王洋玲，盧文勝，，曹文清

（1.同濟大學 結(jié)構工程與防災研究所，上海200092；2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

建筑幕墻由面板、錨固緊固件、密封填充材料、粘接密封材料和支承結(jié)構等組成，是一種依附于主體結(jié)構的建筑圍護系統(tǒng)，可以直接承受施加于其上的各種作用，同時，它又是建筑物的外裝飾，具有建筑功能和強烈美學效果.

近年來發(fā)生的地震中，可以觀察到幕墻的各種震害，主要表現(xiàn)為幕墻單元破壞（面板的破碎、墜落）和幕墻支承體系破壞（錨固緊固件的破壞、支承體系屈曲等），對生命和財產(chǎn)的安全造成了嚴重威脅，其抗震問題越來越受到重視.尤其是隨著新技術、新結(jié)構、新材料在幕墻中的應用和推廣，建筑幕墻呈現(xiàn)出多樣化、大型化、復雜化的特點，對于新型的幕墻體系，其抗震性能更值得深入研究探討.

現(xiàn)有幕墻規(guī)范［1-3］和幕墻振動臺試驗，多數(shù)采用地面地震波作為幕墻地震作用的輸入，未充分考慮主體結(jié)構、幕墻安裝方式等因素對幕墻地震作用的影響.對于幕墻抗震性能評價，規(guī)范給出了統(tǒng)一的加速度作用指標和平面內(nèi)相對位移作用指標，未明確給出不同地震水準下幕墻的抗震性能評價方法.

隨著幕墻抗震研究和應用的開展，在幕墻地震作用機理、地震作用再現(xiàn)試驗方法和幕墻抗震性能評價方法等方面都得到了進一步的探索，文獻［4-5］中提出了用樓面反應譜表達幕墻受到的地震作用，文獻［4，6-9］考慮主體結(jié)構樓層地震反應對幕墻的影響，提出了改進的幕墻抗震性能考核指標和性能水準.而對于幕墻受到的多維地震作用機理和如何實現(xiàn)多維地震作用再現(xiàn)問題未見相關文獻闡述，本文針對此問題進行深入研究.

1 建筑幕墻地震作用機理

幕墻系統(tǒng)依附于主體結(jié)構，一般都有一定的安裝高度，其受到的地震作用輸入不是簡單的地面地震波，而是主體結(jié)構在地震作用下各樓層的地震反應，包括三向加速度作用和三向位移作用，即多維地震作用，如圖1所示.

圖1 幕墻地震作用機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of seismic action mechanism of architecture curtain wall

1.1 加速度作用

幕墻系統(tǒng)在地震中的加速度反應，受到樓面波和幕墻系統(tǒng)自身動力特性影響，為簡化分析將相鄰樓層的幕墻系統(tǒng)簡化為單自由度體系，分別以主體結(jié)構各樓層的三向樓面波作為輸入，通過反應譜方法分析幕墻系統(tǒng)在各方向樓面波單獨作用下的加速度反應，得到幕墻的加速度反應譜.實際工程中，幕墻系統(tǒng)的加速度反應不僅受到場地條件、地震輸入、主體結(jié)構動力特性的影響，還受到幕墻系統(tǒng)安裝方式、幕墻系統(tǒng)動力特性等因素影響，因此，需采用具有包絡意義的樓面加速度反應譜用于幕墻系統(tǒng)地震反應分析.

樓面加速度反應譜綜合考慮了場地條件、地震輸入、主體結(jié)構動力特性、幕墻安裝方式和幕墻動力特性等因素，既能直接用于幕墻設計［13］，又能用于擬合反映幕墻系統(tǒng)受到的樓面波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間的加速度時程，用于幕墻的模擬地震振動臺試驗.

1.2 位移作用

幕墻系統(tǒng)受到的位移作用為主體結(jié)構相鄰樓層對應安裝位置的層間相對位移，包括幕墻平面內(nèi)位移（平行于幕墻面板，包括水平向（y向）和豎向（z向））和幕墻平面外位移（垂直于幕墻面板），由于幕墻系統(tǒng)平面內(nèi)剛度遠大于平面外剛度，在相同位移角作用下，幕墻平面內(nèi)產(chǎn)生的力要遠大于平面外產(chǎn)生的力，因此分析時僅考慮幕墻系統(tǒng)受到的平面內(nèi)位移作用［7］.

