蝶形背卡石材幕墙抗震性能试验研究

摘  要：本文通过足尺寸钢框架外挂幕墙的振动台试验，研究采用蝶形背卡连接的石材幕墙的抗震性能。试验结果表明，所测试的幕墙体系抗震性能良好。
    关键词：幕墙；抗震性能；振动台试验；背卡

    一、试验概况
    蝶形背卡(图1)是深圳市安建装饰设计工程有限公司研究开发的新产品，主要用于建筑物石材幕墙的干挂，已获国家知识产权局实用新型专利、外观设计专利等两项专利。整套系统由蝶形背卡、横(次)龙骨和竖(主)龙骨及连接件组成。安装时，先将竖龙骨通过角码固定在主体结构上，再将横龙骨通过扣件固定在竖龙骨上，在安装龙骨的同时，在石材背面的卡槽内用环氧树脂胶灌满填缝，然后将蝶形背卡卡入槽内，待胶固化后推动石材将蝶形背卡卡入横龙骨的槽内，完成整套系统和石的安装。
    蝶形背卡系统具有以下特点：安装方便、幕墙平整度容易控制、蝶形背卡弹性好、耐腐蚀性能好、破损石材更换方便。
    为检验蝶形背卡系统的抗震性能，进行了本次振动台试验。

    二、试验方案
    1．试验目的
    通过振动台模拟地震作用，检验石材板块幕墙及其连接件在各级地震加速度作用下，抵抗试验钢框架振动变形的能力，为工程应用提供参考依据。
    2．试验原理
    试验幕墙在振动台上通过输入地震波模拟地震作用，幕墙不仅受到动荷载作用，而且受到试验主体结构(钢框架)侧向变形的影响，其中侧向变形达到或超过规范规定的大震下的层间位移，由此检验幕墙连接件及连接方法的抗震性能。具体内容为：
    (1)用50 gal白噪声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、振型和阻尼比。
    (2)在X、Y两个水平方向分别输入峰值加速度为70gal、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及抗震性能。
    从试件上各测点所测到的加速度响应时程信号经积分变换获得相对振动台台面运动的位移响应时程和相对下层测点的层间位移响应时程。由于测点1为振动台台面的加速度测点，所获得位移时程为振动台台面的绝对位移，其它位移均为层间相对位移。
    (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有无破坏情况。

    3．试验依据
    试验依据的主要规范规程如下：
    (1)《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》(CB／T  18575—200上)；
    (2)《金属与石材幕墙工程技术规范》(JCJl33—2001)；
    (3)《建筑抗震设计规范》(CB50011—2001)。
    4．试验设备和仪器
    试验在中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心大型振动台上进行。振动台的主要参数如下：
    台面尺寸：5mx5m
    最大载重量：20t
    工作频段：0．1～120Hz
    振动方向：两个水平向和竖向的平动以及绕三个轴的转动，共三向六自由度。
    振动波形：各种地震波、随机波
    最大加速度：水平向1．0g，竖向0．7g
    最大速度：水平向±400mm／s，竖向±300mm／s
    最大位移：水平向±40mm，竖向±30mm
    最大倾覆力矩：35t．m
    试验中使用的传感器、放大器的主要特性见表1。
    5．试验模型
    本次试验送检的石材板块尺寸大小不等，最大

表一传感器、放大器主要特性

    注：1．石材幕墙安装在YZ平面内；2．加速度计1安在振动台台面上，14、15安在幕墙上，其余安装在钢架上；3．图中黑方块·表示加速度布置点。
    为1．029mXl．192m，最小为0．692mxO．792m，厚度有30mm、25mm、20mm三种规格，平均厚度24．7mm，足尺模型，采用0．5mm厚不锈钢蝶形背卡连接，通过龙骨干挂在试验钢框架上。试验钢框架平面尺寸为3．0mx3．0m，高5．374m，分别在钢框架两对面干挂石板共29．96m2，两面石板总重2．1t。将干挂两面石板的试验钢框架安装在振动台上进行抗震试验，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”两种。试验模型如图2所示。
    6．加速度测点布置
    试件加速度测点布置图如图3所示。
    7．试验步骤
    (1)设计、制作钢框架；
    (2)按委托方提供的幕墙试件及技术安装幕
    (3)安装加速度传感器；
    (4)输入50gal白噪声，测试试件的自振频振型、阻尼比等动力特性；
    (5)输入70gal、lOOgal、200gal、400gal、600gal、800gal、900 gal的人工波和El Centro波，测定试件动力反应，并在试验过程中观察各连接件和石材板块有无破坏情况。
    三、试验数据分析
    1．试验模型动力特性分析
    在进行各工况试验前，用白噪声波测试了试验模型的动力响应，通过对传递函数的分析，得到试验模型的动力特性如表2所示。

    钢框架Y方向的计算第一自振周期为0．31秒，与实测第一自振周期0．19秒差别较大，主要原因是计算时忽略了非结构构件(即幕墙龙骨和石材挂板)的刚度，使计算周期大于实测周期。
    在本试验中，幕墙安装在YZ平面内，幕墙龙骨和石材挂板的刚度主要在YZ平面内起作用，在X方向基本不起作用，所以X方向的计算第一自
振周期(0．29秒)与实测第一自振周期(0．32秒)基本接近。X方向计算周期比实测周期短的原因在于本试验幕墙安装时，竖龙骨与顶层钢梁的连接采用了M12螺栓配φ12孔，与其它楼层梁的连接采用M12螺栓配φ14孔，即相当于幕墙有一部分质量挂在顶层梁上，而计算时假设幕墙的重量是均匀分布在钢架YZ平面上，使计算周期短于实测周期。
    2．层间位移分析
    根据位移响应时程，计算分析得到各试验工况下层间位移分析，层间位移角汇总如表3所示。

    建筑抗震设计规范规定的最大弹性层间位移角限值为1／300，最大弹塑性层间位移角限值为1／50，从表3可以看出，本次试验X方向(幕墙平面外)层间位移角最大达到1／36，Y方向(幕墙平面内)层间位移角最大达到1／87，达到建筑抗震设计规范要求的最大层间变形。经观察，在整个试验过程中，石材幕墙没有进裂现象发生，蝶形背卡系统没有发生破坏。
四、试验结论
    通过对委托方提供的石材幕墙足尺寸振动台试验，得到以下结论：
    1．当输入的地震波加速度峰值依次达到70gal、100gal、200gal、400gal、600gal、800gal、900gal，试验钢框架X方向(幕墙平面外)层间位移角最大达到1／36，Y方向(幕墙平面内)层间位移角最大达到1／87，达到建筑抗震设计规范规定的最大层间位移角限值1／50的要求。试验结果表明石材幕墙及其连接件没有被破坏，通过抗震试验。
2、蝶形背卡弹性好，与石材和龙骨构成弹性连接，有利于抗震减振。

参考文献：
    [1]  GB／T 18575-2001，建筑幕墙抗震性能振动台试验方法[S]．
    [21  JGJ133—2001，金属与石材幕墙工程技术规范[S]．
    [3]  GB 50011—2001，建筑抗震设计规范[S]．
    [4]  王明贵，郝锐坤．背栓式连接石材幕墙抗震试验研究[J]．建筑结构，2001，31(4)：70．
    [5]  王翠坤，肖从真，赵西安．幕墙抗震试验研究[J]．建筑结构，2002，32(9)：65-67．

作者：汤中发 储德文 崔茂瑜 王明贵

来源：中国建筑金属结构