建筑節(jié)能用新型輕質(zhì)隔墻板的振動臺模擬地震試驗研究

王巧云，韓曉健，萬里

（南京工業(yè)大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816）

0 引言

隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展以及墻體材料改革的步步深入，各種非承重輕質(zhì)隔墻板近年來發(fā)展十分迅速。相對于傳統(tǒng)的普通磚砌筑墻體而言，輕質(zhì)隔墻板是一種新型節(jié)能墻體材料，具有質(zhì)量輕、強度高、成本低、快速施工、保溫隔熱、隔聲等優(yōu)點[1]，是現(xiàn)代化建筑逐步向框架、大開間方向發(fā)展的需要，也是改善建筑功能、提高建筑質(zhì)量和施工效率，實現(xiàn)建筑現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展的需要，目前在建筑建材行業(yè)具有強大的生命力和廣闊的發(fā)展前景。

本文所述的輕質(zhì)隔墻板是一種用于建筑物隔墻的墻體預制板，適用于辦公、商務、居民樓等建筑物的非承重隔墻。它是一種輕質(zhì)陶粒鋼筋混凝土空心墻板，由水泥、砂、輕質(zhì)陶粒、發(fā)泡劑、水等原材料，內(nèi)部夾有冷拔鋼筋網(wǎng)架制成，外形類似空心樓板的墻材，結(jié)構(gòu)及規(guī)格如圖1所示。

圖1 墻板規(guī)及格結(jié)構(gòu)示意

墻板兩邊有公母榫槽，安裝時只需將板材立起，公母榫涂上少量嵌縫砂漿后拼裝即可。該輕質(zhì)隔墻板具有自重輕、表面平滑、可鑿、可切割、可釘掛、環(huán)保等特點，為建筑設計及使用功能帶來靈活性和方便性。同時，結(jié)合墻體改革，采用墻板作為框架填充墻及內(nèi)隔墻，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通燒結(jié)磚墻，適用于建造節(jié)能型建筑，符合國家節(jié)能環(huán)保的政策。

1 試驗

試驗墻板來自江蘇建華新型墻材有限公司生產(chǎn)的輕質(zhì)隔墻板，設計了3面由不同高度、不同厚度的隔墻板拼裝而成的原尺度墻體試件模型，并且3面墻體連接在鋼框架內(nèi)，同時安裝在振動臺上進行地震模擬振動臺試驗。試驗在南京工業(yè)大學土木工程實驗中心、江蘇省土木工程與防災減災重點實驗室進行，試驗研究的主要內(nèi)容如下：

（1）通過測試墻板結(jié)構(gòu)的動力特性及地震波加載前后的變化情況，判定墻板結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)變化；

（2）通過振動臺真實再現(xiàn)地震波的作用下，確定墻板的最薄弱部位和破壞狀況；

（3）驗證此類輕質(zhì)隔墻板在9度地震設防烈度下的抗震性能；

（4）對此類輕質(zhì)隔墻板進行抗震安全性評價。

2 地震模擬振動臺試驗

2.1 試驗對象

為了驗證不同規(guī)格隔墻板的抗震性能，設計了一個可同時安裝3面輕質(zhì)隔墻板的足尺鋼框架模型。鋼框架作為墻板支承結(jié)構(gòu)安裝于臺面，具有足夠剛度，可以模擬實際工程中的框架結(jié)構(gòu)。墻板試件選用足尺結(jié)構(gòu)單元，由公司專業(yè)施工隊采用與實際工程相同的連接方式進行現(xiàn)場拼裝，如圖2所示。

圖2 墻板地震模擬振動臺試驗照片

將高 4.5 m、厚100 mm，高3 m、厚 120 mm和高3 m、厚150 mm共3種規(guī)格的墻板并列安裝于鋼框架內(nèi)。其中，墻①的墻板凈高3 m，采用墻板規(guī)格為3000 mm×595 mm×120 mm；墻②的墻板凈高4.5 m，采用墻板規(guī)格為3000 mm×595 mm×l00 mm和規(guī)格為1500 mm×595 mm×100 mm沿高度方向拼接而成；墻③的墻板凈高3 m，采用墻板規(guī)格為3000 mm×500 mm×150 mm。結(jié)合本實驗室振動臺臺面尺寸，3面墻板安裝布置見圖3。

圖3 墻板平面布置

2.2 試驗方法與測點布置

墻板結(jié)構(gòu)的地震模擬振動臺試驗方法是根據(jù)該墻板應用工程的實際場地條件，輸入地震設防烈度為9度、加速度放大系數(shù)為1.0的地震波，同時在每級地震波輸入后進行白噪聲掃頻以觀察動力特性的變化。依據(jù)GB50011—2001《建筑抗震設計規(guī)范》2008年版[2]，試驗地震記錄采用2條強震記錄和1條人工記錄，其中強震記錄分別選取了El Centro波和Taft波。

試驗前，首先對臺面模型輸入小幅值的、寬頻的（一般取0.5～50 Hz）白噪聲激勵，確定模型結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比等特性。然后分別按照9度多遇、設防以及罕遇地震波順序，依次對模型水平向輸入不同加速度峰值的地震波激勵[3]。同時，利用動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及加速度傳感器和位移傳感器，測試臺面墻體試件的加速度、位移反應，從而判斷被測試墻板的抗震性能。具體試驗工況如表1所示。