主體結(jié)構層間相對位移反應時程為

式中：uri（t）為第i層層間相對位移反應；ui（t）為幕墻對應主體結(jié)構第i層安裝位置處樓面位移反應；u（i-1）（t）為幕墻對應主體結(jié)構第i-1層安裝位置處樓面位移反應，i≥2.

其對應的層間最大位移角為

式中：θi為第i層層間最大位移角；|uri|max為第i層層間最大位移反應；hi-1為第i-1層的層高.

幕墻受到的位移作用受到場地條件、地震輸入、主體結(jié)構的特性以及幕墻安裝方式等因素的影響，且主體結(jié)構輸入幕墻系統(tǒng)的相對位移即為幕墻系統(tǒng)發(fā)生的位移反應，因此需采用具有包絡意義的層間相對位移反應Fourier幅值譜對幕墻的位移反應進行分析.

2 地震作用再現(xiàn)振動臺多模式試驗

2.1 多維地震作用再現(xiàn)振動臺多模式試驗方法

由幕墻地震作用機理可知，地震作用下幕墻的加速度反應和位移反應的機理不同，試驗框架無法同時再現(xiàn)反映頻譜、持時特性的加速度作用和平面內(nèi)相對位移作用，因此需采用多模式加載試驗方法，再現(xiàn)幕墻試件受到的多維地震作用.

幕墻受到的三向加速度作用，通過模擬地震振動臺和試驗框架再現(xiàn)，輸入波形為擬合樓面加速度反應譜的時程曲線，試驗框架的自振頻率宜大于輸入臺面的加速度時程主要作用頻段；同時通過設置位移加載裝置實現(xiàn)幕墻平面內(nèi)位移作用的再現(xiàn).

2.2 試驗單元及安裝方式

某復雜高層建筑外幕墻采用分區(qū)吊掛式幕墻，其支承結(jié)構由豎向吊掛支承體系和水平向支承體系組成（圖2）：在豎向，通過均勻布置的吊桿將幕墻體系吊掛于加強層；在水平向，通過均勻布置的徑向支撐將幕墻體系與主體結(jié)構普通層相連，豎向吊掛系統(tǒng)和水平向支撐通過環(huán)梁構成整體幕墻支承體系.

圖2 分區(qū)吊掛式建筑幕墻支承系統(tǒng)Fig.2 Support system of zonal hanging architectural curtain wall

根據(jù)主體結(jié)構和幕墻體系的動力分析，可知該分區(qū)吊掛式幕墻支承體系在地震作用中基本保持完好，因此，試驗時選擇幕墻單元作為試驗對象，并對兩種規(guī)格的幕墻單元足尺模型進行試驗，尺寸分別為4 500mm×1 970mm×12mm（單元1）和4 300 mm×1 320mm×12mm（單元2），幕墻單元振動臺試驗布置如圖3所示.

圖3 建筑幕墻模擬地震振動臺試驗布置Fig.3 Shaking table test arrangement for curtain wall specimens

2.3 幕墻單元地震作用分析

2.3.1 主體結(jié)構地震輸入

如第1節(jié)所述，幕墻通過支承體系依附于主體結(jié)構，在地震中受到主體結(jié)構樓面輸入的多維地震作用.為探討主體結(jié)構的樓面地震反應，采用SAP2000軟件對主體結(jié)構進行有限元建模分析，其中框架和桁架采用梁單元，樓板和混凝土核心筒采用板殼單元模擬，幕墻的等效質(zhì)量分別施加在相應的樓層的邊緣和頂冠上，并制作了1/50的振動臺縮尺主體結(jié)構模型，如圖4所示.

