陶板幕墻抗震性能試驗研究

    一、概述

    雖然幕墻自身承受的地震作用通常較小，但地震作用具有動力特性，對連接節(jié)點影響較大，而連接節(jié)點破壞有可能引起幕墻的損壞或脫落，因此對幕墻進行抗震性能研究是很有必要的。幕墻模擬地震振動臺試驗是目前研究幕墻地震反應(yīng)和破壞機理的最直接、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)計經(jīng)驗和工程實踐經(jīng)驗。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實際陶板幕墻工程，進行了陶板幕墻的抗震性能試驗研究。試驗?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。試驗在北京工業(yè)大學(xué)的3m x 3m振動臺上進行，模型照片見圖1。本次試驗的主要目的是檢驗陶板幕墻系統(tǒng)的抗震性能。

    二、試驗方案

    1、模型設(shè)計

    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、柱的截面尺寸由動力時程計算分析確定，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

    在模型框架結(jié)構(gòu)四個立面都懸掛陶板幕墻，使試驗?zāi)芨�全面地驗證陶板幕墻在面內(nèi)（沿振動方向，即東西向）及面外（垂直于振動方向，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)點見圖2。

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

    三、試驗設(shè)備、測點及地震波

    1、振動臺

振動臺的主要參數(shù)如下：臺面尺寸為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；臺面最大位移為±127mm。

    2、測點布置情況

    （1）臺面上布置1個加速度計，主框架上布置有9個加速度計，陶板上布置1個加速度計，共計11個。測點布置見圖3。

    （2）位移計布置

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

    3、輸入地震波

    實際工程位于天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，抗震設(shè)防烈度為 3 度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g場地為Ⅲ類。試驗選用了兩條實測強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際工程所在地的場地條件等因素。試驗前用SAP2000計算程序采用三條地震波分別對模型進行了時程計算分析，按其結(jié)構(gòu)反應(yīng)大小排出了測試順序，即E1 Centro（NS）地震波、天津地震波和人工地震波。

    四、試驗過程簡述

    1、試驗順序

    試驗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。每級臺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。

    2、主要試驗現(xiàn)象

    （1）振動試驗過程中，模型振動形態(tài)以第一振型為主，當(dāng)臺面加速度輸入逐漸增大時，伴有高階振動反應(yīng)。

    （2）實測結(jié)構(gòu)頻率有衰減現(xiàn)象，表明試驗開始時非結(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)臺面輸入加速度峰值達(dá)到和超過300gal時，在主振動方向（東西向）上，少數(shù)陶板掛鉤與掛座之間產(chǎn)生相對滑移，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、試驗結(jié)果

    1、模型結(jié)構(gòu)動力特性變化

    （1）SAP2000計算模型的動力特性

    利用SAP2000程序計算出模型的自振特性見表1。由計算結(jié)果可知，因幕墻豎龍骨截面尺寸較大，其剛度對主體結(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）對整體模型剛度也有較大影響。計算中未考慮陶板自身剛度對模型整體剛度的影響。

    （2）試驗?zāi)Ｐ蛯崪y頻率及阻尼比

    試驗前模型實測一階頻率為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?zāi)Ｐ偷膶崪y加速度反應(yīng)與SAP2000計算結(jié)果的比較。

    模型頂層（4.5m標(biāo)高處）加速度反應(yīng)實測值和計算值列于表2。

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

    3、試驗?zāi)Ｐ偷膶崪y層間位移與SAP2000的計算結(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測值和計算值列于表3。

    表3中，模型層間位移數(shù)據(jù)是拉線位移計實測結(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）位移每個時刻相減，取南北兩組數(shù)據(jù)平均所得。實測結(jié)果與計算結(jié)果相比，有一定的偏差，但總的趨勢相同，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，實測值小于計算值；當(dāng)?shù)卣疠斎敕逯递^大時，實測值大于計算值說明實際結(jié)構(gòu)剛度在振動過程中逐漸變小，使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)位移呈增大趨勢。試驗測得結(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時得到的，該結(jié)果已超過了對一般幕墻結(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)點的抗震性能該陶板幕墻與主體鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點的抗震性能良好，在振動臺試驗的全過程中沒有損壞，能保證連接節(jié)點的抗震設(shè)計要求。

    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，在振動方向上，少數(shù)陶板掛鉤與掛座之間產(chǎn)生相對滑移，陶板有相互碰撞現(xiàn)象，但陶板和掛件均沒有損壞。當(dāng)臺面輸入加速度峰值超過600gal（相當(dāng)于9度大震輸入）時，試驗測得結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/60，其值已經(jīng)超過實際主體結(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，防止強震下陶板面內(nèi)平動引起的相互撞擊。

參考文獻

[1]GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(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.