陶板幕墻抗震性能試驗(yàn)研究

    一、概述

    雖然幕墻自身承受的地震作用通常較小，但地震作用具有動(dòng)力特性，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)影響較大，而連接節(jié)點(diǎn)破壞有可能引起幕墻的損壞或脫落，因此對(duì)幕墻進(jìn)行抗震性能研究是很有必要的。幕墻模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是目前研究幕墻地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接、最有效的方法之一。陶板幕墻在國內(nèi)應(yīng)用較少，尚缺乏地震區(qū)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合北京江河幕墻裝飾工程有限公司在天津塘沽的一個(gè)實(shí)際陶板幕墻工程，進(jìn)行了陶板幕墻的抗震性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹黧w支承結(jié)構(gòu)采用鋼框架，平面外圍尺寸為2.7m x 2.7m，高度為4.5m；外掛陶板幕墻通過連接件與鋼框架連接。試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)的3m x 3m振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，模型照片見圖1。本次試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)陶板幕墻系統(tǒng)的抗震性能。

    二、試驗(yàn)方案

    1、模型設(shè)計(jì)

    模型主體結(jié)構(gòu)采用平面尺寸為2.7m x 2.7m的單層鋼框架，層高4.5m，與實(shí)際工程相同。模型主要受力構(gòu)件（柱、梁）采用方鋼管和矩形鋼管，梁、柱的截面尺寸由動(dòng)力時(shí)程計(jì)算分析確定，以保證模擬大震作用下構(gòu)件基本處于彈性工作階段，從而保證陶板幕墻抗震性能研究的可信度。梁、柱的連接均為焊接。

    2、陶板幕墻設(shè)計(jì)

    在模型框架結(jié)構(gòu)四個(gè)立面都懸掛陶板幕墻，使試驗(yàn)?zāi)芨�全面地�?yàn)證陶板幕墻在面內(nèi)（沿振動(dòng)方向，即東西向）及面外（垂直于振動(dòng)方向，即南北向）的抗震性能。單塊陶板尺寸為650mm x 200mm x 15mm，幕墻與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)見圖2。

    陶板及其布置方式、連接節(jié)點(diǎn)等均與實(shí)際工程相同。為便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，在東面留有1.5m x 2m的進(jìn)人門洞，見圖3。

    三、試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)點(diǎn)及地震波

    1、振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)臺(tái)的主要參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸為3m x 3m；最大載重量為100kN；工作頻段為0.5~50Hz；最大加速度為滿載±1.0g；最大速度為±600mm/s；臺(tái)面最大位移為±127mm。

    2、測(cè)點(diǎn)布置情況

    （1）臺(tái)面上布置1個(gè)加速度計(jì)，主框架上布置有9個(gè)加速度計(jì)，陶板上布置1個(gè)加速度計(jì)，共計(jì)11個(gè)。測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

    （2）位移計(jì)布置

    為了實(shí)測(cè)幕墻的位移時(shí)程反應(yīng)，在模型南、北兩側(cè)各布置了一組位移傳感器，分別測(cè)量0.5m和4.5m標(biāo)高處的側(cè)向位移，利用該兩點(diǎn)的位移差計(jì)算層間位移角。

    3、輸入地震波

    實(shí)際工程位于天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，抗震設(shè)防烈度為 3 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g場(chǎng)地為Ⅲ類。試驗(yàn)選用了兩條實(shí)測(cè)強(qiáng)震的地震波及一條人工擬合地震波，地震波的選擇兼顧了實(shí)際工程所在地的場(chǎng)地條件等因素。試驗(yàn)前用SAP2000計(jì)算程序采用三條地震波分別對(duì)模型進(jìn)行了時(shí)程計(jì)算分析，按其結(jié)構(gòu)反應(yīng)大小排出了測(cè)試順序，即E1 Centro（NS）地震波、天津地震波和人工地震波。

    四、試驗(yàn)過程簡(jiǎn)述

    1、試驗(yàn)順序

    試驗(yàn)過程沿東西方向分別輸入E1 Centro（NS）地震波、天津地震波（東西向）和人工地震波。每級(jí)臺(tái)面控制輸入加速度峰值分別為50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650，單位為gal，共13級(jí)。

    2、主要試驗(yàn)現(xiàn)象

    （1）振動(dòng)試驗(yàn)過程中，模型振動(dòng)形態(tài)以第一振型為主，當(dāng)臺(tái)面加速度輸入逐漸增大時(shí)，伴有高階振動(dòng)反應(yīng)。

    （2）實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)頻率有衰減現(xiàn)象，表明試驗(yàn)開始時(shí)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有一定剛度，龍骨立柱與主體結(jié)構(gòu)連接近似剛接；隨著地震輸入的增大，連接螺栓、鋁掛鉤與鋁掛座之間等有松動(dòng)現(xiàn)象，龍骨立柱與主體結(jié)構(gòu)連接逐漸接近鉸接，連接節(jié)點(diǎn)剛度下降，模型整體剛度下降，頻率下降。

    （3）在輸入加速度峰值不大于300gal階段，隨著臺(tái)面地震輸入增大，模型阻尼比增大，此后，基本穩(wěn)定于0.1~0.13范圍內(nèi)。

    （4）當(dāng)臺(tái)面輸入加速度峰值達(dá)到和超過300gal時(shí)，在主振動(dòng)方向（東西向）上，少數(shù)陶板掛鉤與掛座之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，陶板有相互碰撞現(xiàn)象，但陶板無明顯損壞，見圖4。