根據(jù)我國抗震規(guī)范［8］要求，最終選取了多條天然波和人工波用于試驗和軟件分析，典型地震波的基本信息［6］見表1.輸入上海人工波SHW3時，分別沿水平方向、豎直方向單向輸入；輸入其他波時，加速度峰值按1∶0.85∶0.65的比例三向同時輸入，分別以不同的水平分量作為輸入主向.

2.3.2 幕墻單元加速度作用

（1）水平向加速度作用

由于該建筑主體結(jié)構平面基本對稱，兩個水平方向的地震作用機理相同，且主體結(jié)構的各普通樓層和加強層的水平地震作用機理相同，因此，根據(jù)軟件分析和振動臺試驗結(jié)果，提取不同水準地震作用下各加強層幕墻單元與支撐結(jié)構連接處的加速度時程作為幕墻單元的水平向加速度輸入進行反應譜分析，其中水平向加速度作用包絡值見表2.

圖4 主體結(jié)構有限元和振動臺縮尺模型Fig.4 Finite element model and shaking table test scaled model of the main structure

表1 典型地震波基本信息Tab.1 Basic information of typical seismic waves

（2）豎向加速度作用

該幕墻體系在豎向通過均勻布置的吊桿吊掛于加強層，地震作用通過加強層吊掛點輸入幕墻體系，因此，需構建各區(qū)幕墻系統(tǒng)的SAP2000有限元模型（圖5）對幕墻豎向地震作用進行分析.

表2 幕墻地震作用包絡值Tab.2 Envelope values of earthquake actions on the curtain walls

圖5 典型區(qū)幕墻體系模型三維示意圖Fig.5 Three dimensional views of curtain wall system in typical hanging zones

提取主體結(jié)構振動臺試驗和有限元分析中加強層吊掛點位置處的樓面波輸入幕墻有限元模型，進行彈性時程分析.然后提取幕墻系統(tǒng)各層曲梁與幕墻單元連接點處的豎向加速度反應（為簡化工作量，每區(qū)只在底部、中部和頂部各選取一層曲梁與幕墻單元的連接點），用于幕墻單元豎向加速度反應譜分析，不同水準地震作用下輸入幕墻單元的豎向加速度作用包絡值見表2.

對輸入幕墻單元的各條水平向和豎向加速度時程，按照第1.1節(jié)所述方法進行反應譜分析，得到相應的包絡反應譜，并結(jié)合本工程特點進行修正，得到相應的樓面加速度目標反應譜.然后將反應譜轉(zhuǎn)化成功率譜，通過傅里葉逆變換擬合相應的加速度時程曲線，用于振動臺輸入，如圖6所示［6］.

2.3.3 幕墻單元平面內(nèi)位移及吊桿內(nèi)力作用

由于試驗室現(xiàn)有試驗設備的限制，在進行幕墻單元振動臺試驗時，無法實現(xiàn)幕墻單元受到的位移作用的實時加載，因此試驗中采用靜力分級加載的方式對其進行位移加載.又因為該幕墻系統(tǒng)受到的平面內(nèi)豎向位移較小，試驗時無法保證加載精度，因此通過控制幕墻體系豎向吊桿內(nèi)力實現(xiàn)豎向位移的加載.基于以上各因素，試驗時該幕墻單元在不同水準地震作用下輸入幕墻單元的平面內(nèi)水平位移角和吊桿內(nèi)力的取值為主體結(jié)構軟件分析和振動臺試驗的包絡值，見表2.

2.4 多模式加載

試驗加載裝置由鋼結(jié)構主框架、水平相對位移加載裝置和吊桿內(nèi)力加載裝置組成，能同時實現(xiàn)幕墻加速度時程作用再現(xiàn)、平面內(nèi)水平向相對位移和吊桿內(nèi)力的逐級加載，再現(xiàn)原理如圖7所示.設計完成的鋼框架的一階自振頻率為8.68Hz，大于加速度包絡譜的主要作用頻率范圍（1.25～5Hz），能較好地再現(xiàn)幕墻單元受到的加速度作用，同時有利于幕墻單元平面內(nèi)相對位移作用的再現(xiàn).

