摘要：对一种新型钢结构住宅体系及其墙体的足尺模型进行模拟地震振动台试验研究，通过试验结果分析该体系的自振特性、在模拟地震作用下的结构模型动力反应以及破坏情况，着重对墙体的抗震性能进行了研究。试验观察及数据分析表明，该体系及其墙体有很好的抗震性能，从而为该体系的应用和推广提供了试验依据。
关键词：钢结构；墙体；抗震
一、研究构思
目前，虽然对钢结构住宅建筑体系有一定研究，但是对钢结构住宅中配套围护结构及整个体系的抗震性能研究并不充分［3］。特别是在汶川大地震灾后重建中将大量应用轻钢结构住宅体系，提高其抗震性能是关键技术问题。该住宅体系以H型钢框架为结构主体，在墙体等围护结构大量采用了以下新型建筑材料：外墙体采用再生骨料混凝土柱作为龙骨，以600 mm为安装模数，在龙骨外侧有预埋扣件用以悬挂外墙挂板，龙骨之间用水泥基聚苯颗粒填充，龙骨内侧粘贴保温防火聚苯板。
二、主要研究内容
1.试验模型概况
为研究这种新型轻钢结构住宅体系的抗震性能，设计了一个足尺试验模型。根据振动台参数的要求，模拟典型单元2.4 m×2.4 m，2层，层高为2.65 m。钢框架柱和梁均采用轧制宽翼缘H型钢，材料为Q235B。为方便吊装，模型在定做的与振动台台面尺寸一致的钢板（20 mm厚）上完成。结构模型外墙体系中的混凝土挂柱按600 mm为安装模数固定在模型层间梁的天地龙骨之间，天地龙骨两端与H型钢柱焊接连接、中部与型钢梁亦焊接，其规格为 100mm×20mm×1.5mm。混凝土挂柱的位移分别被龙骨檐和5 cm长的镀锌钢管卡住。墙体外挂板活挂在混凝土挂柱上，主要规格尺寸为1200mm×180mm×40mm、600mm×180mm×40mm。挂板柱内侧为发泡聚苯板，密度为16 kg/m3，尺寸为1000mm×500mm×20mm。发泡聚苯板内侧为10cm厚度的矿棉板，紧贴在发泡聚苯板的背面。矿棉板内侧为3cm的轻质高强保温的内壁板。安装完毕的模型总重约12t。
2.模拟地震振动台试验
2.1试验测试方案和测点的布置
本试验选用两组实测天然地震波：1940－EL Cen-tro波（E）和呼家楼波（H），均为东西向，按原波输入［4］。试验采用多次加载方案，每次加载输入向水平地震波，逐级加大激振幅值，主要步骤如下：
（1）对模型进行低幅白噪声（W）激振，获得模型的自振频率、阻尼；
（2）依次对模型分级输入两种天然波，每级约提高0.1g，出现较严重裂缝时终止试验；
（3）在每级加载完毕后，输入白噪声激振以观察动力特性的变化，观察并描绘裂缝。
2.2试验现象
整个地震波加载试验过程中，墙体的整体性很好，表现出很好的抗震性能，无论是外墙板还是内墙板均没有出现破坏或甩塌现象。模型的破坏主要表现在四周墙角抹平砂浆裂缝和内墙板铆钉拔出、甚至脱落，以及内墙板间的砂浆裂缝上，当振动台台面加速度峰值为0.1g时，模型顶层有施工残留聚苯颗粒撒落。外墙四周墙角靠近中下部有轻微的裂缝出现，外墙挂板完好，内墙板铆钉有稍许松动，内墙板间砂浆没有裂缝出现。
当振动台台面加速度峰值为0.2 g时，模型顶层仍有施工残留聚苯颗粒撒落，屋面板有轻微振动响声。外墙四周墙角处抹平砂浆微裂缝有稍许扩展，南北两侧出现外挂板与抹平砂浆的裂缝，挂板端部填补的密封胶有轻微裂缝出现，外墙板完好，一层内墙板有铆钉松动明显、少数有凸起现象。
当振动台台面加速度峰值为0.4g时，模型振动比较剧烈，位移反应较大，屋面板振动响声较大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆四周墙角处抹平砂浆在2层也出现小裂缝，原来的裂缝有扩展的趋势，外墙板完好，内墙铆钉松动、凸起明显但没有出现剥落、拔出等现象。当振动台台面输入加速度峰值为0.6 g时，模型振动剧烈，屋面板振动响声很大，模型位移很大，有“格格”的响声出现，是外墙板相互挤压摩擦产生的声响。模型地梁和振动台面接触处出现细小裂缝。
