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鋼結構體系

鋼構住宅體系

鋼結構住宅體系加氣混凝土外墻板抗震性能試驗研究
李國強  方明霽                劉宜靖
(同濟大學,上海200092) (南京旭建新型材料有限公司) 


 
        文章介紹了一鋼結構住宅體系的外墻板足尺模型振動臺試驗,并通過試驗結果分析,研究了鋼結構住宅體系外墻板以及墻板與結構構件連接節點處的抗震性能。文章得出了有益的結論,并提出了今后需進一步研究的問題。
1. 前言
        鋼結構住宅以其自重輕、建設快、形式靈活、抗震性能優良等優點在建筑市場越來越具有競爭力,目前在上海、天津、萊蕪等地已建成部分試點工程及研究基地。

        研究開發鋼結構節能住宅,采用節能、工廠化生產的墻體材料代替粘土磚,使住宅建筑向工業化發展,是住宅建筑行業二十一世紀的主導方向。鋼結構住宅體系中配套墻體材料的選用是鋼結構住宅進一步推廣應用的技術關鍵。鋼結構住宅由于其良好的抗震性能,廣泛用于地震設防區,外墻板作為外圍構件,墻板本身及連接節點也必須具備良好的抗震性能。此外,鋼結構的剛度較小,墻體對整個結構的剛度有貢獻,因此也會影響結構的抗震性能。

        加氣混凝土墻板是鋼結構住宅可以選用的一種墻體材料,在上海、馬鞍山的一些鋼結構住宅工程中得以應用。本文參考上海中福城鋼結構住宅中墻板的連接方式,采用南京旭建新型材料有限公司生產的蒸壓輕質加氣混凝土(ALC)外墻板,設計了墻板及墻板節點足尺模型,在同濟大學土木工程防災國家重點試驗室進行了模擬地震振動臺試驗,研究外墻板及墻板節點的抗震性能。

2. 試驗模型介紹
       為研究帶墻板鋼框架結構、墻板及節點抗震性能,擬設計一足尺空間框架模型。取一個典型房間,其平面尺寸為 3.1m×4.0m;受振動臺性能參數的限制,模型底座以上結構考慮二層,高 5.8m(見圖 1)。框架柱采用軋制寬翼緣 H型鋼,H150×150×8×8;框架梁采用焊接 H型鋼,截面 H180×100×6×8;材料均為 Q235B。試驗模型總質量 15.6t。

        為了較全面研究不同安裝方式對墻板抗震性能的影響,模型采用了內嵌豎排、內嵌橫排外掛豎排、外掛橫排四種安裝方式(見圖 2)。為了減少扭轉效應,墻板采用平面對稱安裝式。所用墻板均為 150mm 的 ALC外墻板。鋼框架及墻板安裝完畢后的模型見圖 3、圖 4。

3. 模型振動臺試驗
3.1  試驗加載方案及測點布置

        試驗主要測試樓面和墻板的加速度反應、框架梁柱節點的動應變反應;觀察墻板裂縫展和破壞過程;觀察連接節點處的抗震性能。本次試驗共布置加速度 18 個(兩層樓面各4X、Y墻面各 4 個、底梁 2 個),梁柱節點應變片 16 個,位移計 4 個,測點布置見圖 5。

       試驗選用 1940-El-Centro 波(E)作為振動臺臺面的輸入波。考慮到試驗結果的代表對地震波進行時間軸上的壓縮,取時間相似比 1:2(相當于將原型結構周期增長一倍),試加載采用單向交替加載方式。為測試模型在試驗不同階段的動力特性,在每級加載之前進白噪聲波(W)掃頻試驗。試驗加載工況如表 1 所示。 

 
3.2  試驗現象描述 
        整個試驗地震波加載過程中,墻板表現出良好的抗震性能。墻板與結構的連接方式保了節點處充分的變形能力,并且無論是外掛式還是內嵌式安裝方式,它與結構之間都是柔連接方式。因此在整個試驗過程中,外墻板未出現整體破壞及甩塌現象,保持較好。

        從試驗的加載過程看,墻板上一些細部的裂縫及破壞主要集中在梁柱節點附近區域及近窗框扁鐵的窗下墻部位。

       振動臺輸入 0.2g地震動時,墻板、連接件以及墻板拼接縫處均完好。

       加速度峰值到達 0.4g(相當于 9度地震)時,受平面內水平力作用的墻板開始在靠近腳及梁端的部位出現微小裂縫。裂縫位置多發生在一層柱腳處,另外窗口扁鐵處的部分自螺絲開始松動(圖 6);

       臺面輸入 0.6g(9度強)時,東面一層墻板上(外掛豎排墻板)窗口扁鐵處的個別自
螺絲完全拔出,其下的窗下墻發生平面外變形,不再保持平整度。板縫處的密封膠由于板變形有所脫落。在柱腳及梁端處出現一些新的裂縫,原先已有的裂縫有所擴展延伸,北面在底層柱腳處有一塊墻板發生剝落掉渣。檢查發現有個別節點連接件的螺栓開始松動;

       臺面振動加至 0.8g(10度)時,其它墻面窗口扁鐵處的螺絲不同程度脫落。每塊板之的變形較大,另外可看到用修補劑補過的地方有大裂縫發生。從試驗現場來看,反應最為烈的依然是底層外掛豎排墻板的窗下墻處,其晃動比較劇烈;

