趙考重栗笑航王飛

(山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

建筑節(jié)能的一個(gè)重要部分是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫，外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，保溫系統(tǒng)置于外墻外側(cè)以解決熱橋效應(yīng)，而在實(shí)際工程中由于保溫飾面層脫落引起的安全事故時(shí)有發(fā)生，因此對(duì)外墻保溫飾面層的安全性能進(jìn)行深入研究顯得尤為重要[1-5]。我國(guó)屬于地震多發(fā)國(guó)家，對(duì)外墻保溫系統(tǒng)抗震性能的研究，避免地震時(shí)飾面層脫落產(chǎn)生次生災(zāi)害至關(guān)重要[6-10]。學(xué)者們對(duì)保溫系統(tǒng)的安全性能做了一些研究。徐洪濤等[11]通過(guò)分析外墻外保溫系統(tǒng)與基層墻體連接無(wú)效的例子，得到了墻體和外保溫系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的兼容性問(wèn)題，外保溫粘結(jié)層和基層墻體的彈性模量不宜相差過(guò)大。江春等[12]對(duì)粘貼外墻外保溫系統(tǒng)的單片墻體試件進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析，得出外墻外保溫系統(tǒng)的抗震安全性能滿足要求。任瑜等[13]時(shí)程分析可發(fā)性聚苯乙烯板(Expanded Polystyrene Board，EPS)保溫飾面層及膠粉EPS顆粒保溫結(jié)構(gòu)，得出外保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意保溫系統(tǒng)質(zhì)量不宜過(guò)大，以免產(chǎn)生較大地震作用引起主體結(jié)構(gòu)破壞。研究表明，以超薄石材、蒸壓砂加氣保溫砌塊及巖棉纖維為材料的外保溫飾面層，均滿足抗震要求并達(dá)到安全性需求，但目前對(duì)保溫飾面層抗震性能的研究多為理論分析或單片墻體粘貼保溫層的抗震試驗(yàn)，對(duì)主體為框架結(jié)構(gòu)、外維護(hù)結(jié)構(gòu)粘貼膨脹珍珠巖板的房屋，地震作用下飾面層的抗震性能研究還未見(jiàn)報(bào)道。

基于此，設(shè)計(jì)制作了3個(gè)兩層兩跨的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)進(jìn)行水平低周反復(fù)荷載作用下的擬靜力試驗(yàn)[14-18]，研究了膨脹珍珠巖板外保溫系統(tǒng)在地震作用下的受力機(jī)理、破壞特征以及飾面層對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共制作了三榀框架，其中試件KJ-1僅砌筑加氣混凝土砌塊填充墻無(wú)保溫飾面層，試件KJ-2和KJ-3為加氣混凝土砌塊填充墻并粘貼膨脹珍珠巖保溫板。試件為兩層兩跨，每跨跨度為2.5 m、層高為1.5 m，梁截面尺寸寬×高為150 mm×250 mm，底梁截面尺寸寬×高為400 mm×500 mm，其柱截面尺寸為200 mm×200 mm。梁柱箍筋均為HRB400級(jí)Ф8＠100，梁的上、下各配兩根Ф16縱向鋼筋，框架柱縱向鋼筋為4Ф16，縱筋鋼筋級(jí)別為HRB400。實(shí)測(cè)箍筋屈服強(qiáng)度為575 MPa、極限強(qiáng)度為695 MPa，梁柱縱向鋼筋屈服強(qiáng)度為453 MPa、極限強(qiáng)度為583 MPa?；炷翉?qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C30，實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為31.5 MPa。試件具體尺寸如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件示意圖/mm

試件KJ-2和KJ-3兩個(gè)側(cè)面(A面和B面)均粘貼膨脹珍珠巖保溫板，在每個(gè)側(cè)面的不同填充墻區(qū)域內(nèi)采用不同的粘貼方式和粘貼率。保溫飾面層粘貼率分別為20%、50%、70%、100%，粘貼方式為條粘法、點(diǎn)框法，分別記為1和2。保溫系統(tǒng)在試件KJ-2的A、B面僅粘貼填充墻表面，框架上梁柱部分不粘貼；試件KJ-3的A面保溫系統(tǒng)粘貼方式與KJ-2相同，B面保溫系統(tǒng)粘貼整個(gè)框架。圖1給出了試件填充墻區(qū)域劃分，試件粘貼要求見(jiàn)表1。膨脹珍珠巖保溫板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為600 mm×600 mm、厚度為50 mm。保溫板及塑料錨栓布置如圖2、3所示。錨栓錨固深度為50 mm，采用單層玻纖網(wǎng)，外抹厚為5 mm的抹面膠漿。每層填充墻與框架柱之間設(shè)置兩道Ф6拉結(jié)筋。

