大型石材幕墻抗震試驗研究

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[提要] 本文對背栓連接的石材幕墻抗震性能進(jìn)行了試驗研究。通過在振動臺上用足尺模型試件模擬地震作用，檢驗其抗震性能，為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。
[關(guān)鍵詞] 石材幕墻 振動臺試驗 錨栓
　　石材幕墻具有莊重、美觀、耐用等特點，在建筑外裝飾工程中被廣泛采用。為方便施工和設(shè)計安全，石材板塊的大小一般不超過規(guī)范的1.5m2的限制，但有時建筑師為建筑立面的需要，采用大型石材板塊干掛，如北京某重點工程的幕墻石材板塊尺寸為2.8×1.78m，厚0.04m，重達(dá)560公斤，超出了規(guī)范限制，這在國內(nèi)外石材幕墻工程中較為罕見，給設(shè)計和施工提出了較大難度。北京是高烈度抗震設(shè)防地區(qū)，大型石材幕墻的安裝技術(shù)和連接構(gòu)件都必須滿足抗震要求，本文對該工程的大型石材幕墻抗震性能進(jìn)行了足尺模型在振動臺上模擬地震作用試驗研究，為實際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。
一、試驗概況
　　根據(jù)幕墻設(shè)計分格和實驗室條件，我們設(shè)計了變形能力較大的鋼框架作為干掛這種石材幕墻的試驗主體結(jié)構(gòu)，鋼框架的平面尺寸為4.5m×4.5m，高5.2m。在鋼框架外立面上安裝石材板，其中最大的石材板面積為2.8m×1.78m，厚0.04m，采用雙切面背栓連接。
　　在振動臺試驗前，我們首先進(jìn)行了雙切面錨栓在石材中抗拉拔試驗。試驗采用直徑6mm、8mm和10mm的三種錨栓，錨固深度分別為15mm、18mm和25mm，每種錨栓取10個，在抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為164MPa的石材板上進(jìn)行拉拔試驗。試驗報告見杭州斯泰幕墻公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)錄。根據(jù)試驗結(jié)果，雙切面錨栓在石材中的抗拉拔極限承載力為
　　Fmax = 12.5fc0.5ho1.5                （1）
　　式中， Fmax為雙切面錨栓在基材（石材）中的抗拉拔承載力極限值（N）。fc為基材材料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值或試驗平均值（MPa）。
　　ho為栓孔有效深度（mm），按雙切面間的距離計。孔深不宜小于15mm。雙切面錨栓在基材（石材）中的抗拉拔承載力設(shè)計值F可取為
　　F = Fmax/2.5                         （2）
　　該工程設(shè)計幕墻面外荷載為
　　q = 1.4Wk+1.3×0.6×qek        （3）
　　其中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按100米高、基本風(fēng)壓為0.5kPa的Ｄ類計算。qek為地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，按8度設(shè)防計算。所用石材抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為11MPa，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為164MPa。用有限元計算板中彎曲應(yīng)力為

至少需要錨栓數(shù)為 　　通過圖2所示的連接件安裝石材幕墻。為確保該石材幕墻工程的安全，實際施工圖在石材板背面四角附近共安裝10個M8錨栓，栓孔有效深度25mm。
　　為檢驗如此大型石材幕墻連接技術(shù)可靠性，我們將進(jìn)行振動臺抗震試驗和風(fēng)壓變形試驗等。本文僅介紹振動臺抗震試驗情況。試驗要求試件完全按實際施工圖1∶1制做。
二、試驗數(shù)據(jù)