四周墙角基本没有新的裂缝出现，原有的裂缝都有所发展，外墙板在一层靠下部有两块板发生小的错位缝隙，其他均完好。内墙板板间的浆体出现裂缝，原来凸起的钉子有个别出现剥落。但此时墙体仍然保持很好的整体性，没有出现挂板甩出或者内墙板塌落的现象。
三、需解决的关键问题及方法
虽然墙板等围护体系作为非承重构件，但在高烈度地震地区，其构造本身以及与结构主体构件的连接是必须考虑的问题，否则外墙挂板或内墙板甩落都会造成严重震害；另外，墙体的存在对钢结构房屋体系整体抗震性能影响如何需要进行试验研究分析。以满足汶川地震灾后重建要求为目标，设计了新型轻钢结构住宅体系—“板－柱－轻钢结构” 住宅的足尺试验模型，进行了模拟地震振动台试验，着重研究墙板体系的抗震性能。
四、初步的分析比较
结构模型的自振频率反映了结构刚度的变化，因此在输入每级地震波前后，都用白噪声扫频，以得到结构模型在不同水准地震作用前后的动力特性（包括自振频率、振型、阻尼比等）［5，6］。各次扫频得到的结构模型动力参数如表2所示。数据表明：在0.1～0.3 g的地震试验后，结构模型的一、二阶频率均没有发生改变；在0.4～0.6g的地震作用后结构模型的一阶频率均降低了12.50%，而二阶频率分别下降了4.50%、4.54%、4.59%，结构在不同的高度处有不同的加速度响应，为研究结构模型的加速度反应特性，自上而下将楼板和对应墙板测点处加速度峰值与台面输入加速度峰值相比，得到各测点加速度反应的放大系数，可以看出，在结构模型经历0.1～0.4 g的H波和E波地震作用时，随着地震波强度的增加，各层楼板和墙板的加速度放大系数均增加。说明在0.4 g地震作用后结构模型产生了轻微破坏。结构模型在经历0.5～0.6 g EL-Centro波作用后楼板和墙体的加速度放大系数呈现下降趋势。但幅度都不大，这是由于结构模型在累积地震作用下刚度有所下降，阻尼变大。与前面分析结构自振频率时的结论一致。将楼板处加速度反应与外墙对应位置处的加速度反应对比，可以了解墙体与结构模型主体的协调工作性能，同时也能反映墙体的抗震性能。可以看到，在垂直振动方向上，0.3 g前各级地震作用下墙体和楼板在对应位置加速度峰值基本一致，大于0.3 g后随着输入地震作用增强，两者出现差别。这是因为随着地震作用增加，墙体出现了轻微破坏，墙体刚度有所下降，对加速度的放大效果减弱。在振动作用方向，随着输入加速度峰值的增加，在0.3 g后墙体在2层墙板测点处加速度峰值显著并集中在一点，这可能是安装加速度计的外墙挂板出现了滑移。
五、结语
对采用新型墙体的轻钢结构住宅体系进行了足尺模型的地震振动台试验，得出以下结论。
（1）该种轻钢结构住宅体系有很好的抗震性能。在0.2g（八度基本）地震作用后结构模型基本没有破坏。
（2）墙体的加速度响应比同位置楼板的加速度响应大。在0.6g（九度基本）地震作用后，结构仍然保持很好的完整性，没有出现外墙挂板甩出、脱落等现象。说明外墙体和结构模型主体有柔性连接的性质，抗震性能好。
（3）在各级地震作用下，结构模型的层间位移角都很小，最大值也仅为1/4 252，远小于《建筑抗震设计规范》中对钢结构弹性层间位移角限值1/300，说明在整个试验过程中结构模型基本处在弹性工作阶段，表明了该结构体系在材料选择和结构设计方面还有较大的优化空间。
（4）在强震作用下，顶部外墙挂板可能出现滑移，要加强顶层挂板和墙体系的连接。
参考文献
［1］叶红，等.两层无比轻钢结构体系抗震性能试验研究［J］.国外建材，2006（1）.
［2］潘翔.钢结构装配住宅—墙板体系及相关技术研究.同济大学学位论文，2006.
论文作者:许东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/14
标签：模型论文; 结构论文; 墙体论文; 加速度论文; 外墙论文; 裂缝论文; 体系论文; 《建筑学研究前沿》2018年第26期论文;