钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究

土　木　工　程　学　报

CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL

Vol138No110Oct1　2005

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　刘宜靖　陆　烨

1

1

2

1

(11同济大学,上海200092;21南京旭建新型材料有限公司,江苏南京210009)

摘要: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,了解了节点和墙板的破坏特征及墙板对结构动力特性与抗震性能的影响。得出了对带墙板钢结构抗震设计有益的结论。关键词:振动台试验;钢结构;加气混凝土外墙板;抗震性能+

中图分类号:TU35211　TU973131　　　　　文献标识码:A

文章编号:10002131X(2005)1020027206

ANEXPERIMENTALSTUDYONTHESEISMICBEHAVIOROFALCEXTERNAL

WALLPANELSINSTEELFRAMES

LiGuoqiang　FangMingji　LiuYijing　LuYe

1

1

2

1

(11TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

(21NanjingASAHIJianTongNewBuildingMaterials,Nanjing210009,China)

Abstract:Ashakingtabletestoffull-scalesteelframestructurewithALCexternalwallpanelsisdescribedinthisarticle.Basedonthetestresults,theseismicbehaviorofALCexternalwallsandjointsisanalyzed,withfocusontheeffectofexternalwallpanelstothesteelframe.Severalconclusionsandsuggestionsusefulfordesignarepresented.Keywords:shakingtabletest;steelstructure;ALCexternalwall;seismicbehavior

前　　言

钢结构住宅以其自重轻、建设快、形式灵活、抗震性能好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。

研究开发钢结构住宅,采用节能、工厂化生产的墙体材料代替粘土砖,是住宅产业现代化开发与发展的一个主导方向。钢结构住宅体系中配套墙体材料的选用是钢结构住宅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,其本身及其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中墙板的连

收稿日期:2004203209

国家杰出青年科学基金项目(50225825)资助

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,研究了外墙板及墙板节点的抗震性能。

1　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,设计了一个足尺空间框架模型。模拟一个典型房间,其平面尺寸为311m×410m;受振动台性能参数的限制,模型底座以上结构考虑二层,高518m(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。楼板采用压型钢板组合楼板,总厚130。

为了较全面研究不同安装方式对墙板抗震性能的影响,模型采用了外挂竖排、外挂横排、内嵌竖排三种安装方式(见图2),图3、图4、图5为3种安装方式的节点连接图。为了减少扭转效应,墙板采用平

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　土　木　工　程　学　报・28・2005年

图1　模型尺寸

Fig11　Modeldimension

面对称安装方式。所用墙板均为150mm的ALC外墙板。钢框架及墙板安装完毕后的模型见图6。试验模型总质量1516t。

图5　内嵌式连接节点

Fig15　Inlayedconnections

图2　墙板安装方式

Fig12　Lay2outofwallpanels

图6　墙板安装完毕

Fig16　Installedframewithwallpanels

2　模型振动台试验

211　试验加载方案及测点布置

图3　外挂竖排墙板安装法

Fig13　Installationoflongitudinalexternalwallpanels

试验主要测试楼面和墙板的加速度反应、框架梁

柱节点的动应变反应;观察墙板裂缝发展和破坏过程;观察连接节点处的抗震性能。本次试验共布置加速度计18个(两层楼面各4个、X、Y墙面各4个、底梁2个),梁端柱角节点应变片16个,位移计4个,测点布置见图7。

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性,对地震波进行时间轴上的压缩,取时间相似比1∶2(相当于将原型结构周期增长一倍),试验加载采用单向交替加

图4　外挂横排墙板安装法

Fig14　Installationoftransverseexternalwallpanels

载方式。为测试模型在试验不同阶段的动力特性,在

每级加载之前进行白噪声波(W)扫频试验。试验加载工况如表1所示。

　第38卷　第10期李国强等・钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究・29・

图7　测点布置图

Fig17　Lay2outofmeasurement!points

表1　试验加载工况和相应烈度

Table1　Loadingconditionandearthquakeintensity加载工况

1W2E3E4W5E6E7W8E9E10W

台面实测加速度

峰值(g)

X向

Y向

相应烈度

-7度7度-8度8度-9度9度-

加载工况

11E12E13W14E15E16W17E18E19W

台面实测加速度

峰值(g)

X向

Y向

相应烈度

9度强9度强-10度10度-10度强10度强-

0105011001000105012001000105014001000105

0105010001100105010001200105010001400105

0160010001050180010001051101120105

0100016001050100018001050100100105

墙板、连接件以及墙板拼接缝处均完好。

加速度峰值到达014g(相当于9度地震)时,受平面内水平力作用的墙板开始在靠近柱脚及梁端的部位出现微小裂缝。裂缝位置多发生在一层柱脚处,另外窗口扁铁处的部分自攻螺丝开始松动;