    （5）與主振動(dòng)方向相垂直的陶板幕墻，雖然為面外受力，但因單塊質(zhì)量輕、地震作用不大，保持完好。

    五、試驗(yàn)結(jié)果

    1、模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化

    （1）SAP2000計(jì)算模型的動(dòng)力特性

    利用SAP2000程序計(jì)算出模型的自振特性見表1。由計(jì)算結(jié)果可知，因幕墻豎龍骨截面尺寸較大，其剛度對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，且與主體鋼結(jié)構(gòu)橫梁的連接方式（剛接或鉸接）對(duì)整體模型剛度也有較大影響。計(jì)算中未考慮陶板自身剛度對(duì)模型整體剛度的影響。

    （2）試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)測(cè)頻率及阻尼比

    試驗(yàn)前模型實(shí)測(cè)一階頻率為4.4922Hz，當(dāng)經(jīng)歷0.65g的E1 Centro波及人工波后，模型的頻率降為2.8323，阻尼比逐漸增加而后趨于穩(wěn)定，變化范圍為

0.065~0.13。

    2、試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)測(cè)加速度反應(yīng)與SAP2000計(jì)算結(jié)果的比較。

    模型頂層（4.5m標(biāo)高處）加速度反應(yīng)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值列于表2。

    模型頂層加速度反應(yīng)峰值與計(jì)算結(jié)果相比，總體相一致。當(dāng)?shù)卣疠斎敕逯递^小時(shí)，實(shí)測(cè)反應(yīng)值小于計(jì)算值；當(dāng)?shù)卣疠斎敕逯递^大（600gal以上）時(shí)，實(shí)測(cè)反應(yīng)值大于計(jì)算值。從測(cè)點(diǎn)8（在主體鋼結(jié)構(gòu)上）和測(cè)點(diǎn)11（在陶板表面上）的反應(yīng)記錄看，顯示陶板的動(dòng)力反應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)大致相當(dāng)，證明利用主體鋼結(jié)構(gòu)上測(cè)點(diǎn)反應(yīng)可以代表幕墻的地震反應(yīng)。從測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)10的反應(yīng)記錄以及測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)9的反應(yīng)記錄對(duì)比看，框架鋼梁有局部側(cè)向振動(dòng)，即在同一標(biāo)高處，橫梁中部測(cè)點(diǎn)反應(yīng)值均大于橫梁端部立柱上的測(cè)點(diǎn)反應(yīng)值。因此，構(gòu)件局部振動(dòng)的影響在幕墻抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意。

    3、試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)測(cè)層間位移與SAP2000的計(jì)算結(jié)果的比較在模型0.5~4.5m標(biāo)高范圍，層間位移及位移角實(shí)測(cè)值和計(jì)算值列于表3。

    表3中，模型層間位移數(shù)據(jù)是拉線位移計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果通過角度轉(zhuǎn)換后，再將頂、底層（分別為標(biāo)高4.5m和0.5m）位移每個(gè)時(shí)刻相減，取南北兩組數(shù)據(jù)平均所得。實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相比，有一定的偏差，但總的趨勢(shì)相同，與加速度峰值反應(yīng)規(guī)律大致相同。當(dāng)?shù)卣疠斎敕逯递^小時(shí)，實(shí)測(cè)值小于計(jì)算值；當(dāng)?shù)卣疠斎敕逯递^大時(shí)，實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值說明實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度在振動(dòng)過程中逐漸變小，使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)位移呈增大趨勢(shì)。試驗(yàn)測(cè)得結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/60，是在輸入EL.Centro波峰值加速度為632gal時(shí)得到的，該結(jié)果已超過了對(duì)一般幕墻結(jié)構(gòu)的變形要求。

    六、結(jié)論及建議

    1、陶板幕墻與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能該陶板幕墻與主體鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能良好，在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的全過程中沒有損壞，能保證連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)要求。

    2、陶板的抗震性能

    該幕墻的陶板自身抗震性能良好。當(dāng)臺(tái)面輸入加速度峰值達(dá)到和超過300gal（相當(dāng)于7度半大震作用）時(shí)，在振動(dòng)方向上，少數(shù)陶板掛鉤與掛座之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，陶板有相互碰撞現(xiàn)象，但陶板和掛件均沒有損壞。當(dāng)臺(tái)面輸入加速度峰值超過600gal（相當(dāng)于9度大震輸入）時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/60，其值已經(jīng)超過實(shí)際主體結(jié)構(gòu)（框架=剪力墻結(jié)構(gòu)）規(guī)范[1]規(guī)定的彈塑性層間位移角限值（1/100）較多，也超過了有關(guān)幕墻規(guī)范[2]中對(duì)幕墻可承受變形的要求。因此，可認(rèn)為陶板幕墻的變形性能符合要求。

    3、建議

    由于陶板之間、連接掛鉤與掛座之間不打密封膠，在強(qiáng)震下部分陶板在幕墻面內(nèi)可能產(chǎn)生側(cè)向滑移，使板縫寬窄不一，甚至陶板相互抵觸，雖未發(fā)現(xiàn)陶板碰壞，但影響美觀。建議工程中考慮采取必要的側(cè)向限位措施，防止強(qiáng)震下陶板面內(nèi)平動(dòng)引起的相互撞擊。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.