系統，A、B面粘貼率分別為75%和100%，試件在砌塊填充墻和框架梁柱上均粘貼珍珠巖保溫板。與試件KJ-2相同，水平荷載作用下首先在東跨二層保溫板出現豎向裂縫，一層邊柱下端產生水平裂縫；繼續施加荷載，粘貼在梁柱上的飾面層產生大量斜裂縫；隨著荷載增加，保溫飾面層在填充墻與梁柱結合面處產生裂縫，且保溫板與柱面脫開，填充墻與柱結合面處的豎向裂縫隨著荷載增加越來越寬，拉結筋失去作用，填充墻成為框架內可自由活動的剛體，同時粘貼在梁柱表面上的保溫板產生空鼓與梁柱脫開，有脫落的趨勢，如圖10所示；與試件KJ-2相同，最終二層柱上端發生剪切破壞。試件KJ-3整體破壞形態如圖11所示，A、B面具有相似的破壞特征。

圖10 飾面層與框架柱脫開圖

圖11 試件KJ-3整體破壞形態圖

2.2 試件破壞特征分析

由試驗現象得到，對于試件KJ-1，加載初期砌塊填充墻與框架共同受力，受力狀態類似于剪力墻，剪力主要由填充墻承擔。隨著荷載增加，填充墻砂漿接縫處出現斜向階梯裂縫，砌塊破壞脫落，結構的受力機理發生變化，此時框架承受大部分荷載，框架隨即發生梁柱節點核心的剪切破壞。

試件KJ-2和KJ-3加載初期整體受力，受力機理與剪力墻相似，框架邊柱分別處于全截面受拉、受壓狀態。保溫系統與基層墻體通過膠黏劑粘貼，形成柔性漸變體系，隨著荷載繼續增加，保溫系統與墻體受力狀態不同，水平荷載作用將飾面層與基層墻體脫開，框架結構承擔的水平剪力突然增大柱端發生剪切破壞。錨栓錨固在膠黏劑中，增強了外保溫系統的整體性與安全性。由試驗現象還發現，框架結構填充墻粘貼外保溫系統后，飾面層增強了填充墻的整體性，在水平荷載作用下，填充墻與飾面層從框架上脫離，拉結筋失效，填充墻在地震中可能會倒塌。

水平荷載作用下，框架梁柱交接處及填充墻墻角處的保溫飾面層易較早產生脫落，而粘貼在填充墻其它部位的飾面層與填充墻結合良好，未發生脫落現象。分析原因:水平荷載作用下，填充墻與飾面層沿對角線斜向受壓，在角部應力集中，飾面層產生斜裂縫，水平荷載較大時飾面層和填充墻斜向受壓破壞，飾面層與基層脫離，從而造成飾面層發生脫落。

水平荷載作用下，粘貼在梁柱表面的保溫飾面層將會產生脫落。分析原因:水平荷載作用下，由于填充墻與主體結構的變形不同，在填充墻與梁柱結合面處飾面層將產生拉力和剪力，飾面層與框架梁柱結合面間產生較大的剪應力，荷載較大時，在拉力和剪力共同作用下，飾面層沿填充墻與框架梁柱結合面產生裂縫發生破壞，同時飾面層與框架梁柱間發生粘結破壞，保溫飾面層與主體結構脫離而脫落。為了提高外保溫飾面層的安全性能，建議在墻體與框架交界處的保溫板上設置柔性變形縫或增加主體結構部位保溫飾面層的錨釘數量。

對比試件KJ-2及KJ-3，試件不同粘貼率和粘貼方式的外保溫系統破壞現象無明顯區別，因此當粘貼率≥20%時，保溫系統不同的粘貼率及粘貼形式對飾面層的破壞形態影響不大。

2.3 試件滯回曲線

試件KJ-1、KJ-2、KJ-3的F(荷載)-Δ(位移)曲線如圖12～14所示。

圖12 KJ-1滯回曲線圖

圖13 KJ-2滯回曲線圖

圖14 KJ-3滯回曲線圖

可以看出，試件滯回曲線均出現捏縮現象，滯回曲線的形狀不飽滿，呈現出倒S形，說明框架砌筑填充墻及飾面層后耗能性能降低。對比3個試件，具有保溫飾面層的試件承載力增大，但變形減小，粘貼率越大，耗能性越小。

2.4 試件承載能力及變形

超過極限荷載降至極限荷載85%時的數值記為破壞荷載，記相應的位移為破壞位移。各試件的荷載值及相應位移數據見表2。

表2 試件荷載、位移試驗數據表

由試驗結果可知，膨脹珍珠巖外保溫體系提高了框架結構的承載力能力，且粘貼率越大提高幅度越大，但變形能力降低。究其原因在于粘貼膨脹珍珠巖保溫板后，飾面層提高了填充墻的作用，粘貼率越高，填充墻的效果越好。填充墻與框架共同工作，使得整體剛度提高，填充墻破壞后框架才開裂破壞，試件達到最大承載力，故粘貼膨脹珍珠巖保溫板飾面層后試件極限承載力大大提高，且粘貼率越大承載力越高。

2.5 試件的延性

結構的延性反映的是結構或構件在加載后期的變形性能[16]，良好的延性可以吸收更多的地震能量，防止結構發生脆性破壞，使結構滿足相應的抗震要求。結構的延性系數由結構的極限位移與屈服位移的比值計算得出，屈服位移采用幾何作圖法得到。試件的延性系數見表3，可知粘貼外保溫系統之后，框架的延性降低，且粘貼率越大，延性系數越低。

表3 試件延性系數表

3 結論

通過上述研究可知:

(1)水平荷載作用下，框架結構砌筑填充墻粘貼膨脹珍珠巖板保溫飾面層后，結構的受力機理發生了明顯變化，加載初期受力與剪力墻結構類似，隨著荷載增加，保溫層與框架分離，填充墻在框架之間形成具有斜撐的框架結構，斜撐受壓破壞框架柱發生剪切破壞。膨脹珍珠巖飾面層系統對框架的承載力和變形性能都會產生影響。

(2)地震荷載作用下，粘貼在填充墻上的飾面層，在填充墻角部由于斜向擠壓作用將與基層脫開而脫落，其余部位仍結合良好；由于飾面層與基層、填充墻與主體結構的變形不一致，粘貼在主體結構梁、柱上的飾面層地震時將會產生粘結破壞，進而發生脫落，建議在膨脹珍珠巖保溫板填充墻與框架的連接處設置柔性變形縫或在梁柱表面增加錨釘，以提高保溫飾面層的抗震安全性能。

(3)當粘貼率≥20%時，保溫系統不同的粘貼率及粘貼形式對地震時飾面層的破壞形態影響不大。但保溫飾面層加強了填充墻的整體性，易造成拉結筋被拔出，填充墻成為框架內可自由活動的剛體，地震時可能會產生整體倒塌。