台面输入016g(相当于9度强)时,东面一层墙板上(外挂竖排墙板)窗口扁铁处的个别自攻螺丝完全拔出,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间变形有所脱落。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延伸,北面墙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018g(相当于10度)时,其它墙面窗口扁铁处的螺丝不同程度脱落。每块板之间的变形较大,另外可看到用修补剂补过的地方有大裂缝发生。从试验现场来看,反应最为剧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110g和112g(10度以上地震)的地震波作用下,东面底层竖排墙板上的窗下墙发生破坏(图8),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5cm。但此时墙板仍然未发生整体破坏及倒塌现象。

212　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证了节点处充分的变形能力,并且无论是外挂式还是内嵌式,它与结构之间都是柔性连接方式。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,保持完好。

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靠近窗框扁铁的窗下墙部位。

振动台输入012g(相当于8度地震)地震动时,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　土　木　工　程　学　报・30・2005年

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,填充的发泡剂和密封胶发生错动,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都脱开,墙板对结构也不再提供刚度贡献。312　模型位移反应

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9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托、横排墙板采用端挂底托的安装方式,每个连接节点提供一定的柔性变形能力。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9度强地震荷载时,墙板已经有平面外变形,不再保持整片墙的平整度,但是墙板其本身破坏并不严重。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上的窗框扁铁相连接,使得窗下墙无充分的柔性变形能力所致。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。这主要由于采用横排安装方法时,单块墙板的上下相对变形要比竖排时的小,相应横排板中的窗口扁铁螺丝受力也会小。

图8　窗下墙的最终破坏Fig18　Ultimatedamageofpanelbeneathwindow3　模型试验结果分析

311　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,均用白噪声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中还列出了模型卸去墙板后空框架的自振频率及阻尼比。由表中数据可以看出,两个方向的模型初始一阶阻尼比与空框架的比值分别为2132和1171;墙板对Y向钢框架的刚度提高25%,对X向钢框架的刚度提高14%;

表2　模型各次扫描频率(Hz)及阻尼比

Table2　Frequencyanddampingratio

模型初始

频率

一阶(Y向)二阶(X向)三阶(Y向)四阶(X向)

11953214416183681301

7度后11953214416183671617

8度后11758213446144571910

9度后11661212466112571519

9度

强后

11563211485137171227

10度后11563211485117671129

10度

强后

11563210515137161934

空框架频率

11563211493102731125

模型初始阻尼比

7169%7119%7104%41512%

空框架阻尼比

31309%41195%11822%11086%

从试验数据看出,8度地震作用时,所有墙板无明显破坏现象,此时内嵌竖排墙板相对侧移最大达到1Π228,外挂竖排墙板相对侧移最大达到1Π154;9度地震作用时,墙板开始有细小裂纹发生,此时的最大相对侧移为1Π104;9度强地震作用时,墙板有大裂缝发生,此时的墙板相对侧移达1Π67;最后在10度以上地震作用时,墙板最大相对侧移达到1Π41。

4　节点受力分析

蒸压轻质加气混凝土竖排墙板采用每块板上挂下托的安装方式、横排墙板采用端挂底托的安装方式,

每块墙板都是由端部两个连接节点与框架梁、柱连接,用于抵抗在地震荷载作用下外墙板出平面的外闪及平面内的相对框架的错动。墙板与结构之间的缝隙打入发泡剂。

在9度强的地震作用以后,由表2的频率数据可以判断发泡剂完全脱开,墙板不再给框架提供刚度。此时外墙板与框架结构的拉接节点承受由墙板振动引起的惯性力,而惯性力的大小与质量和加速度的大小有关。现根据墙板上加速度计传感器的时程反应结果以及墙板的质量来对连接节点进行受力分析,即研究外墙板在地震作用下沿X、Y两个方向产生的最大惯性力及其在每个拉接节点螺栓上引起的最大拉力和剪力。

　第38卷　第10期李国强等・钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究・31・

计算出墙板节点所受最大剪力为217kN,相应节

2

点螺栓中产生的剪应力为34139NΠmm。外墙板节点在整个试验过程中也未发现破坏现象,由外墙板节点受力分析结果可知,外墙板属轻质墙板,产生的惯性力不大,节点受力也相应较小,与设计强度相比有较大的强度储备。

