大型石材幕墙抗震试验研究

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[提要] 本文对背栓连接的石材幕墙抗震性能进行了试验研究。通过在振动台上用足尺模型试件模拟地震作用，检验其抗震性能，为工程应用提供参考依据。
[关键词] 石材幕墙 振动台试验 锚栓
　　石材幕墙具有庄重、美观、耐用等特点，在建筑外装饰工程中被广泛采用。为方便施工和设计安全，石材板块的大小一般不超过规范的1.5m2的限制，但有时建筑师为建筑立面的需要，采用大型石材板块干挂，如北京某重点工程的幕墙石材板块尺寸为2.8×1.78m，厚0.04m，重达560公斤，超出了规范限制，这在国内外石材幕墙工程中较为罕见，给设计和施工提出了较大难度。北京是高烈度抗震设防地区，大型石材幕墙的安装技术和连接构件都必须满足抗震要求，本文对该工程的大型石材幕墙抗震性能进行了足尺模型在振动台上模拟地震作用试验研究，为实际工程应用提供参考依据。
一、试验概况
　　根据幕墙设计分格和实验室条件，我们设计了变形能力较大的钢框架作为干挂这种石材幕墙的试验主体结构，钢框架的平面尺寸为4.5m×4.5m，高5.2m。在钢框架外立面上安装石材板，其中最大的石材板面积为2.8m×1.78m，厚0.04m，采用双切面背栓连接。
　　在振动台试验前，我们首先进行了双切面锚栓在石材中抗拉拔试验。试验采用直径6mm、8mm和10mm的三种锚栓，锚固深度分别为15mm、18mm和25mm，每种锚栓取10个，在抗压强度标准值为164MPa的石材板上进行拉拔试验。试验报告见杭州斯泰幕墙公司企业标准录。根据试验结果，双切面锚栓在石材中的抗拉拔极限承载力为
　　Fmax = 12.5fc0.5ho1.5                （1）
　　式中， Fmax为双切面锚栓在基材（石材）中的抗拉拔承载力极限值（N）。fc为基材材料抗压强度标准值或试验平均值（MPa）。
　　ho为栓孔有效深度（mm），按双切面间的距离计。孔深不宜小于15mm。双切面锚栓在基材（石材）中的抗拉拔承载力设计值F可取为
　　F = Fmax/2.5                         （2）
　　该工程设计幕墙面外荷载为
　　q = 1.4Wk+1.3×0.6×qek        （3）
　　其中，Wk为风荷载标准值，按100米高、基本风压为0.5kPa的Ｄ类计算。qek为地震作用标准值，按8度设防计算。所用石材抗弯强度标准值为11MPa，抗压强度标准值为164MPa。用有限元计算板中弯曲应力为

至少需要锚栓数为 　　通过图2所示的连接件安装石材幕墙。为确保该石材幕墙工程的安全，实际施工图在石材板背面四角附近共安装10个M8锚栓，栓孔有效深度25mm。
　　为检验如此大型石材幕墙连接技术可靠性，我们将进行振动台抗震试验和风压变形试验等。本文仅介绍振动台抗震试验情况。试验要求试件完全按实际施工图1∶1制做。
二、试验数据
　　试验在中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心5×5m大型振动台上进行。输入的地震波为我国抗震规范规定的“人工波”和国际常用的“EL-Centro波”。试验主要目的是通过振动台模拟地震作用，检验该大型石材板块幕墙及其连接构件在各级地震加速度作用下，抵抗试验主体钢框架振动变形时的能力，为工程应用提供参考依据。
1、试验内容
　　（1）用白噪声随机波激振测定试验模型沿X、Y两个水平方向的动力特性：从试件上各测点所测到的加速度反应时程信号经频域变换得到传递函数，采用模态参数识别方法求出试件的动力特性，即试件结构的前若干阶自振频率和阻尼比。
　　（2）按X、Y两个水平方向分别输入峰值加速度为70 gal 、100gal、200gal、400gal、600gal、800gal、900 gal的人工波和El-Centro 波，测试试验模型的动力反应：所测定的数据是与激振同方向加速度测点的响应时程，通过对加速度测点的响应时程处理并进行积分变换，对应加速度测点，获得相对振动台台面运动的相对位移响应时程和相对下层测点的层间位移响应时程。
　　（3）根据位移响应时程，计算分析试验模型的层间位移，从而得知被试验的石材幕墙板块抵抗变形的能力。并在整个试验过程中随时观察各连接件和石材板块的有无破坏情况。
2、试验数据
白噪声激振试验工况下试件自振特性                        表1 　　设计钢框架X向的第一自振周期为0.2925秒,与实测第一自振周期0.268秒基本接近,主要误差来自幕墙龙骨和石材挂板对钢框架自振周期的折减。由于石材幕墙面内的附加刚度较面外大，即Y向周期差别较大。再从试验200gal和400gal的反应：层间角位移1/308和1/190（表2），与设计值1/308和1/195（钢框架设计计算数据略）相比较可见，试验钢框架的设计较为合理，能够保证试验进行到底。
　　试验时，随着台面加速度的逐级升高，试件振动幅度不断增大，最大振幅达到50mm。经观察，背栓连接的石材板块无迸裂现象发生，连接件也无松动和破坏。
　　动力试验层间相对位移和相对转角
（位移单位 ：毫米 ；转角单位 ：弧度）                  表2 三、试验结论
　　（1）石材幕墙足尺试件是按8度抗震设防，三类场地土设计，试件主体为两层的钢框架结构，其长宽高尺寸分别为4.5m×4.5m×5.2m，石材板块最大为1.78m×2.8m,厚0.04m，采用背栓式连结。输入的地震波为我国抗震规范规定的“人工波”和国际常用的“EL-Centro波”。
　　（2）试件在人工波和EL-Centro地震波作用下，最大加速度分别为a=70gal、100gal、200gal、400gal、600gal、800gal、900gal，相应的层间相对线位移及角位移汇总后见表2所示。
　　（3）石材幕墙足尺试件经过在振动台上模拟地震作用多次振动试验结果表明，当试件主体钢结构的层间相对角位移达到约1/100时，石材幕墙结构仍无破坏，此次石材幕墙试件满足试验变形要求，通过抗震试验。
　　（4）若每个支撑点使用多个锚栓，则要用专用机器钻孔，严格控制孔位偏差（不超过0.5mm），确保各锚栓受力均匀。并且孔深要大于15mm。
　　（5）承载幕墙的主体钢框架设计是关键，其刚度既不能太刚也不能太柔，否则，达不到试验的目的?
参考文献
1. 朱伯龙。结构抗震试验，地震出版社，1989。
2. 金属与石材幕墙工程技术规范（JGJ133），2001。
3. 建筑幕墙抗震性能振动台试验方法，GB/T18575-  2001。
4. 王明贵。背栓式连接石材幕墙抗震试验研究，建筑结 构，2001，4。
5. 王明贵。抗震型双切面锚栓实验研究，中国建筑金属 结构，2002，2。