增强型复合外模板保温系统抗震性能试验研究

2018-07-02周学军魏方帅李明洋王周泰王振

山东建筑大学学报 2018年3期

周学军，魏方帅，李明洋，王周泰，王振

（山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101）

0 引言

为实现建筑物良好的保温隔热性能，工程中通常的做法是对外墙外保温［1］，但近年来的工程实践表明，外墙外保温常出现保温层失火、剥落、空鼓、开裂、渗漏等缺陷。为解决上述问题，工程中提出了保温结构一体化施工的新理念，免拆保温模板系统是近年来工程领域新开发的集保温材料和模板一体的复合保温系统，既可避免外保温的许多弊病，又可减少模板的消耗［2］。由此系统在墙体浇筑的同时又完成了保温层的施工，实现了建筑现浇混凝土外墙与保温层的一体化施工，集保温、承重于一体化［3］，大大降低劳动强度，简化了施工工序，施工工期与传统工艺比较可缩短20%～30%；同时，其工艺质量与传统工艺相比较，避免了墙体保温层、装饰层的开裂、空鼓、渗漏等质量通病的发生，从而大大降低了后期维护费用［4］，节能、结构同寿命［5］；可广泛应用于混凝土框架结构、剪力墙结构等建筑中，达到同步设计、同步施工、同步验收的效果［6］。

为增强复合外模板保温外模板与基层混凝土墙体、复合外模板与找平浆料层之间在地震作用下的粘结性能，提出了一种增强型复合外模板现浇混凝土保温系统。开展地震模拟振动台试验是真实反映复合外模板与基层混凝土墙体、复合外模板与饰面找平浆料层之间在地震作用下的粘结性能的重要途径。文章基于地震工程学原理，按照有无预制钢丝网架加强层，设计制作了2组复合外模板现浇混凝土保温系统振动台试验模型，对模型按16种工况输入2组天然地震波和1组人工波，测定试件的动力响应并考察外保温模板层、饰面找平浆料层的裂缝开展情况，对比分析2组试件的抗震性能，研究增强型复合外模板现浇混凝土保温系统抗震性能是否更具优势。

1 材料与方法

1.1 材料构造与模型设计

研究的复合外模板现浇混凝土保温系统其构造如图1所示。图1（a）为增强型复合外模板现浇混凝土保温系统，复合外模板作为免拆外模板层，与25mm找平浆料及加强连接件于工厂完成制作，模板层与预制加强托网通过连接件于安装施工现场连接在一起；连接件≥5个／m2，均匀布置。图1（b）为普通型复合外模板现浇混凝土保温系统，除无钢丝网架加强层和加强连接件外，其他构造与增强型系统相同。

图1 复合外模板构造图

预制复合外模板与找平浆料层之间、复合外模板与基层混凝土之间的粘结性能以及在水平荷载作用下能否开裂是该复合保温系统推广的关键。为此，设计并进行了 1∶1模型的足尺振动台试验［7-11］，以更直观地研究其抗震性能。

为了真实反映此体系在实际工程中的应用情况，重点考察复合外模板保温系统的抗震性能，要确保在振动台试验过程中基层混凝土墙体不破坏。为防止一字形墙体的平面外破坏，故将基层混凝土墙体设计为T形。

由于在地震作用下，结构中构件所受到的水平地震作用与结构的等效重力荷载有关。按照抗震设防烈度为8度，高度≤100 m的普通混凝土建筑为适用范围来进行试件设计，考虑到在实际地震过程中建筑物顶层位移最大，即顶层墙体的外保温系统在地震作用下更容易开裂或与墙体结构脱离，因此以配重的方式模拟构件在100 m高度处所承受的水平地震作用，配重方式为在试件顶部附加质量块；加设质量块的主要目的是使构件在地震作用下产生相应的水平地震力，因此附加质量块只在混凝土墙体范围内加设。

试件底座尺寸为1.4 m×1.4 m×0.3 m；T型主墙体尺寸为1.2 m×1.5 m×0.3 m，为使 T型截面形心与其质心重合，T型短肢辅助墙为0.6 m×1.5 m×0.3 m；附加质量块尺寸的确定如下：

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［12］，结构总水平地震作用标准值由式（1）表示为

式中：FEk为结构总水平地震作用标准值，kN；α为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值；Geq为结构等效总重力荷载，kN。