       最后在 1.0g和 1.2g的地震波作用下,東面底層豎排墻板上的窗下墻發生破壞(圖 7),窗框左下角發生較大的寬裂縫,并且伴隨著大塊墻板掉落。試驗現場可看見模型二層頂部兩面外掛橫排墻板在靠近梁的部位發生劇烈的平面外振動,墻板與結構之間的相對振動位移約有 5公分。但此時墻板仍然未發生整體破壞及倒塌現象。說明墻板在與框架的連接節點處具有良好的柔性性能。

 

4. 模型試驗結果分析
4.1  模型自振特性 
        試驗中模型在試驗前及每一個強度等級的兩個單向加載之后,均用白噪聲對模型進行雙向掃頻以監測模型動力特性的變化過程(如表 2 所示),表2 中還列出了模型卸去墻板后空框架的自振頻率及阻尼比。由表中數據可以看出,兩個方向的一階阻尼比與空框架的比值分別為 2.32和 1.71;墻板對相同鋼框架的剛度提高達 25%,這些剛度主要由墻板和結構之間打入的發泡劑以及墻板之間的密封膠所提供。隨著地震荷載的加大,填充的發泡劑和密封膠發生錯動,8 度后模型結構的自振頻率有所下降,在 9 度強的地震荷載作用之后,發泡劑與密封膠基本都脫開,墻板對結構也不再提供剛度貢獻。

 

4.2  模型加速度反應及結構動力放大
       為考察模型結構的加速度反應特性,將樓板與墻板的加速度峰值與底座上的加速度峰值相比,可以得到模型各測點的加速度放大系數。7 度加載時各層樓板和墻板的動力放大曲線以及各級加載時二層樓板和墻板動力放大規律分別如圖 8、圖 9 所示。可以看出二層樓板和墻板的動力放大作用更加明顯,而且隨著地震強度的增大,樓板和墻板的動力放大系數均有所下降。從數據看,墻板和樓板的加速度放大能力基本一致,且墻板與樓板的加速度時程反應曲線一致,說明墻板與鋼框架之間無相對運動、節點無松動。從試驗現象觀察也未發現明顯節點破壞。

4.3  模型位移反應 
        根據位移計所測得的樓板位移時程反應以及振動臺臺面的位移時程反應,可以得出一層和二層的層間相對時程位移。圖 10 給出 X、Y方向最大層間相對位移。由位移曲線可以看出模型的變形具有明顯的層間剪切變形特性。 豎排墻板采用每塊板上掛下托、橫排墻板采用端掛底托的安裝方式,每個連接節點提供一定的柔性變形能力。由于墻板與結構間無剛性連接,每塊墻板之間也無任何連接處理,僅用密封膠進行板縫密封,因此雖然在 0.6g 地震荷載時,墻板已經有平面外變形,不再保持整片墻的平整度,但是墻板除本身破壞并不嚴重。窗下墻之所以破壞較大,是由于通過自攻螺絲將窗下墻與焊在鋼框架上的窗框扁鐵相連接,使得窗下墻無充分的柔性變形能力所致。從試驗現象觀察,橫排墻板的窗下墻及窗框扁鐵螺絲的破壞程度要明顯比豎排墻板的破壞輕。

 

1.  結語
        本文通過鋼結構住宅體系外墻板抗震性能試驗的試驗現象觀察以及試驗數據分析整理的基礎上,可得出如下主要結論:
      (1)鋼結構住宅加氣混凝土外墻板可具有較好的抗震性能,在 8 度地震作用下保持完好。但墻板與框架間的發泡劑以及墻板之間的密封膠會有損壞。
      (2)墻板本身具有較大的整體剛度和足夠的強度儲備,在地震作用下未發生整體大開裂等破壞,對于窗下墻板來說,采取橫排方式比豎排方式的抗震性能要優越。 
      (3)墻板與結構的連接處構造合理,試驗數據分析表明墻板節點連接性能較好,節點在振動過程中連接牢固,沒有發生松動。同時連接節點也提供了一定的柔性變形能力,使得墻板能夠更好地適應結構變形,減輕破壞。
      (4)帶墻板模型與空框架模型試驗數據對比表明,外墻板對鋼框架的剛度貢獻可達 25%;與相同的空框架相比,阻尼比增大 2~4 倍,墻板對鋼結構的抗震性能有較大的影響。 
 
 
參考文獻
[1]  趙欣等,某鋼結構住宅體系墻板及墻板節點足尺模型模擬地震振動臺試驗,第六屆全國地震工程會議
[2]  李國強 沈祖炎 鋼結構框架體系彈性及彈塑性分析與設計理論,上海科學技術出版社,1998
[3]  李國強等,高層建筑鋼—混凝土混合結構模型模擬地震振動臺試驗研究,建筑結構學報,2001,(2)
[4]  Emad F. Gad .etc., Lateral Behavior of Plasterboard-Clad Residential Steel Frames, J. of Structural Engineering
vol. 125. No.1
[5]  關國雄、夏敬謙,鋼筋混凝土框架磚填充墻結構抗震性能的研究,地震工程與工程振動,1996,(1)

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