圖2 僅填充墻粘貼保溫板示意圖/mm

表1 試件保溫飾面層粘貼要求表

圖3 全部粘貼保溫板示意圖/mm

1.2 試驗(yàn)裝置與加載制度

試驗(yàn)通過(guò)MTS液壓伺服加載系統(tǒng)施加荷載，采用位移加載控制方式，分級(jí)加載。開(kāi)始每級(jí)增幅1 mm至產(chǎn)生初始裂縫，隨后每級(jí)2 mm增加，產(chǎn)生較大變形時(shí)每級(jí)位移增幅改為4 mm，荷載降至極限荷載85%時(shí)停止加載。試驗(yàn)重點(diǎn)研究試件水平地震作用下框架結(jié)構(gòu)的抗震性能、水平位移和層間位移，以及面板層的破壞模式。加載裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)加載裝置圖

1.3 量測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)的主要測(cè)量?jī)?nèi)容有:(1)試件每級(jí)荷載F，由MTS液壓伺服加載系統(tǒng)自動(dòng)采集記錄；(2)各層的位移Δ，在框架的一層梁、二層梁及底梁位置處各布置了一個(gè)位移傳感器，量測(cè)各樓層的準(zhǔn)確位移Δ；(3)試件破壞形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞過(guò)程

試件KJ-1僅砌筑加氣混凝土砌塊，無(wú)外墻保溫系統(tǒng)。試件在低周水平荷載作用下首先在一層一側(cè)邊柱的下端產(chǎn)生水平裂縫，施加拉力時(shí)西邊柱西側(cè)下端產(chǎn)生水平裂縫，柱上端無(wú)裂縫；荷載增大，柱上裂縫不斷發(fā)展，當(dāng)荷載達(dá)到一定值，填充墻砌塊上產(chǎn)生斜裂縫，同時(shí)在一層框架梁與中柱節(jié)點(diǎn)處兩側(cè)梁端產(chǎn)生垂直裂縫，梁端裂縫分別位于梁底、梁頂；隨著荷載增加，填充墻斜裂縫不斷出現(xiàn)，并形成沿灰縫的階梯型貫通斜裂縫，一層框架梁柱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生斜裂縫，邊柱下端均出現(xiàn)大量水平裂縫，已有水平裂縫不斷延伸和加寬；繼續(xù)施加荷載，填充墻發(fā)生破壞，砌塊被壓碎而脫落，此時(shí)中柱亦產(chǎn)生較多水平裂縫，各層框架梁梁端均產(chǎn)生垂直裂縫，裂縫符合框架受力規(guī)律；再施加荷載，填充墻破壞嚴(yán)重，最終一層梁柱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生剪切破壞如圖5所示，試件承載力大幅下降。試件最終整體破壞形態(tài)如圖6所示。

圖5 梁柱節(jié)點(diǎn)剪切破壞圖

圖6 試件KJ-1整體破壞狀態(tài)圖

試件KJ-2砌筑填充墻，外貼為僅在填充墻上粘貼的外保溫系統(tǒng)，A、B面粘貼率分別為20%和50%。與試件KJ-1相同，水平荷載作用下邊柱下端產(chǎn)生水平裂縫；荷載增加至128.2 kN時(shí)，二層角部保溫板出現(xiàn)開(kāi)裂，一層柱水平裂縫貫穿整個(gè)柱；繼續(xù)施加荷載，飾面層與基層墻體及框架柱完全脫開(kāi)如圖7所示，拉結(jié)筋因被拉出而失去作用，填充墻成為框架內(nèi)可自由活動(dòng)的剛體，可能在地震中倒塌。最終，填充墻體的轉(zhuǎn)角受壓破壞，保溫飾面層受擠壓凸出發(fā)生破壞引起脫落如圖8所示；二層中柱和邊柱上端均發(fā)生剪切破壞，如圖9所示，一層框架梁跨中出現(xiàn)垂直裂縫，梁端未發(fā)現(xiàn)裂縫。分別對(duì)比不同粘貼方式的A面與不同粘貼率的B面，結(jié)果顯示，兩面的破壞特征相同。