顶层水平地震作用标准值由式（2）表示为

式中：Fi为第i层楼的水平地震作用标准值，kN；Gi、Gj分别为集中于第i、j层楼的重力荷载标准值，kN；Hi、Hj分别为楼层 i、j的计算高度，m。

根据试件与100 m高度建筑所受水平地震作用相等原则，由Fi＝ma（m为试件总质量，kg；a为试件在地震作用下的加速度，m／s2），逆推试件的总质量，得到在100 m高度时，该层的等效质量为4.8 t；因此试件顶部附加质量块尺寸为1.2 m×0.9 m×0.5 m。整个模型总高度为2.3 m（含底座高度），模型质量、底座质量以及总质量分别为 3.4、1.47、4.87 t，混凝土强度等级为 C30［13］。试件模型如图 2所示。

图2 试件构造与保温体系构造图

试件数量为6个，其中有增强型复合外模板保温系统与普通型复合外模板保温系统，编号为增强1～增强3与普型-1～普型-3。

1.2 地震波选择

根据文献［14-15］和 GB 50011—2010，试验采用3个地震波作为振动台台面激励，选用El-Centro波、Kobe波和人工波（rgb）3种地震波。在试验工况中同时输入x、y方向El-Centro波和Kobe波，人工波按x向输入。

1.3 测点布置

试验中采用加速度传感器测量模型结构的动力响应，通过对测得的加速度时程进行二次积分，得到位移时程。加速度计主要布置在结构反应最大部位，加速度计的方向有x、y 2个方向，x方向为试件墙长方向（墙体平面内），y方向为垂直墙面方向（墙体平面外）。试验加速度计测点布置如图3所示。图中rx、ry分别为基础底座顶面在x、y方向的加速度计，x1～x8、y1～y8分别为模型上的 x、y方向的加速度计，总共18个加速度计。

1.4 试验工况

根据GB 50011—2010要求，x、y向地震动加速度峰值按照1∶0.85进行输入。模型的主振方向为x向，取实际地震的水平方向中峰值较大的一向分量作为x向台面输入波［16］。试验选用的峰值加速度分别为 0.1g、0.2g、0.3g、0.4g，基本涵盖了规范规定的小震、中震和大震时程分析时的加速度峰值。试验工况见表1。

图3 加速度计测点位置布置图

表1 建筑保温与结构一体化振动台试验工况表

2 试验现象

试验时安装在振动台上的试件模型如图4所示。

图4 试件模型图

2.1 普通型试验现象

（1）PGA≤0.2g（工况1～8）时模型情况

①普型-1试件整体结构振动幅度小，模型结构其他反应亦不明显，外保温模板一侧初始裂缝略微扩展，另除初始裂缝外，未见新裂缝产生和脱离墙体现象，此级别地震作用下结构整体完好，未见明显破坏现象；②普型-2试件初始裂缝与普型-1试件基本相同，在输入0.2g EL-Centro波结束后，外保温模板初始裂缝增宽，由不明显增至1.5 mm。

（2）PGA＝0.3g（工况9～12）时模型情况

①普型-1试件模型结构振动幅度较大，整体结构动力响应剧烈。在0.3g EL-Centro波输入结束后，保温板上方外侧出现数条长度约为3 cm的竖向裂缝，并在试件西侧下方出现外保温模板与找平浆料层的脱离裂缝，裂缝长度约从底部延伸至高度1／3处，裂缝宽度为 2.5 mm，如图 5（a）所示；② 普型-2试件模型结构振动幅度较大，整体结构动力响应剧烈。在0.3g EL-Centro波输入结束后，保温板顶部与墙体的连接处出现整体脱离裂缝，如图6（a）所示，并在外模板面东侧边缘处，出现数条长度约为7 cm的横向裂缝；而在输入0.3g人工波后，在试件西侧上方初始裂缝下面的外模板与墙体连接处，出现明显的错动裂缝，即外模板与墙体产生相对滑动，裂缝长度约为10 cm，如图7（a）所示。

