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钢结构体系

钢构住宅体系

钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究
李国强  方明霁                刘?#21496;?
(同济大学,上海200092) (南京旭建新型材料有限公司) 


 
        文章介绍了一钢结构住宅体系的外墙板足尺模型振动台试验,并通过试验结果分析,研究了钢结构住宅体系外墙板以及墙板与结构构件连接节点处的抗震性能。文章得出了有益的结论,并提出了今后需进一步研究的问题。
1. 前言
        钢结构住宅以其自重轻、建设快、?#38382;?#28789;活、抗震性能优良等优点在建筑市场越来越具有竞争力,目前在上海、天津、莱芜等地已建成部分试点工程及研究基地。

        研究开发钢结构节能住宅,采用节能、工厂化生产的墙体材料代替粘土砖,使住宅建筑向工业化发展,是住宅建筑行业二十一世纪的主导方向。钢结构住宅体系中配套墙体材?#31995;?#36873;用是钢结构住宅进一步推广应用的技术关键。钢结构住宅由于其良好的抗震性能,广泛用于地震设防区,外墙板作为外围构件,墙板本身及连接节点也必须具备良好的抗震性能。此外,钢结构的刚度较小,墙体对整个结构的刚度有贡献,因此也会影响结构的抗震性能。

        加气混凝土墙板是钢结构住宅可以选用的一种墙体材料,在上海、马鞍山的一些钢结构住宅工程中得以应用。本文参考上海中福城钢结构住宅?#26143;?#26495;的连接方式,采用南京旭建新型材料有限公司生产的蒸压轻质加气混凝土(ALC)外墙板,设计了墙板及墙板节点足尺模型,在同济大学土木工程防灾国家重点试验室进行了模拟地震振动台试验,研究外墙板及墙板节点的抗震性能。

2. 试验模型介绍
       为研究带墙板钢框架结构、墙板及节点抗震性能,拟设计一足尺空间框架模型。取一个典型?#32771;洌?#20854;平面尺寸为 3.1m×4.0m;受振动台性能参数的限制,模型底座以上结构考虑二层,高 5.8m(见图 1)。框架柱采用轧制宽翼缘 H型钢,H150×150×8×8;框架梁采用焊接 H型钢,截面 H180×100×6×8;材料均为 Q235B。试验模型总质量 15.6t。

        为了较全面研究不同安装方式对墙板抗震性能的影响,模型采用了内嵌竖排、内嵌横排外挂竖排、外挂横排四种安装方式(见图 2)。为了减少扭转效应,墙板采用平面对称安装式。所?#20204;?#26495;均为 150mm 的 ALC外墙板。钢框架及墙板安装完毕后的模型见图 3、图 4。

3. 模型振动台试验
3.1  试验加载方案及测点布置

        试验主要测?#26376;?#38754;和墙板的加速度反应、框架梁柱节点的动应变反应;观察墙板裂缝展?#25512;?#22351;过程;观察连接节点处的抗震性能。本次试验共布置加速度 18 个(两层楼面各4X、Y墙面各 4 个、底梁 2 个),梁柱节点应变片 16 个,位移计 4 个,测点布置见图 5。

       试验选用 1940-El-Centro 波(E)作为振动台台面的输入波。考虑到试验结果的代表对地震波进行时间轴?#31995;?#21387;缩,取时间相似比 1:2(相当于将原型结构周期增长一倍),试加载采用单向交替加载方式。为测试模型在试验不同阶段的动力特性,在?#32771;?#21152;载之前进?#33258;?#22768;波(W)扫频试验。试验加载工况如表 1 所示。 

 
3.2  试验现象描述 
        整个试验地震波加载过程中,墙板表现出良好的抗震性能。墙板与结构的连接方式保了节点处充分的变?#25991;?#21147;,并且无论是外挂式还是内嵌式安装方式,它与结构之间都是柔连接方式。因此在整个试验过程中,外墙板未出现整体破坏及甩塌现象,保持较好。

        从试验的加载过程看,墙板上一些细部的裂缝及破坏主要集中在梁柱节点附近区域及近窗框扁铁的窗下墙部位。

       振动台输入 0.2g地震动?#20445;?#22681;板、连接件以及墙板拼接缝处均完好。

       加速度峰值到达 0.4g(相当于 9度地震)?#20445;?#21463;平面内水平力作用的墙板开始在靠近脚及梁?#35828;?#37096;位出现微小裂缝。裂缝位置多发生在一层柱脚处,另外窗口扁铁处的部分?#26376;?#19997;开始松动(图 6);

       台面输入 0.6g(9度强)?#20445;?#19996;面一层墙板上(外挂竖排墙板)窗口扁铁处的个别自
螺丝完全拔出,其下的窗下墙发生平面外变形,不再保持平整度。板缝处的密封胶由于板变形有所脱落。在柱脚及梁端处出现一些新的裂缝,原先已有的裂缝有所扩展?#30001;歟?#21271;面在底层柱脚处有一块墙板发生剥落掉渣。检查发现有个别节点连接件的螺栓开始松动;

       台面振动加至 0.8g(10度)?#20445;?#20854;它墙面窗口扁铁处的螺丝不同程度脱落。每块板之的变形较大,另外可看?#25509;?#20462;补剂?#26500;?#30340;地方有大裂缝发生。从试验现场来看,反应最为烈的依然是底层外挂竖排墙板的窗下墙处,其晃动比较剧烈;