　　試驗在中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心5×5m大型振動臺上進(jìn)行。輸入的地震波為我國抗震規(guī)范規(guī)定的“人工波”和國際常用的“EL-Centro波”。試驗主要目的是通過振動臺模擬地震作用，檢驗該大型石材板塊幕墻及其連接構(gòu)件在各級地震加速度作用下，抵抗試驗主體鋼框架振動變形時的能力，為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1、試驗內(nèi)容
　　（1）用白噪聲隨機(jī)波激振測定試驗?zāi)Ｐ脱豖、Y兩個水平方向的動力特性：從試件上各測點所測到的加速度反應(yīng)時程信號經(jīng)頻域變換得到傳遞函數(shù)，采用模態(tài)參數(shù)識別方法求出試件的動力特性，即試件結(jié)構(gòu)的前若干階自振頻率和阻尼比。
　?。?）按X、Y兩個水平方向分別輸入峰值加速度為70 gal 、100gal、200gal、400gal、600gal、800gal、900 gal的人工波和El-Centro 波，測試試驗?zāi)Ｐ偷膭恿Ψ磻?yīng)：所測定的數(shù)據(jù)是與激振同方向加速度測點的響應(yīng)時程，通過對加速度測點的響應(yīng)時程處理并進(jìn)行積分變換，對應(yīng)加速度測點，獲得相對振動臺臺面運動的相對位移響應(yīng)時程和相對下層測點的層間位移響應(yīng)時程。
　?。?）根據(jù)位移響應(yīng)時程，計算分析試驗?zāi)Ｐ偷膶娱g位移，從而得知被試驗的石材幕墻板塊抵抗變形的能力。并在整個試驗過程中隨時觀察各連接件和石材板塊的有無破壞情況。
2、試驗數(shù)據(jù)
白噪聲激振試驗工況下試件自振特性                        表1 　　設(shè)計鋼框架X向的第一自振周期為0.2925秒,與實測第一自振周期0.268秒基本接近,主要誤差來自幕墻龍骨和石材掛板對鋼框架自振周期的折減。由于石材幕墻面內(nèi)的附加剛度較面外大，即Y向周期差別較大。再從試驗200gal和400gal的反應(yīng)：層間角位移1/308和1/190（表2），與設(shè)計值1/308和1/195（鋼框架設(shè)計計算數(shù)據(jù)略）相比較可見，試驗鋼框架的設(shè)計較為合理，能夠保證試驗進(jìn)行到底。
　　試驗時，隨著臺面加速度的逐級升高，試件振動幅度不斷增大，最大振幅達(dá)到50mm。經(jīng)觀察，背栓連接的石材板塊無迸裂現(xiàn)象發(fā)生，連接件也無松動和破壞。
　　動力試驗層間相對位移和相對轉(zhuǎn)角
（位移單位 ：毫米 ；轉(zhuǎn)角單位 ：弧度）                  表2 三、試驗結(jié)論
　?。?）石材幕墻足尺試件是按8度抗震設(shè)防，三類場地土設(shè)計，試件主體為兩層的鋼框架結(jié)構(gòu)，其長寬高尺寸分別為4.5m×4.5m×5.2m，石材板塊最大為1.78m×2.8m,厚0.04m，采用背栓式連結(jié)。輸入的地震波為我國抗震規(guī)范規(guī)定的“人工波”和國際常用的“EL-Centro波”。
　?。?）試件在人工波和EL-Centro地震波作用下，最大加速度分別為a=70gal、100gal、200gal、400gal、600gal、800gal、900gal，相應(yīng)的層間相對線位移及角位移匯總后見表2所示。
　　（3）石材幕墻足尺試件經(jīng)過在振動臺上模擬地震作用多次振動試驗結(jié)果表明，當(dāng)試件主體鋼結(jié)構(gòu)的層間相對角位移達(dá)到約1/100時，石材幕墻結(jié)構(gòu)仍無破壞，此次石材幕墻試件滿足試驗變形要求，通過抗震試驗。
　?。?）若每個支撐點使用多個錨栓，則要用專用機(jī)器鉆孔，嚴(yán)格控制孔位偏差（不超過0.5mm），確保各錨栓受力均勻。并且孔深要大于15mm。
　?。?）承載幕墻的主體鋼框架設(shè)計是關(guān)鍵，其剛度既不能太剛也不能太柔，否則，達(dá)不到試驗的目的?
參考文獻(xiàn)
1. 朱伯龍。結(jié)構(gòu)抗震試驗，地震出版社，1989。
2. 金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGJ133），2001。
3. 建筑幕墻抗震性能振動臺試驗方法，GB/T18575-  2001。
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