框架结构膨胀珍珠岩板外保温饰面层抗震分析

赵考重栗笑航王飞

(山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

建筑节能的一个重要部分是建筑围护结构的保温，外墙外保温系统应用最为广泛，保温系统置于外墙外侧以解决热桥效应，而在实际工程中由于保温饰面层脱落引起的安全事故时有发生，因此对外墙保温饰面层的安全性能进行深入研究显得尤为重要[1-5]。我国属于地震多发国家，对外墙保温系统抗震性能的研究，避免地震时饰面层脱落产生次生灾害至关重要[6-10]。学者们对保温系统的安全性能做了一些研究。徐洪涛等[11]通过分析外墙外保温系统与基层墙体连接无效的例子，得到了墙体和外保温系统在应用时应注意的兼容性问题，外保温粘结层和基层墙体的弹性模量不宜相差过大。江春等[12]对粘贴外墙外保温系统的单片墙体试件进行振动台试验分析，得出外墙外保温系统的抗震安全性能满足要求。任瑜等[13]时程分析可发性聚苯乙烯板(Expanded Polystyrene Board，EPS)保温饰面层及胶粉EPS颗粒保温结构，得出外保温系统设计应用时应注意保温系统质量不宜过大，以免产生较大地震作用引起主体结构破坏。研究表明，以超薄石材、蒸压砂加气保温砌块及岩棉纤维为材料的外保温饰面层，均满足抗震要求并达到安全性需求，但目前对保温饰面层抗震性能的研究多为理论分析或单片墙体粘贴保温层的抗震试验，对主体为框架结构、外维护结构粘贴膨胀珍珠岩板的房屋，地震作用下饰面层的抗震性能研究还未见报道。

基于此，设计制作了3个两层两跨的钢筋混凝土框架结构模型，通过进行水平低周反复荷载作用下的拟静力试验[14-18]，研究了膨胀珍珠岩板外保温系统在地震作用下的受力机理、破坏特征以及饰面层对主体结构的影响。

1 试验概述

1.1 试件设计

试验共制作了三榀框架，其中试件KJ-1仅砌筑加气混凝土砌块填充墙无保温饰面层，试件KJ-2和KJ-3为加气混凝土砌块填充墙并粘贴膨胀珍珠岩保温板。试件为两层两跨，每跨跨度为2.5 m、层高为1.5 m，梁截面尺寸宽×高为150 mm×250 mm，底梁截面尺寸宽×高为400 mm×500 mm，其柱截面尺寸为200 mm×200 mm。梁柱箍筋均为HRB400级Ф8＠100，梁的上、下各配两根Ф16纵向钢筋，框架柱纵向钢筋为4Ф16，纵筋钢筋级别为HRB400。实测箍筋屈服强度为575 MPa、极限强度为695 MPa，梁柱纵向钢筋屈服强度为453 MPa、极限强度为583 MPa。混凝土强度等级设计为C30，实测混凝土立方体抗压强度为31.5 MPa。试件具体尺寸如图1所示。

图1 试验试件示意图/mm

试件KJ-2和KJ-3两个侧面(A面和B面)均粘贴膨胀珍珠岩保温板，在每个侧面的不同填充墙区域内采用不同的粘贴方式和粘贴率。保温饰面层粘贴率分别为20%、50%、70%、100%，粘贴方式为条粘法、点框法，分别记为1和2。保温系统在试件KJ-2的A、B面仅粘贴填充墙表面，框架上梁柱部分不粘贴；试件KJ-3的A面保温系统粘贴方式与KJ-2相同，B面保温系统粘贴整个框架。图1给出了试件填充墙区域划分，试件粘贴要求见表1。膨胀珍珠岩保温板标准规格为600 mm×600 mm、厚度为50 mm。保温板及塑料锚栓布置如图2、3所示。锚栓锚固深度为50 mm，采用单层玻纤网，外抹厚为5 mm的抹面胶浆。每层填充墙与框架柱之间设置两道Ф6拉结筋。

图2 仅填充墙粘贴保温板示意图/mm

表1 试件保温饰面层粘贴要求表

图3 全部粘贴保温板示意图/mm

1.2 试验装置与加载制度

试验通过MTS液压伺服加载系统施加荷载，采用位移加载控制方式，分级加载。开始每级增幅1 mm至产生初始裂缝，随后每级2 mm增加，产生较大变形时每级位移增幅改为4 mm，荷载降至极限荷载85%时停止加载。试验重点研究试件水平地震作用下框架结构的抗震性能、水平位移和层间位移，以及面板层的破坏模式。加载装置如图4所示。

