大型石材幕墻抗震的試驗研究

[提要] 本文對背栓連接的石材幕墻抗震性能進行了試驗研究。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，為工程應用提供參考依據。

　　[關鍵詞] 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。為方便施工和設計安全，石材板塊的大小一般不超過規范的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560公斤，超出了規范限制，這在國內外石材幕墻工程中較為罕見，給設計和施工提出了較大難度。北京是高烈度抗震設防地區，大型石材幕墻的安裝技術和連接構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，為實際工程應用提供參考依據。

一、試驗概況
　　根據幕墻設計分格和實驗室條件，我們設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構，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，在抗壓強度標準值為164MPa的石材板上進行拉拔試驗。試驗報告見杭州斯泰幕墻公司企業標準錄。根據試驗結果，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為基材材料抗壓強度標準值或試驗平均值（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計值F可取為
　　F = Fmax/2.5                         （2）
　　該工程設計幕墻面外荷載為
　　q = 1.4Wk+1.3×0.6×qek        （3）
　　其中，Wk為風荷載標準值，按100米高、基本風壓為0.5kPa的Ｄ類計算。qek為地震作用標準值，按8度設防計算。所用石材抗彎強度標準值為11MPa，抗壓強度標準值為164MPa。用有限元計算板中彎曲應力為

至少需要錨栓數為

　　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可靠性，我們將進行振動臺抗震試驗和風壓變形試驗等。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、試驗數據
　　試驗在中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心5×5m大型振動臺上進行。輸入的地震波為我國抗震規范規定的“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，為工程應用提供參考依據。

1、試驗內容
　　（1）用白噪聲隨機波激振測定試驗模型沿X、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時程信號經頻域變換得到傳遞函數，采用模態參數識別方法求出試件的動力特性，即試件結構的前若干階自振頻率和阻尼比。

　　（2）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，測試試驗模型的動力反應：所測定的數據是與激振同方向加速度測點的響應時程，通過對加速度測點的響應時程處理并進行積分變換，對應加速度測點，獲得相對振動臺臺面運動的相對位移響應時程和相對下層測點的層間位移響應時程。

　　（3）根據位移響應時程，計算分析試驗模型的層間位移，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、試驗數據
白噪聲激振試驗工況下試件自振特性                        表1

　　設計鋼框架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：層間角位移1/308和1/190（表2），與設計值1/308和1/195（鋼框架設計計算數據略）相比較可見，試驗鋼框架的設計較為合理，能夠保證試驗進行到底。

　　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，最大振幅達到50mm。經觀察，背栓連接的石材板塊無迸裂現象發生，連接件也無松動和破壞。

　　動力試驗層間相對位移和相對轉角
（位移單位 ：毫米 ；轉角單位 ：弧度）                  表2

三、試驗結論
　　（1）石材幕墻足尺試件是按8度抗震設防，三類場地土設計，試件主體為兩層的鋼框架結構，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。輸入的地震波為我國抗震規范規定的“人工波”和國際常用的“EL-Centro波”。

　　（2）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過在振動臺上模擬地震作用多次振動試驗結果表明，當試件主體鋼結構的層間相對角位移達到約1/100時，石材幕墻結構仍無破壞，此次石材幕墻試件滿足試驗變形要求，通過抗震試驗。

　　（4）若每個支撐點使用多個錨栓，則要用專用機器鉆孔，嚴格控制孔位偏差（不超過0.5mm），確保各錨栓受力均勻。并且孔深要大于15mm。

　　（5）承載幕墻的主體鋼框架設計是關鍵，其剛度既不能太剛也不能太柔，否則，達不到試驗的目的�}
參考文獻
1. 朱伯龍。結構抗震試驗，地震出版社，1989。

2. 金屬與石材幕墻工程技術規范（JGJ133），2001。

3. 建筑幕墻抗震性能振動臺試驗方法，GB/T18575-  2001。

4. 王明貴。背栓式連接石材幕墻抗震試驗研究，建筑結  構，2001，4。

5. 王明貴。抗震型雙切面錨栓實驗研究，中國建筑金屬  結構，2002，2。

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