圖6 水平向和豎向加速度反應譜及波形Fig.6 Acceleration envelope spectrum and synthetic accelerograms in horizontal and vertical directions

圖7 多維地震作用多模式再現(xiàn)Fig.7 Multi-modal reproducing method of multidimensional seismic actions on architectural curtain-walls

試驗中三向加速度由三向六自由度模擬地震振動臺再現(xiàn)，吊桿內(nèi)力和平面內(nèi)水平位移由位移加載裝置通過等效靜力逐級加載的方式來實現(xiàn).不同水準地震作用下，輸入臺面的加速度時程、水平位移角的峰值取表2中的包絡值，吊桿內(nèi)力只輸入表2中7度罕遇水準下自重和地震作用的最小和最大組合值.

加載時，首先通過加載裝置按照相應的地震作用水準施加水平位移和吊桿內(nèi)力，再進行相應的加速度作用加載.

3 地震作用再現(xiàn)及抗震性能分析

3.1 多模式加載再現(xiàn)幕墻單元地震作用

由第2.3.2節(jié)可知，輸入幕墻單元的加速度作用為幕墻體系環(huán)梁處的加速度反應，因此試驗加載時應保證試件安裝環(huán)梁處加速度反應與目標值相符，而振動臺試驗時，加速度波形由臺面輸入，環(huán)梁處再現(xiàn)的加速度波形與臺面輸入波形存在一定的差異.為保證環(huán)梁處加速度波形的再現(xiàn)，在正式試驗之前通過預試驗對輸入臺面的波形進行濾波調(diào)整，濾波采用STEX Pro數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).

正式試驗結(jié)束后，提取環(huán)梁處各方向加速度時程進行反應譜分析，并與目標反應譜對比，環(huán)梁處再現(xiàn)的加速度反應譜基本覆蓋了目標反應譜，保證了輸入幕墻單元的加速度波形再現(xiàn).圖8為7度基本地震作用下試驗單元1環(huán)梁處再現(xiàn)的加速度時程反應譜.

由表3—4中幕墻單元各地震水準下，環(huán)梁處加速度峰值、上下環(huán)梁Y向水平相對位移和吊桿內(nèi)力峰值的實測值和地震作用包絡值對比，可知試驗有效地再現(xiàn)了幕墻單元受到的三向加速度、平面內(nèi)水平位移和吊桿內(nèi)力作用峰值特性.

因此，本文建議的幕墻多維地震作用多模式加載試驗方法，能有效地再現(xiàn)幕墻受到的多維加速度作用的頻譜特性和峰值特性，同時實現(xiàn)了幕墻受到的位移作用的逐級加載.

3.2 幕墻單元抗震性能評價

試驗過程中各工況下玻璃面板中心加速度峰值和加速度放大系數(shù)（玻璃面板中心加速度峰值與輸入主體結(jié)構的地面地震波峰值的比值）見表5.在動力荷載作用下，該幕墻單元玻璃面板在地震中受到加速度作用得到了明顯的放大且加速度放大倍數(shù)最大達到16.3倍，遠大于現(xiàn)行規(guī)范［1］規(guī)定的玻璃面板地震作用放大系數(shù)5.0.

試驗過程中各工況下玻璃面板平面內(nèi)相對位移峰值及層間位移角（按上下曲梁間的層間位移差計算）見表6，幕墻試件受到的最大層間位移角為1/69，大于現(xiàn)行規(guī)范［1］規(guī)定值（幕墻結(jié)構的層間變形性能應大于主體結(jié)構最大彈性層間位移角的3倍，該主體結(jié)構最大彈性層間位移角為1/272），因此按現(xiàn)行規(guī)范［1］對該幕墻單元進行抗震設計偏于不安全.

表3 環(huán)梁處加速度峰值和上下環(huán)梁Y向水平相對位移峰值Tab.3 Peak accelerations of hoop ring girt and the peak drifts of upper and down hoop ring girt

表4 吊桿內(nèi)力峰值Tab.4 Peak internal force response of sag rods

表5 玻璃面板加速度反應Tab.5 Acceleration responses of the glass panels

由表3、表5—6可知，玻璃幕墻地震反應不僅與場地條件、地震輸入、主體結(jié)構動力特性有關，還與幕墻系統(tǒng)安裝方式、幕墻系統(tǒng)自振頻率、阻尼比等因素有關，因此現(xiàn)有規(guī)范［1］對不同幕墻體系采用統(tǒng)一的評價指標，具有一定的局限性，如何設置更為合理的指標有待進一步探討.