（3）PGA＝0.4g（工况13～16）时模型情况

①普型-1试件模型结构振动剧烈，结构内部发出响声。地震波输入结束后，除已产生的裂缝有所扩展外，保温板顶部与墙体连接处出现整体脱离裂缝，且试件西侧下方保温板的脱离裂缝明显扩展；②普型-2试件地震波输入结束后，在0.4g ELCentro波和Kobe波输入结束后，试件西侧上方的初始裂缝有明显扩展，宽度增至2 mm，由原来的竖向裂缝延伸至出现保温板顶部厚度方向约3 cm的横向裂缝，此为脱离现象；0.3g出现的边缘裂缝开展，并出现类似新裂缝；0.3g出现的保温板顶部与墙体的脱离裂缝明显增大。

在地震波输入过程中，普型-3模型试件试验现象与前2个试件大致相同，未出现新的裂缝和脱离现象。

2.2 增强型试验现象

（1）PGA≤0.2g（工况1～8）时模型情况

增强型-1试件模体结构振动幅度小，模型结构其他反应亦不明显，试件未见新裂缝及初始裂缝开展，级别地震作用下，外保温模板整体完好。

（2）PGA＝0.3g（工况9～12）时模型情况

增强-1试件模型结构振动幅度有所增大，但整体未见其他明显现象和结构动力响应不剧烈。地震波输入结束后，除保温板外侧抹灰出现裂缝外，未脱离，带有预制托网和加强连接件的找平浆料层与外模板未出现裂缝，抗震稳定性较好，如图5（b）所示，且外模板与墙体未出现错动裂缝与滑动，如图6（b）所示。

（3）PGA＝0.4g（工况13～16）时模型情况

增强-1试件模型结构振动剧烈，结构内部发出轻微响声。输入0.4g EL-Centro波结束后，保温板西侧边缘处出现数条长度约为5 cm的横向裂缝；输入0.4g人工波结束后，保温板顶部与墙体连接处出现轻微裂缝，但裂缝不明显且范围小，结构仍保持为一整体，未发生任何表面脱落现象，如图7（b）所示。

增强-1与增强-2试件在所有地震波输入完成后，2个试件具有类似增强-1试件的裂缝现象，裂缝不明显，且未出现明显其他裂缝和脱离现象。

图5 外模板与找平浆料层的粘结情况图

图6 外模板顶部与墙体的连接情况图

图7 外模板侧面与墙体的连接情况图

3 试验结果与分析

3.1 结构相对位移

通过对墙体侧表面和保温层侧表面的最大相对位移的试验数据进行分析考察不同强度地震下试件的破坏情况。

在地震作用下，墙体侧表面和保温层侧表面的位移时程差值可在一定程度上衡量保温层与剪力墙在振动台实验中的整体连接牢靠性，其相对位移越小，说明保温层和基层混凝土墙体的整体粘结性能越好，反之，其整体粘结性能越差。因在地震波输入过程中，进行EL-Centro波输入时，模型振动相对来说较剧烈，试验现象明显，且EL-Centro波能量较大，因此仅对工况 2、6、10、14的数据进行处理，得到在不同峰值加速度的x、y方向EL-Centro波作用下，各试件的两侧表面x、y向的最大相对位移，见表 2、3。

表2 各试件两侧表面x向最大相对位移表／mm

表3 各试件两侧表面y向最大相对位移表／mm

如图8所示，可更为直观的看出增强型模型和普通型模型的外保温模板的抗震性能，增强型是否更具优势。

3.2 试验结果对比分析

由图8可以看出，在不同强度的地震波作用下，增强型模型的墙体两侧表面x、y向最大相对位移均小于普通型模型，同时可以看出，对普通型试件，在0.3g地震波输入后，相对位移变化开始增大。说明增强型试件中钢丝网架加强层可有效减小墙体两侧在地震作用下的相对错动与脱离，试件中预制托网对防止外保温板与墙体脱离更为有效。

就试验现象来看，在0.2g地震波作用下，普通型试件和增强型试件都无明显现象；在0.3g地震波作用下普通型试件外模板与饰面找平浆料层开始出现脱离裂缝与开裂，增强型试件未见明显现象；在0.4g地震波作用下，普通型试件裂缝开展严重并出现脱落现象，增强型试件除出现轻微裂缝外，未见明显脱落现象，外模板与墙体的连接保持良好。

通过位移数据和试验现象对比，普通型系统在设防烈度＜8度（0.3g）时使用较好，增强型试件在地震作用下整体牢靠，相比普通型试件抗震性能更好，可适用于高度为100 m的墙体。