图4 试验加载装置图

1.3 量测内容

试验的主要测量内容有:(1)试件每级荷载F，由MTS液压伺服加载系统自动采集记录；(2)各层的位移Δ，在框架的一层梁、二层梁及底梁位置处各布置了一个位移传感器，量测各楼层的准确位移Δ；(3)试件破坏形态。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏过程

试件KJ-1仅砌筑加气混凝土砌块，无外墙保温系统。试件在低周水平荷载作用下首先在一层一侧边柱的下端产生水平裂缝，施加拉力时西边柱西侧下端产生水平裂缝，柱上端无裂缝；荷载增大，柱上裂缝不断发展，当荷载达到一定值，填充墙砌块上产生斜裂缝，同时在一层框架梁与中柱节点处两侧梁端产生垂直裂缝，梁端裂缝分别位于梁底、梁顶；随着荷载增加，填充墙斜裂缝不断出现，并形成沿灰缝的阶梯型贯通斜裂缝，一层框架梁柱节点产生斜裂缝，边柱下端均出现大量水平裂缝，已有水平裂缝不断延伸和加宽；继续施加荷载，填充墙发生破坏，砌块被压碎而脱落，此时中柱亦产生较多水平裂缝，各层框架梁梁端均产生垂直裂缝，裂缝符合框架受力规律；再施加荷载，填充墙破坏严重，最终一层梁柱节点产生剪切破坏如图5所示，试件承载力大幅下降。试件最终整体破坏形态如图6所示。

图5 梁柱节点剪切破坏图

图6 试件KJ-1整体破坏状态图

试件KJ-2砌筑填充墙，外贴为仅在填充墙上粘贴的外保温系统，A、B面粘贴率分别为20%和50%。与试件KJ-1相同，水平荷载作用下边柱下端产生水平裂缝；荷载增加至128.2 kN时，二层角部保温板出现开裂，一层柱水平裂缝贯穿整个柱；继续施加荷载，饰面层与基层墙体及框架柱完全脱开如图7所示，拉结筋因被拉出而失去作用，填充墙成为框架内可自由活动的刚体，可能在地震中倒塌。最终，填充墙体的转角受压破坏，保温饰面层受挤压凸出发生破坏引起脱落如图8所示；二层中柱和边柱上端均发生剪切破坏，如图9所示，一层框架梁跨中出现垂直裂缝，梁端未发现裂缝。分别对比不同粘贴方式的A面与不同粘贴率的B面，结果显示，两面的破坏特征相同。

图7 饰面层与墙体脱开图

图8 填充墙角部破坏饰面层脱落图

图9 框架柱剪切破坏图

试件KJ-3砌筑填充墙，外贴为保温系统，A、B面粘贴率分别为75%和100%，试件在砌块填充墙和框架梁柱上均粘贴珍珠岩保温板。与试件KJ-2相同，水平荷载作用下首先在东跨二层保温板出现竖向裂缝，一层边柱下端产生水平裂缝；继续施加荷载，粘贴在梁柱上的饰面层产生大量斜裂缝；随着荷载增加，保温饰面层在填充墙与梁柱结合面处产生裂缝，且保温板与柱面脱开，填充墙与柱结合面处的竖向裂缝随着荷载增加越来越宽，拉结筋失去作用，填充墙成为框架内可自由活动的刚体，同时粘贴在梁柱表面上的保温板产生空鼓与梁柱脱开，有脱落的趋势，如图10所示；与试件KJ-2相同，最终二层柱上端发生剪切破坏。试件KJ-3整体破坏形态如图11所示，A、B面具有相似的破坏特征。

图10 饰面层与框架柱脱开图

图11 试件KJ-3整体破坏形态图

2.2 试件破坏特征分析

由试验现象得到，对于试件KJ-1，加载初期砌块填充墙与框架共同受力，受力状态类似于剪力墙，剪力主要由填充墙承担。随着荷载增加，填充墙砂浆接缝处出现斜向阶梯裂缝，砌块破坏脱落，结构的受力机理发生变化，此时框架承受大部分荷载，框架随即发生梁柱节点核心的剪切破坏。

试件KJ-2和KJ-3加载初期整体受力，受力机理与剪力墙相似，框架边柱分别处于全截面受拉、受压状态。保温系统与基层墙体通过胶黏剂粘贴，形成柔性渐变体系，随着荷载继续增加，保温系统与墙体受力状态不同，水平荷载作用将饰面层与基层墙体脱开，框架结构承担的水平剪力突然增大柱端发生剪切破坏。锚栓锚固在胶黏剂中，增强了外保温系统的整体性与安全性。由试验现象还发现，框架结构填充墙粘贴外保温系统后，饰面层增强了填充墙的整体性，在水平荷载作用下，填充墙与饰面层从框架上脱离，拉结筋失效，填充墙在地震中可能会倒塌。

