清水陶磚幕墻抗震性能振動臺試驗(yàn)研究

李曉青 路振星 黃 平

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

建筑幕墻在國內(nèi)的推廣和普及已有30多年時(shí)間，我國自建筑幕墻被廣泛使用以來，較少經(jīng)歷強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)，大多數(shù)建筑幕墻的抗震性能未能得到有效驗(yàn)證。

針對此情況，國內(nèi)學(xué)者開始利用模擬地震振動臺試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)地震波形再現(xiàn)，從而有效地考核主體結(jié)構(gòu)或者幕墻單元的抗震性能及指標(biāo)[1-5]。研究成果對設(shè)計(jì)與施工都有很強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。但目前的試驗(yàn)多針對玻璃幕墻、石材幕墻、陶板幕墻[6-10]。

中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程項(xiàng)目建筑群延續(xù)了中山大學(xué)及嶺南建筑的紅磚陶瓦的傳統(tǒng)風(fēng)格，外立面采用鋼骨架外掛陶磚幕墻的形式。目前，我國尚無陶磚幕墻設(shè)計(jì)、施工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，即對陶磚幕墻在地震作用下的彈塑性反應(yīng)沒有明確規(guī)定。考慮陶磚幕墻為外掛結(jié)構(gòu)，幕墻與主體結(jié)構(gòu)及陶磚與架體結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)連接失效，陶磚將會出現(xiàn)墜落的可能，進(jìn)而造成人員傷亡及財(cái)物損壞。因此，地震作用下建筑陶磚幕墻的抗震性能需要深入研究。

1 試驗(yàn)概況

中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程項(xiàng)目相關(guān)設(shè)計(jì)單位運(yùn)用常規(guī)幕墻設(shè)計(jì)軟件，對該項(xiàng)目的陶磚幕墻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目陶磚幕墻系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案為：鋼骨架的縱橫向龍骨均由60 mm×60 mm×5 mm的鍍鋅鋼通組成，縱向龍骨間距2 500 mm，橫向龍骨間距5皮磚；陶磚幕墻采用角碼與橫向龍骨進(jìn)行連接，角碼水平向間距500 mm；每5皮磚鋪設(shè)厚4 mm不銹鋼網(wǎng)片，增加角碼與幕墻的拉結(jié)強(qiáng)度（圖1）。但是，若能研究新型陶磚幕墻系統(tǒng)的地震作用下的動力特性，則能更好地指導(dǎo)此類工程的設(shè)計(jì)與施工。因此，制作陶磚幕墻的縮尺模型，運(yùn)用振動臺對其進(jìn)行動力試驗(yàn)研究，分析結(jié)構(gòu)的動力特性并研究其不同部位在不同地震動輸入下的加速度、位移、應(yīng)變反應(yīng)，確定整體結(jié)構(gòu)在多維地震作用下的變形和破壞模式，以期為該結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 陶磚立面連接節(jié)點(diǎn)

1.1 模型建立

保證試驗(yàn)效果的有效性，考慮幕墻系統(tǒng)較為規(guī)整，選擇接近振動臺長寬大小的模型來進(jìn)行試驗(yàn)，高度同建筑層高，采用鋼架模擬主體結(jié)構(gòu)，外墻砌在鋼梁上（圖2）。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?面陶磚裝飾墻（墻厚115 mm），設(shè)計(jì)2種試驗(yàn)方案，連接方式，設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)都與實(shí)際工程相同。

方案1：外墻砌在鋼梁上，橫向龍骨為60 mm×60 mm×5 mm的鍍鋅鋼通，豎向間距5皮磚設(shè)置，陶磚幕墻采用角碼與橫向龍骨連接，角碼水平向間距為500 mm；每5皮磚鋪設(shè)厚4 mm的不銹鋼網(wǎng)片，增加角碼與幕墻的拉結(jié)強(qiáng)度。

方案2：橫龍骨拉結(jié)豎向間距調(diào)整為10皮，其他設(shè)置同原設(shè)計(jì)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1）測試墻板地震作用下的加速度反應(yīng)。