表6 玻璃面板平面內(nèi)相對位移反應Tab.6 Drift responses of glass panels

試驗過程中，幕墻試件發(fā)生的損壞情況如下：7度多遇地震作用下，幕墻單元沒有出現(xiàn)明顯的錯動和變形，各連接件完好；7度設防地震作用下，相鄰單元之間出現(xiàn)輕微錯動，個別螺栓墊片變形；7度罕遇地震作用下，相鄰單元之間的錯動增加，部分連接件松動、磨損，連接節(jié)點未出現(xiàn)嚴重破壞.因此該幕墻單元抗震性能滿足要求.幕墻構件部分破壞情況如圖9所示.

圖9 試驗中典型破壞模式Fig.9 Typical damage patterns of the curtain wall specimens

4 混合模擬方法探討

由幕墻地震作用機理分析可知，幕墻同時受到安裝位置處輸入的樓面加速度（u··（t））和層間相對位移（uri（t））作用，且二者作用機理不同，因此，有必要探討多模式加載實時混合模擬試驗方法.

多模式加載實時混合模擬，通過結(jié)合模擬地震振動臺與動態(tài)加載作動器，對幕墻試件進行多模式實時加載，動態(tài)再現(xiàn)了幕墻受到的多維地震作用.與已有實時雜交振動試驗［14-15］（real-time hybrid vibration experiment，RHVE）不同，該方法以幕墻系統(tǒng)或幕墻單元為試驗對象，無需設置計算子結(jié)構，通過多模式實時加載再現(xiàn)幕墻受到的多維地震作用，加載系統(tǒng)如圖10所示.

圖10 建筑幕墻實時混合模擬加載系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of real-time hybrid simulation loading system on architecture curtain wall

試驗中通過振動臺和試驗框架再現(xiàn)幕墻加速度作用，通過動態(tài)加載作動器對幕墻試件進行平面內(nèi)位移加載，考核幕墻試件在加速度和位移動態(tài)耦合作用下的抗震性能.試驗中要求試驗鋼架的剛度足夠大，實現(xiàn)加速度作用再現(xiàn)的同時保證鋼架本身的位移反應足夠小；實現(xiàn)幕墻試件平面內(nèi)位移加載的作動器采用位移控制模式，輸入的位移時程曲線由主體結(jié)構層間位移反應Fourier幅值包絡譜進行傅里葉逆變換獲得.

5 結(jié)論

在建筑玻璃幕墻抗震性能分析和模擬地震振動臺試驗研究的基礎上，探討了考慮幕墻多維地震作用再現(xiàn)的模擬地震振動臺多模式加載試驗方法，并進行了試驗驗證.主要結(jié)論如下：

（1）建筑玻璃幕墻受到主體結(jié)構傳來的地震作用為多維加速度作用和位移作用；

（2）針對某復雜建筑主體結(jié)構特性和外層吊掛式玻璃幕墻支承結(jié)構特性，設計和制作了安裝在振動臺上的多模式加載裝置，完成對該玻璃幕墻多維加速度和位移作用再現(xiàn)，驗證了該方法的有效性和可行性；

（3）通過分析該幕墻試件模擬地震振動臺試驗結(jié)果，對其抗震性能進行了有效評價；并與現(xiàn)有規(guī)范有關參數(shù)的限值進行對比，說明應用現(xiàn)有規(guī)范對該幕墻體系進行抗震設計偏于不安全；

（4）實現(xiàn)幕墻多維地震作用，為實時混合模擬再現(xiàn)更加有效的研究方法，值得進一步探討.

致謝：本文得到了上海中心大廈建設發(fā)展有限公司、同濟大學建設設計研究院、沈陽遠大鋁業(yè)工程有限公司和同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的大力支持.

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