圖7 飾面層與墻體脫開(kāi)圖

圖8 填充墻角部破壞飾面層脫落圖

圖9 框架柱剪切破壞圖

試件KJ-3砌筑填充墻，外貼為保溫系統(tǒng)，A、B面粘貼率分別為75%和100%，試件在砌塊填充墻和框架梁柱上均粘貼珍珠巖保溫板。與試件KJ-2相同，水平荷載作用下首先在東跨二層保溫板出現(xiàn)豎向裂縫，一層邊柱下端產(chǎn)生水平裂縫；繼續(xù)施加荷載，粘貼在梁柱上的飾面層產(chǎn)生大量斜裂縫；隨著荷載增加，保溫飾面層在填充墻與梁柱結(jié)合面處產(chǎn)生裂縫，且保溫板與柱面脫開(kāi)，填充墻與柱結(jié)合面處的豎向裂縫隨著荷載增加越來(lái)越寬，拉結(jié)筋失去作用，填充墻成為框架內(nèi)可自由活動(dòng)的剛體，同時(shí)粘貼在梁柱表面上的保溫板產(chǎn)生空鼓與梁柱脫開(kāi)，有脫落的趨勢(shì)，如圖10所示；與試件KJ-2相同，最終二層柱上端發(fā)生剪切破壞。試件KJ-3整體破壞形態(tài)如圖11所示，A、B面具有相似的破壞特征。

圖10 飾面層與框架柱脫開(kāi)圖

圖11 試件KJ-3整體破壞形態(tài)圖

2.2 試件破壞特征分析

由試驗(yàn)現(xiàn)象得到，對(duì)于試件KJ-1，加載初期砌塊填充墻與框架共同受力，受力狀態(tài)類似于剪力墻，剪力主要由填充墻承擔(dān)。隨著荷載增加，填充墻砂漿接縫處出現(xiàn)斜向階梯裂縫，砌塊破壞脫落，結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理發(fā)生變化，此時(shí)框架承受大部分荷載，框架隨即發(fā)生梁柱節(jié)點(diǎn)核心的剪切破壞。

試件KJ-2和KJ-3加載初期整體受力，受力機(jī)理與剪力墻相似，框架邊柱分別處于全截面受拉、受壓狀態(tài)。保溫系統(tǒng)與基層墻體通過(guò)膠黏劑粘貼，形成柔性漸變體系，隨著荷載繼續(xù)增加，保溫系統(tǒng)與墻體受力狀態(tài)不同，水平荷載作用將飾面層與基層墻體脫開(kāi)，框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)的水平剪力突然增大柱端發(fā)生剪切破壞。錨栓錨固在膠黏劑中，增強(qiáng)了外保溫系統(tǒng)的整體性與安全性。由試驗(yàn)現(xiàn)象還發(fā)現(xiàn)，框架結(jié)構(gòu)填充墻粘貼外保溫系統(tǒng)后，飾面層增強(qiáng)了填充墻的整體性，在水平荷載作用下，填充墻與飾面層從框架上脫離，拉結(jié)筋失效，填充墻在地震中可能會(huì)倒塌。

水平荷載作用下，框架梁柱交接處及填充墻墻角處的保溫飾面層易較早產(chǎn)生脫落，而粘貼在填充墻其它部位的飾面層與填充墻結(jié)合良好，未發(fā)生脫落現(xiàn)象。分析原因:水平荷載作用下，填充墻與飾面層沿對(duì)角線斜向受壓，在角部應(yīng)力集中，飾面層產(chǎn)生斜裂縫，水平荷載較大時(shí)飾面層和填充墻斜向受壓破壞，飾面層與基層脫離，從而造成飾面層發(fā)生脫落。

水平荷載作用下，粘貼在梁柱表面的保溫飾面層將會(huì)產(chǎn)生脫落。分析原因:水平荷載作用下，由于填充墻與主體結(jié)構(gòu)的變形不同，在填充墻與梁柱結(jié)合面處飾面層將產(chǎn)生拉力和剪力，飾面層與框架梁柱結(jié)合面間產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，荷載較大時(shí)，在拉力和剪力共同作用下，飾面層沿填充墻與框架梁柱結(jié)合面產(chǎn)生裂縫發(fā)生破壞，同時(shí)飾面層與框架梁柱間發(fā)生粘結(jié)破壞，保溫飾面層與主體結(jié)構(gòu)脫離而脫落。為了提高外保溫飾面層的安全性能，建議在墻體與框架交界處的保溫板上設(shè)置柔性變形縫或增加主體結(jié)構(gòu)部位保溫飾面層的錨釘數(shù)量。