2）測定墻板地震作用下的相對位移反應(yīng)。

3）觀察試驗(yàn)后裂縫出現(xiàn)和發(fā)展情況，確定結(jié)構(gòu)的薄弱部位、開裂程度以及破壞形式，分析判斷結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。

1.4 試驗(yàn)裝置

振動臺的基本情況如下：模擬地震振動臺用電液伺服方式通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行加載控制，可分別進(jìn)行6個(gè)自由度的控制，采用模擬和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)使模型得到最佳的地震輸入波形。

模型的地震響應(yīng)用多種傳感器進(jìn)行量測，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。振動臺臺面尺寸為3 m×3 m×1.2 m，臺面自重6 t，為焊接鋼蜂窩狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸40 cm×40 cm，整個(gè)外表面用鋼板包絡(luò)以提高其抗彎和抗扭剛度。整個(gè)臺面的形狀略呈錐形，以使其質(zhì)量減小而彎曲剛度增加。

1.5 測點(diǎn)及布置情況

本次試驗(yàn)共使用58個(gè)傳感器，傳感器分別布置在振動臺臺面、鋼架角點(diǎn)、墻體頂部、墻體中部、墻體底部，測試了陶裝飾墻加速度反應(yīng)、墻頂部相對墻板中部、底部的相對位移（圖3、圖4）。

圖3 墻測點(diǎn)立面布置

圖4 鋼架測點(diǎn)布置位置俯視

試驗(yàn)前在振動臺上進(jìn)行了一致性標(biāo)定。試驗(yàn)測點(diǎn)共15個(gè)，其中加速度、位移傳感器測點(diǎn)15個(gè)，如表1所示，另附加2個(gè)激光位移傳感器，分別位于②墻的墻中底部A2和墻中頂部C2。

基于傳統(tǒng)東方家庭觀念的延續(xù)，我國和東亞的許多國家一樣雖然致力于開發(fā)家庭養(yǎng)老的功能，提倡和鼓勵“多代同居”的模式，但確實(shí)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代人的居住生活理念。隨著我國人口流動和生活理念變化，城鄉(xiāng)空巢家庭數(shù)量不斷增多，根據(jù)民政部的數(shù)據(jù)，目前我國城鄉(xiāng)空巢家庭超過50%，部分大中城市達(dá)到70%。全國65歲以上“空巢老人”有4150萬人，到“十二五”期末將超過5100萬人，占老年人口近1/4[2]?？粘布彝ブ?，一成的老人是單身。代際分離增加了家庭養(yǎng)老的困難。

表1 加速度/位移測點(diǎn)（15個(gè)測點(diǎn)，56個(gè)通道）

2 試驗(yàn)工況及過程

2.1 試驗(yàn)方式（地震加載）

選取具有代表性的地震記錄，主要考慮滿足以下幾個(gè)條件：

1）設(shè)計(jì)和選擇臺面輸入加速度時(shí)程波形時(shí)，應(yīng)考慮主體結(jié)構(gòu)與幕墻自振頻率、擬建場地類別和設(shè)計(jì)地震分組等因素。地震主頻分布盡可能與原型結(jié)構(gòu)自振頻率接近，地震主頻分布盡可能與幕墻自振頻率接近。

2）地震加速度峰值應(yīng)大于相應(yīng)烈度地震作用下原型主體結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)峰值要求。

3）地震作用下的鋼框架層間位移應(yīng)滿足規(guī)范對原型建筑結(jié)構(gòu)層間位移限值的要求。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）中的相關(guān)規(guī)定，廣東深圳市（福田、羅湖、南山、寶安、鹽田）抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。

試驗(yàn)地震記錄采用3條地震波進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)將分別進(jìn)行x和y向雙向輸入，各分量的比例按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用。輸入地震波如圖5～圖10所示。