5　结语与建议

通过对钢结构住宅体系外墙板抗震性能试验的观察以及试验数据的分析,可得出如下主要结论:

(1)钢结构住宅加气混凝土外墙板具有较好的抗震性能,在8度地震作用下基本保持完好。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)从模型试验的数据分析来看,外墙板对钢框架X、Y方向的刚度贡献可分别达14%和25%;带墙板钢框架的阻尼比可超过7%,可见墙板对钢结构的地震作用及抗震性能有较大的影响。

(3)试验得出不发生明显损坏的外挂墙板层间相对变形为1Π154,内嵌墙板层间相对变形为1Π228。

(4)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接性能较好,节点在地震中连接牢固,没有发生松动。同时连接节点也提供了一定的柔性变形能力,使得墙板能够更好地适应结构变形,减轻破坏。

(5)墙板本身具有较大的整体刚度和足够的强度储备,在10度以上地震作用下未发生整体大开裂或甩塌等严重破坏,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。

建议:

(1)计算地震作用时,带墙板钢框架结构的阻尼比可取为5%。

(2)钢结构住宅抗震设计时,采用外挂墙板时层间允许变形建议取为1Π200,采用内嵌墙板时层间允许变形建议取为1Π300。

(3)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。

(4)从试验现象看,窗口扁铁处的自攻螺丝容易较早发生松动脱落,因此在扁铁与墙板的连接方式上可以采取适当加强措施。

由于试验条件有限,还有更多不同的结构形式尚待研究,钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能的试验研究还需不断补充完善。

(下转第38页)

图9　各级加载工况下楼板的最大相对位移

Fig19　Maximumrelativedisplacementsoffloorunder

variousloadconditions

由外墙板在所有工况下出平面的最大加速度反

应,再根据最大块墙板的质量,可计算出每块墙板产生的出平面最大惯性力。结果如表3所示。

表3　外墙板产生的出平面最大惯性力

Table3　Maximumplanarinertiaforceofwallpanels外墙板位置一层

X方向Y方向X方向Y方向

工况

15E18E15E18E

峰值加速度

(g)01846231183211137211785

惯性力(kN)

Fg=ma

11411512921189131329

二层

　　由此可进一步计算出墙板节点所受最大拉(压)

力21646kN,相应节点螺栓中产生的拉(压)应力为

22

3317NΠmm,与设计容许应力210NΠmm相差甚远,还有很大的强度储备。同样可计算出每块墙板产生的平面内最大惯性力。结果如表4所示。

表4　外墙板产生的平面内最大惯性力

Table4　Maximumin2planeinertiaforceofwallpanels外墙板位置一层

X方向Y方向X方向Y方向

工况

18E15E18E15E

峰值加速度

(g)31183201846211785111372

惯性力(kN)

Fg=ma

514114072196721119

二层

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　土　木　工　程　学　报・38・2005年

的漩涡在较低的折算风速时就会使受扰物体产生涡激共振,并产生数倍于更大宽度施扰物体所产生的干扰因子,应该引起足够的关注。

3)动力干扰效应随着施扰物体的高度的增加而增强。相关分析结果显示,不同高度比配置以及同样配置在不同地貌下的干扰效应存在一定的线性相关性,因此非基本配置的动力干扰因子分布可以由基本配置情况和回归分析结果推测得到。D类地貌下的相应干扰因子数据也可以由B类地貌下的相应结果和回归关系推算得到。

4)本文采用相关和回归分析方法对不同试验配置和试验参数下的干扰因子分布进行了分析,得到若干可以定量描述对于不同变化参数下干扰因子分布间相互关系,这个结果大大地简化了干扰效应研究结果描述的繁杂性,使结构在受扰后的风荷载取值更趋于简洁和合理。

应当指出的是:本文的研究结果距工程实际应用仍有一定的距离,进一步的深化研究仍在进行中,已使该领域的研究结果能为工程应用所采用。

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谢壮宁　工学博士,教授。研究方向为工程结构抗风,工作以来发表学术论文90余篇。通讯地址:515063　广东省汕头市

汕头大学土木工程系。E2mail:znxie@stu1edu1cn

顾　明　工学博士,长江学者特聘教授。研究方向为工程结构抗风。

(上接第31页)[3]　李国强,沈祖炎.钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与

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李国强　教授。主要从事多高层建筑钢结构及钢结构抗火研究。通讯地址:200092　上海市四平路同济大学土木工程学院

方明霁　博士研究生。主要从事多高层钢结构抗震研究。刘宜靖　高工。主要从事新型建筑墙板研究。陆　烨　博士研究生。主要从事钢结构研究。