大型石材幕墻抗震試驗(yàn)研究

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[提要] 本文對(duì)背栓連接的石材幕墻抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)上用足尺模型試件模擬地震作用，檢驗(yàn)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 錨栓
　　石材幕墻具有莊重、美觀、耐用等特點(diǎn)，在建筑外裝飾工程中被廣泛采用。為方便施工和設(shè)計(jì)安全，石材板塊的大小一般不超過(guò)規(guī)范的1.5m2的限制，但有時(shí)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(diǎn)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(guó)內(nèi)外石材幕墻工程中較為罕見(jiàn)，給設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)臺(tái)上模擬地震作用試驗(yàn)研究，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。
一、試驗(yàn)概況
　　根據(jù)幕墻設(shè)計(jì)分格和實(shí)驗(yàn)室條件，我們?cè)O(shè)計(jì)了變形能力較大的鋼框架作為干掛這種石材幕墻的試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前，我們首先進(jìn)行了雙切面錨栓在石材中抗拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)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(gè)，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(yàn)。試驗(yàn)報(bào)告見(jiàn)杭州斯泰幕墻公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)錄。根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)平均值（MPa）。
　　ho為栓孔有效深度（mm），按雙切面間的距離計(jì)。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(jì)值F可取為
　　F = Fmax/2.5                         （2）
　　該工程設(shè)計(jì)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(jì)算。qek為地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，按8度設(shè)防計(jì)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(jì)算板中彎曲應(yīng)力為

至少需要錨栓數(shù)為 　　通過(guò)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(shí)際施工圖在石材板背面四角附近共安裝10個(gè)M8錨栓，栓孔有效深度25mm。
　　為檢驗(yàn)如此大型石材幕墻連接技術(shù)可靠性，我們將進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)抗震試驗(yàn)和風(fēng)壓變形試驗(yàn)等。本文僅介紹振動(dòng)臺(tái)抗震試驗(yàn)情況。試驗(yàn)要求試件完全按實(shí)際施工圖1∶1制做。
二、試驗(yàn)數(shù)據(jù)
　　試驗(yàn)在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心5×5m大型振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行。輸入的地震波為我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定的“人工波”和國(guó)際常用的“EL-Centro波”。試驗(yàn)主要目的是通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模擬地震作用，檢驗(yàn)該大型石材板塊幕墻及其連接構(gòu)件在各級(jí)地震加速度作用下，抵抗試驗(yàn)主體鋼框架振動(dòng)變形時(shí)的能力，為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1、試驗(yàn)內(nèi)容
　?。?）用白噪聲隨機(jī)波激振測(cè)定試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱豖、Y兩個(gè)水平方向的動(dòng)力特性：從試件上各測(cè)點(diǎn)所測(cè)到的加速度反應(yīng)時(shí)程信號(hào)經(jīng)頻域變換得到傳遞函數(shù)，采用模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法求出試件的動(dòng)力特性，即試件結(jié)構(gòu)的前若干階自振頻率和阻尼比。
　　（2）按X、Y兩個(gè)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(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力反應(yīng)：所測(cè)定的數(shù)據(jù)是與激振同方向加速度測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)程，通過(guò)對(duì)加速度測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)程處理并進(jìn)行積分變換，對(duì)應(yīng)加速度測(cè)點(diǎn)，獲得相對(duì)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位移響應(yīng)時(shí)程和相對(duì)下層測(cè)點(diǎn)的層間位移響應(yīng)時(shí)程。
　?。?）根據(jù)位移響應(yīng)時(shí)程，計(jì)算分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶娱g位移，從而得知被試驗(yàn)的石材幕墻板塊抵抗變形的能力。并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)觀察各連接件和石材板塊的有無(wú)破壞情況。
2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)
白噪聲激振試驗(yàn)工況下試件自振特性                        表1 　　設(shè)計(jì)鋼框架X向的第一自振周期為0.2925秒,與實(shí)測(cè)第一自振周期0.268秒基本接近,主要誤差來(lái)自幕墻龍骨和石材掛板對(duì)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?gòu)脑囼?yàn)200gal和400gal的反應(yīng)：層間角位移1/308和1/190（表2），與設(shè)計(jì)值1/308和1/195（鋼框架設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)略）相比較可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼框架的設(shè)計(jì)較為合理，能夠保證試驗(yàn)進(jìn)行到底。
　　試驗(yàn)時(shí)，隨著臺(tái)面加速度的逐級(jí)升高，試件振動(dòng)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(wú)迸裂現(xiàn)象發(fā)生，連接件也無(wú)松動(dòng)和破壞。
　　動(dòng)力試驗(yàn)層間相對(duì)位移和相對(duì)轉(zhuǎn)角
（位移單位 ：毫米 ；轉(zhuǎn)角單位 ：弧度）                  表2 三、試驗(yàn)結(jié)論
　　（1）石材幕墻足尺試件是按8度抗震設(shè)防，三類場(chǎng)地土設(shè)計(jì)，試件主體為兩層的鋼框架結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)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(guó)抗震規(guī)范規(guī)定的“人工波”和國(guó)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(duì)線位移及角位移匯總后見(jiàn)表2所示。
　　（3）石材幕墻足尺試件經(jīng)過(guò)在振動(dòng)臺(tái)上模擬地震作用多次振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試件主體鋼結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)角位移達(dá)到約1/100時(shí)，石材幕墻結(jié)構(gòu)仍無(wú)破壞，此次石材幕墻試件滿足試驗(yàn)變形要求，通過(guò)抗震試驗(yàn)。
　?。?）若每個(gè)支撐點(diǎn)使用多個(gè)錨栓，則要用專用機(jī)器鉆孔，嚴(yán)格控制孔位偏差（不超過(guò)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(jì)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(yàn)的目的?
參考文獻(xiàn)
1. 朱伯龍。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)，地震出版社，1989。
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