圖5 NGA_no_2300_KAU001-N（x向）

圖6 NGA_no_2300_KAU001-W（y向）

圖7 NGA_no_2948_CHY032-N（x向）

圖8 NGA_no_2948_CHY032-E（y向）

圖9 RH2TG040_x

圖10 RH2TG040_y

2.2 輸入試驗(yàn)波

試驗(yàn)過程中沿南北方向分別輸入白噪聲波，GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）試驗(yàn)地震記錄中3條地震波NGA_no_2300、NGA_no_2948及RH2TG040。

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 陶磚幕墻模型加速度反應(yīng)

隨著輸入地震波加速度的增加，陶磚裝飾墻在平面外的加速度反應(yīng)逐步增加，在7度多遇地震、7度設(shè)防烈度地震、7度預(yù)估罕遇地震及7度半設(shè)防烈度地震時(shí)，四面內(nèi)墻板的加速度放大系數(shù)均基本沒有變化，當(dāng)在7度預(yù)估罕遇地震，四面墻平面外加速度放大系數(shù)開始減?。p小較少），說明在7度預(yù)估罕遇地震時(shí)，四面墻在地震作用下有輕微的損傷。

由于幕墻模型對稱，本文僅對①墻進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果如表3～表6所示。

表3 方案1的①墻加速度及加速度放大系數(shù)

表4 方案2的①墻加速度及加速度放大系數(shù)

表5 方案1不同工況下相對位移最大值

表6 方案2不同工況下相對位移最大值

3.2 陶磚幕墻模型位移反應(yīng)

在8度抗震超設(shè)防時(shí)，2個(gè)框架最大層間位移角為1/380，鋼框架結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，進(jìn)而保證2種方案墻體試驗(yàn)具有相同的試驗(yàn)條件。

隨著輸入地震波加速度的增加，各測點(diǎn)的相對位移隨之增加。8度預(yù)估罕遇地震（超設(shè)防烈度地震），方案1的墻頂相對墻底的最大位移為9.63 mm，最大層間位移角為1/399.8；方案2的墻頂相對墻底的最大位移為10.05 mm，最大層間位移角為1/383.1。以上說明墻體本身在承受慣性力的同時(shí)，還承受由于結(jié)構(gòu)變形的作用。

3.3 陶磚幕墻模型結(jié)構(gòu)宏觀性能

方案1在8度預(yù)估罕遇地震（超設(shè)防烈度地震）后，整個(gè)模型完好，未見可見裂縫。方案2在預(yù)估罕遇地震（超設(shè)防烈度地震）后，模型墻體完好，未見可見裂縫，在裝飾墻與下部鋼梁連接處有明顯裂縫出現(xiàn)，如圖11所示。

圖11 方案2地震后墻底裂縫

4 結(jié)語

方案1的墻頂相對墻底的最大位移為9.63 mm，最大層間位移角為1/399.8；方案2的墻頂相對墻底的最大位移為10.05 mm，最大層間位移角為1/383.1，均未超過實(shí)際主體結(jié)構(gòu)（框架-剪力墻結(jié)構(gòu)）規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/100，也沒有超過有關(guān)幕墻規(guī)范中對幕墻可承受變形能力的要求。由此可以認(rèn)為，陶磚幕墻的變形性能滿足抗震要求。

1）根據(jù)5皮磚與10皮磚的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，將原設(shè)計(jì)圖調(diào)整為8皮磚，從而既滿足抗震安全要求，又能達(dá)到經(jīng)濟(jì)性要求。

2）為了提高陶瓷磚墻抗震性能，在橫梁上底部磚墻第1皮磚墻處設(shè)置拉結(jié)角碼。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)修改每層樓層由底部2皮磚開始設(shè)置鋼筋網(wǎng)。

本文試驗(yàn)研究的實(shí)體采用鋼結(jié)構(gòu)來模擬主體結(jié)構(gòu)，但實(shí)際過程中使用陶磚的建筑主體多采用混凝土結(jié)構(gòu)，建立混凝土主體結(jié)構(gòu)＋陶磚幕墻的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂筛珳?zhǔn)分析陶磚幕墻的抗震特性，也是后續(xù)研究的方向。