對(duì)比試件KJ-2及KJ-3，試件不同粘貼率和粘貼方式的外保溫系統(tǒng)破壞現(xiàn)象無(wú)明顯區(qū)別，因此當(dāng)粘貼率≥20%時(shí)，保溫系統(tǒng)不同的粘貼率及粘貼形式對(duì)飾面層的破壞形態(tài)影響不大。

2.3 試件滯回曲線

試件KJ-1、KJ-2、KJ-3的F(荷載)-Δ(位移)曲線如圖12～14所示。

圖12 KJ-1滯回曲線圖

圖13 KJ-2滯回曲線圖

圖14 KJ-3滯回曲線圖

可以看出，試件滯回曲線均出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，滯回曲線的形狀不飽滿，呈現(xiàn)出倒S形，說(shuō)明框架砌筑填充墻及飾面層后耗能性能降低。對(duì)比3個(gè)試件，具有保溫飾面層的試件承載力增大，但變形減小，粘貼率越大，耗能性越小。

2.4 試件承載能力及變形

超過(guò)極限荷載降至極限荷載85%時(shí)的數(shù)值記為破壞荷載，記相應(yīng)的位移為破壞位移。各試件的荷載值及相應(yīng)位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 試件荷載、位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由試驗(yàn)結(jié)果可知，膨脹珍珠巖外保溫體系提高了框架結(jié)構(gòu)的承載力能力，且粘貼率越大提高幅度越大，但變形能力降低。究其原因在于粘貼膨脹珍珠巖保溫板后，飾面層提高了填充墻的作用，粘貼率越高，填充墻的效果越好。填充墻與框架共同工作，使得整體剛度提高，填充墻破壞后框架才開(kāi)裂破壞，試件達(dá)到最大承載力，故粘貼膨脹珍珠巖保溫板飾面層后試件極限承載力大大提高，且粘貼率越大承載力越高。

2.5 試件的延性

結(jié)構(gòu)的延性反映的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在加載后期的變形性能[16]，良好的延性可以吸收更多的地震能量，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，使結(jié)構(gòu)滿足相應(yīng)的抗震要求。結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)由結(jié)構(gòu)的極限位移與屈服位移的比值計(jì)算得出，屈服位移采用幾何作圖法得到。試件的延性系數(shù)見(jiàn)表3，可知粘貼外保溫系統(tǒng)之后，框架的延性降低，且粘貼率越大，延性系數(shù)越低。

表3 試件延性系數(shù)表

3 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知:

(1)水平荷載作用下，框架結(jié)構(gòu)砌筑填充墻粘貼膨脹珍珠巖板保溫飾面層后，結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理發(fā)生了明顯變化，加載初期受力與剪力墻結(jié)構(gòu)類似，隨著荷載增加，保溫層與框架分離，填充墻在框架之間形成具有斜撐的框架結(jié)構(gòu)，斜撐受壓破壞框架柱發(fā)生剪切破壞。膨脹珍珠巖飾面層系統(tǒng)對(duì)框架的承載力和變形性能都會(huì)產(chǎn)生影響。

(2)地震荷載作用下，粘貼在填充墻上的飾面層，在填充墻角部由于斜向擠壓作用將與基層脫開(kāi)而脫落，其余部位仍結(jié)合良好；由于飾面層與基層、填充墻與主體結(jié)構(gòu)的變形不一致，粘貼在主體結(jié)構(gòu)梁、柱上的飾面層地震時(shí)將會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)破壞，進(jìn)而發(fā)生脫落，建議在膨脹珍珠巖保溫板填充墻與框架的連接處設(shè)置柔性變形縫或在梁柱表面增加錨釘，以提高保溫飾面層的抗震安全性能。

(3)當(dāng)粘貼率≥20%時(shí)，保溫系統(tǒng)不同的粘貼率及粘貼形式對(duì)地震時(shí)飾面層的破壞形態(tài)影響不大。但保溫飾面層加強(qiáng)了填充墻的整體性，易造成拉結(jié)筋被拔出，填充墻成為框架內(nèi)可自由活動(dòng)的剛體，地震時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生整體倒塌。