       最后在 1.0g和 1.2g的地震波作用下,东面底层竖排墙板?#31995;?#31383;下墙发生破坏(图 7),窗框左下角发生较大的宽裂缝,并且伴随着大块墙板掉落。试验现场可看见模型二层顶部两面外挂横排墙板在靠近梁的部位发生剧烈的平面外振动,墙板与结构之间的相对振动位移约有 5公分。但此时墙板仍然未发生整体破坏及倒塌现象。说明墙板在与框架的连接节点处具有良好的柔性性能。

 

4. 模型试验结果分析
4.1  模型自振特性 
        试验中模型在试验前及每一个强度等级的两个单向加载之后,均用?#33258;?#22768;对模型进行双向扫频以监测模型动力特性的变化过程(如表 2 所示),表2 中还列出了模型?#24230;?#22681;板后空框架的自振频率及阻尼?#21462;?#30001;表中数据可以看出,两个方向的一阶阻尼比与空框架的比值分别为 2.32和 1.71;墙板对相同钢框架的刚度提高达 25%,这些刚度主要由墙板和结构之间打入的发泡剂以及墙板之间的密封胶所提供。随着地震荷载的加大,填充的发泡?#26753;?#23494;封胶发生错动,8 度后模型结构的自振频率有所下降,在 9 度强的地震荷载作用之后,发泡剂与密封胶基本?#32426;?#24320;,墙板对结构也不再提供刚度贡?#20303;?

 

4.2  模型加速度反应及结构动力放大
       为考察模型结构的加速度反应特性,将楼板与墙板的加速度峰值与底座?#31995;?#21152;速度峰值相比,可以得到模型各测点的加速度放大系数。7 度加载?#22791;?#23618;楼板和墙板的动力放大曲线以?#26696;?#32423;加载时二层楼板和墙板动力放大规律分别如图 8、图 9 所示。可以看出二层楼板和墙板的动力放大作用更加明显,而?#23452;?#30528;地震强度的增大,楼板和墙板的动力放大系数均有所下降。从数据看,墙板和楼板的加速度放大能力基本一致,且墙板与楼板的加速度时程反应曲线一致,说明墙板与钢框架之间无相对运动、节点无松动。从试验现象观察也未发现明显节点破坏。

4.3  模型位?#21697;?#24212; 
        根据位移计所测得的楼板位移时程反应以及振动台台面的位移时程反应,可以得出一层和二层的层间相对时程位移。图 10 给出 X、Y方向最大层间相对位移。由位移曲线可以看出模型的变形具有明显的层间剪切变形特性。 竖排墙板采用每块板上挂下?#23567;?#27178;排墙板采用端?#19994;?#25176;的安装方式,每个连接节点提供?#27426;?#30340;柔性变?#25991;?#21147;。由于墙板与结构间无刚性连接,每块墙板之间也无任何连接处理,仅用密封胶进行板缝密封,因此虽然在 0.6g 地震荷载?#20445;?#22681;板已经有平面外变形,不再保持整片墙的平整度,但是墙板除本身破坏并不严重。窗下墙之所以破坏较大,是由于通过自攻螺丝将窗下墙与焊在钢框架?#31995;?#31383;框扁铁相连接,使得窗下墙无充分的柔性变?#25991;?#21147;所致。从试验现象观察,横排墙板的窗下墙及窗框扁铁螺丝的破坏程度要明显比竖排墙板的破坏轻。

 

1.  结语
        本文通过钢结构住宅体系外墙板抗震性能试验的试验现象观察以及试验数据分析整理的基础上,可得出如下主要结论:
      (1)钢结构住宅加气混凝土外墙板可具有较好的抗震性能,在 8 度地震作用下保持完好。但墙板与框架间的发泡剂以及墙板之间的密封胶会有损坏。
      (2)墙板本身具有较大的整体刚度和足够的强度储备,在地震作用下未发生整体大开裂等破坏,对于窗下墙板来说,采取横排方式比竖排方式的抗震性能要优越。 
      (3)墙板与结构的连接处构造合理,试验数据分析表明墙板节点连?#26377;?#33021;较好,节点在振动过程中连接牢固,没有发生松动。同时连接节点也提供了?#27426;?#30340;柔性变?#25991;?#21147;,使?#20204;?#26495;能够更好地适应结构变形,减轻破坏。
      (4)带墙板模型与空框架模型试验数据对比表明,外墙板对钢框架的刚度贡献可达 25%;与相同的空框架相比,阻尼比增大 2~4 倍,墙板对钢结构的抗震性能有较大的影响。 
 
 
参考文献
[1]  赵欣等,某钢结构住宅体系墙板及墙板节点足尺模型模拟地震振动台试验,第六届全国地震工程会议
[2]  李国强 沈祖炎 钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与设计理论,上海科学技术出版社,1998
[3]  李国强等,高层建筑钢—混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究,建筑结构学报,2001,(2)
[4]  Emad F. Gad .etc., Lateral Behavior of Plasterboard-Clad Residential Steel Frames, J. of Structural Engineering
vol. 125. No.1
[5]  关国雄、?#26408;?#35878;,钢筋混凝土框架砖填充墙结构抗震性能的研究,地震工程与工程振动,1996,(1)

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