水平荷载作用下，框架梁柱交接处及填充墙墙角处的保温饰面层易较早产生脱落，而粘贴在填充墙其它部位的饰面层与填充墙结合良好，未发生脱落现象。分析原因:水平荷载作用下，填充墙与饰面层沿对角线斜向受压，在角部应力集中，饰面层产生斜裂缝，水平荷载较大时饰面层和填充墙斜向受压破坏，饰面层与基层脱离，从而造成饰面层发生脱落。

水平荷载作用下，粘贴在梁柱表面的保温饰面层将会产生脱落。分析原因:水平荷载作用下，由于填充墙与主体结构的变形不同，在填充墙与梁柱结合面处饰面层将产生拉力和剪力，饰面层与框架梁柱结合面间产生较大的剪应力，荷载较大时，在拉力和剪力共同作用下，饰面层沿填充墙与框架梁柱结合面产生裂缝发生破坏，同时饰面层与框架梁柱间发生粘结破坏，保温饰面层与主体结构脱离而脱落。为了提高外保温饰面层的安全性能，建议在墙体与框架交界处的保温板上设置柔性变形缝或增加主体结构部位保温饰面层的锚钉数量。

对比试件KJ-2及KJ-3，试件不同粘贴率和粘贴方式的外保温系统破坏现象无明显区别，因此当粘贴率≥20%时，保温系统不同的粘贴率及粘贴形式对饰面层的破坏形态影响不大。

2.3 试件滞回曲线

试件KJ-1、KJ-2、KJ-3的F(荷载)-Δ(位移)曲线如图12～14所示。

图12 KJ-1滞回曲线图

图13 KJ-2滞回曲线图

图14 KJ-3滞回曲线图

可以看出，试件滞回曲线均出现捏缩现象，滞回曲线的形状不饱满，呈现出倒S形，说明框架砌筑填充墙及饰面层后耗能性能降低。对比3个试件，具有保温饰面层的试件承载力增大，但变形减小，粘贴率越大，耗能性越小。

2.4 试件承载能力及变形

超过极限荷载降至极限荷载85%时的数值记为破坏荷载，记相应的位移为破坏位移。各试件的荷载值及相应位移数据见表2。

表2 试件荷载、位移试验数据表

由试验结果可知，膨胀珍珠岩外保温体系提高了框架结构的承载力能力，且粘贴率越大提高幅度越大，但变形能力降低。究其原因在于粘贴膨胀珍珠岩保温板后，饰面层提高了填充墙的作用，粘贴率越高，填充墙的效果越好。填充墙与框架共同工作，使得整体刚度提高，填充墙破坏后框架才开裂破坏，试件达到最大承载力，故粘贴膨胀珍珠岩保温板饰面层后试件极限承载力大大提高，且粘贴率越大承载力越高。

2.5 试件的延性

结构的延性反映的是结构或构件在加载后期的变形性能[16]，良好的延性可以吸收更多的地震能量，防止结构发生脆性破坏，使结构满足相应的抗震要求。结构的延性系数由结构的极限位移与屈服位移的比值计算得出，屈服位移采用几何作图法得到。试件的延性系数见表3，可知粘贴外保温系统之后，框架的延性降低，且粘贴率越大，延性系数越低。

表3 试件延性系数表

3 结论

通过上述研究可知:

(1)水平荷载作用下，框架结构砌筑填充墙粘贴膨胀珍珠岩板保温饰面层后，结构的受力机理发生了明显变化，加载初期受力与剪力墙结构类似，随着荷载增加，保温层与框架分离，填充墙在框架之间形成具有斜撑的框架结构，斜撑受压破坏框架柱发生剪切破坏。膨胀珍珠岩饰面层系统对框架的承载力和变形性能都会产生影响。

(2)地震荷载作用下，粘贴在填充墙上的饰面层，在填充墙角部由于斜向挤压作用将与基层脱开而脱落，其余部位仍结合良好；由于饰面层与基层、填充墙与主体结构的变形不一致，粘贴在主体结构梁、柱上的饰面层地震时将会产生粘结破坏，进而发生脱落，建议在膨胀珍珠岩保温板填充墙与框架的连接处设置柔性变形缝或在梁柱表面增加锚钉，以提高保温饰面层的抗震安全性能。

(3)当粘贴率≥20%时，保温系统不同的粘贴率及粘贴形式对地震时饰面层的破坏形态影响不大。但保温饰面层加强了填充墙的整体性，易造成拉结筋被拔出，填充墙成为框架内可自由活动的刚体，地震时可能会产生整体倒塌。