表1 模型試驗工況

試驗主要測試墻板和鋼架的加速度反應、墻板的位移反應、觀察墻板地震作用下的開裂和破壞情況，以及墻板與鋼架結(jié)構(gòu)連接可靠性。試驗模型的加速度測點共有7個，每面墻體的鋼梁與墻板頂部各布置1個加速度傳感器，鋼梁基底布置1個加速度作為參考（見圖4）；位移測點6個，每面墻體的鋼梁底部與墻板頂部各布置1個位移傳感器（見圖5）。

圖4 加速度測點布置

圖5 位移測點布置

3 墻板地震反應分析

3.1 模型模態(tài)的確定

本試驗對模型結(jié)構(gòu)動力特性（模態(tài)參數(shù)）的識別是基于頻響函數(shù)估計原理，通過對臺面及結(jié)構(gòu)基底輸入有限帶寬白噪聲信號激勵信號進行識別。白噪聲信號的特點是其功率譜為常數(shù)，因此，可以對輸入激勵后結(jié)構(gòu)的響應信號進行功率譜密度函數(shù)估計，從而獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)[4]。

試驗過程中，為了測試墻板結(jié)構(gòu)在地震作用前后動力特性的變化，在地震作用前后分別輸入加速度峰值為0.05 g、頻帶寬為0.1～35 Hz的白噪聲。由北京東方所的振動測試與分析專用軟件對模型各部位測點的加速度響應信號進行模態(tài)分析，得到模型在地震作用前后的頻率見表2。

表2 墻體結(jié)構(gòu)地震作用前后頻率變化

從表2可以看出，各級地震作用后結(jié)構(gòu)的主頻都略有降低，到了9度罕遇地震作用后，結(jié)構(gòu)一階主頻下降了5.6%。

3.2 模型加速度反應

本次墻板抗震試驗采用2條實際地震記錄（El Centro和Taft）、1條人工合成地震記錄作為振動臺試驗的輸入地震波，進行了不同強度（9度多遇、設防、罕遇）的地震模擬試驗，測試了各墻體結(jié)構(gòu)的加速度反應結(jié)果，見表3～表5。

表3 9度多遇時的最大加速度反應

表4 9度設防時的最大加速度反應

表5 9度罕遇時的最大加速度反應

由表3～表5墻體加速度反應的峰值可知，墻體出平面方向（臺面運動方向）的加速度放大許多。在9度多遇地震波下，高度相同的墻①、墻③加速度放大系數(shù)基本相當；隨著不同地震波的變化，墻①、墻③頂部放大系數(shù)為1.99～2.77，而高度為4.5 m的墻②墻板頂部放大系數(shù)為3.66～4.54，相對墻①、墻③增大明顯。在9度基本設防和9度罕遇的不同強度地震波輸入下，墻板頂部放大系數(shù)隨之略有增大。圖6為地震波輸入后各工況下模型的加速度放大系數(shù)[5]。

圖6 模型加速度放大系數(shù)

3.3 模型相對位移反應

本次試驗中，主要關(guān)注各墻板結(jié)構(gòu)的相對位移反應[6]，即墻板頂部相對于臺面（結(jié)構(gòu)基底）的位移D，相對位移最大值見表6～表 8。位移隨地震強度的增加而增加。經(jīng)過9度罕遇地震作用后，墻①、墻②、墻③的相對位移最大值分別達到4.85、8.72、5.25 mm；并且在Taft波罕遇地震作用下，墻板相對位移角倒數(shù)為1/516，說明墻板開始趨于彈塑性狀態(tài)；在試驗過程中，墻板結(jié)構(gòu)各部分聯(lián)接無異常，并且墻板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，外觀良好。

表6 9度多遇時墻板相對位移反應

表7 9度設防時墻板相對位移反應

表8 9度罕遇時墻板相對位移反應

4 結(jié)論

（1）對墻體模型結(jié)構(gòu)按設防烈度9度依次輸入9度多遇、9度設防和9度罕遇地震共9次地震波作用后，墻板均未出現(xiàn)明顯裂縫，墻板結(jié)構(gòu)聯(lián)接可靠無異常，外觀良好。

（2）由墻板結(jié)構(gòu)的最大加速度反應可知，輸入不同強度的地震波激勵后，高度相同的墻①、墻③加速度放大系數(shù)基本相當，其墻板頂部放大系數(shù)為1.8～2.7、高度為4.5 m的墻②比墻①和墻③的加速度反應要大許多，其墻板頂部放大系數(shù)為3.66～4.54。隨著地震作用強度增加，墻板頂部放大系數(shù)隨之略有增大。

（3）由墻板的相對位移反應可知，在9度多遇和9度設防地震作用下，墻板處于彈性工作狀態(tài)；9度罕遇地震作用下，墻板趨于彈塑性工作狀態(tài)。

（4）在主體結(jié)構(gòu)變形安全的情況下，該層高的送檢墻板能夠達到9度設防的要求，具有抵抗9度多遇和9度罕遇地震的能力。

[1]王瓊.輕質(zhì)隔墻板的研究[J].科技信息，2011（12）：322.

[2]GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3]周穎，呂西林.建筑結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗方法與技術(shù)[M].北京：科學出版社，2012：:81-89.

[4]朱立新，葛學禮，于文，等.村鎮(zhèn)單層實心磚墻房屋模型振動臺試驗研究[J].工程抗震與加固改造，2011，33（2）：70-76.

[5]李國強，方明霽，陸燁.鋼結(jié)構(gòu)建筑輕質(zhì)砂加氣混凝土墻體的抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2005，25（2）：83-87.

[6]李國強，趙欣，孫飛飛，等.鋼結(jié)構(gòu)住宅體系墻板及墻板節(jié)點足尺模型振動臺試驗研究[J].地震工程與工程振動，2003，23（1）：64-