框架结构外围护墙酚醛板保温饰面层抗震性能试验研究*

赵考重, 赵茜旺, 李雨恒, 樊子甲, 刘思红

(1 山东建筑大学土木工程学院，济南 250101；2 山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，济南 250101)

0 引言

建筑结构外墙外保温系统以其廉价、施工便捷、保温效果明显等优点备受青睐,在实际工程中得到广泛应用。而工程中外墙保温系统脱落、火灾等灾害也时有发生。历次地震后发现,在地震作用下,外墙外保温系统会大面积脱落从而造成次生地震灾害。因此,对外墙外保温系统的安全性和抗震性进行研究十分必要,众多学者也进行了一些研究工作。文献[1-4] 对外保温系统在正常使用状况下的安全性进行了研究,得到了外墙外保温系统开裂及脱落的原因,提出了预防措施。文献[5-6]分析了外墙外保温系统的渗漏原因,给出了预防措施。文献[7]对外墙外保温系统用塑料锚栓受力性能进行了试验研究,得到锚栓的锚固深度、施工工艺对锚栓拉拔力影响的规律。文献[8]研究了建筑物外墙外保温材料的火灾危险性,提出了预防对策。文献[9-10]对地震后外墙外保温系统的灾害进行了调查,发现在地震作用下,随着建筑的变形,墙体隔热系统也会随之变形而破坏,从而造成外墙外保温系统大面积脱落,EPS板外保温系统要比其他保温板的延性要好,瓷砖面层在高层建筑中应用时应慎重。文献[11]分析了外保温系统对结构周期的影响,得出外保温系统会使建筑结构的相应周期减小的结论。文献[12]对蒸压砂加气保温砌块保温体系基础的墙体试件进行了地震台试验,发现蒸压砂加气保温砌块外墙外保温体系的抗震性能符合要求。文献[13]有限元分析结果表明,在罕见的地震中,墙体将和外保温分离,面砖也会脱落,文献[14]通过地震台抗震试验,得到ZL胶粉聚苯乙烯复合保温板与基体粘接好,抗震性能优良。文献[15]对外保温系统为膨胀珍珠岩的抗震性能进行了试验研究,得到饰面层的破坏机理。

综上所述,目前对于外墙外保温系统的研究主要是正常使用时的安全性,对其抗震性能的研究多为震后的调查及理论分析。由于外墙外保温材料、施工工艺以及建筑结构形式的不同,地震时外墙外保温系统产生的次生灾害程度也会有区别,因此,有必要对外墙外保温系统的抗震性能做进一步研究。

本文制作了4榀框架试件,分别砌筑填充墙和粘贴酚醛保温板,酚醛板是工程中常用的一种外墙保温材料,通过拟静力试验,研究了保温饰面层在地震作用下的受力机理和不同粘贴方式和粘贴率对饰面层地震灾害的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

4榀框架及框架构件尺寸相同,层高为1 500mm,跨度为2 500mm。框架柱截面尺寸为200×200,框架梁截面尺寸为150×250,底梁截面尺寸为400×500。试件混凝土强度等级为C30,实测立方体抗压强度为33.3MPa。纵筋和箍筋均为HRB400,实测钢筋屈服强度为453MPa,极限强度为583MPa。其中试件FQQK1、FQQK2填充墙为加气混凝土砌块,厚度为100mm,并在两侧粘贴酚醛保温板;试件FQZK1、FQZK2填充墙为空心粘土砖砌体,厚度为120mm,并在两侧粘贴酚醛保温板。填充墙均采用M5的砂浆砌筑砌筑,填充墙与框架柱间每层设置两道φ6拉结筋。将试件的两个侧面(A、B面)均划分为4个区域,每个区域采用了不同粘贴方式和粘贴率。

为了观测框架梁柱破坏情况,所有试件侧面B仅在填充墙粘贴保温板,而试件FQQK1侧面A在填充墙及框架梁粘贴保温饰面层,其余3个试件的侧面A在填充墙及框架梁柱表面均粘贴保温饰面层,粘贴方式采用点粘和条粘两种。塑料锚钉按每6个/m2布置,试件尺寸、配筋及填充墙区域划分编号见图1,各试件保温饰面层粘贴要求见表1。试件保温饰面层具体做法为:基层→15mm厚水泥砂浆找平层→专用粘结砂浆层(3～5mm)→50mm厚酚醛保温→耐碱玻纤网格布一道→砂浆抹面层。

图1 试件及粘贴面区域划分

表1 试件保温饰面层粘贴要求

1.2 试验加载及加载装置

本次试验重点研究框架结构建筑在水平地震作用下饰面层的抗震性能,即地震作用时,结构产生水平位移和层间位移的大小、保温饰面层系统的破坏形态以及产生的次生灾害程度。另外,实际工程中保温饰面层施工时结构所受竖向荷载大部分已存在,因此,本次试验仅施加水平往复荷载。试验通过MTS液压伺服加载系统施加荷载,加载装置见图2。采用位移加载控制方式,分级加载。初始每级位移增幅1mm至产生初始裂缝,随后每级位移增幅2mm,产生较大变形时每级位移增幅改为4mm,荷载降至极限荷载85%时停止加载。

1.3 量测内容

试验的主要测量内容有:1)试件每级荷载大小,由MTS液压伺服加载系统自动采集记录;2)各层的位移,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;3)试件破坏形态。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏过程

2.1.1 试件FQQK1

水平荷载作用下,一层边柱底部外侧首先产生水平裂缝;随往复荷载的不断地增加,两侧边柱由下至上不断产生新的水平裂缝,中柱未发现裂缝;继续施加荷载,总侧移为3mm时,在采用条粘法且粘贴率为20%粘贴在一层框架梁上的保温饰面层上产生多条斜裂缝;随着往复荷载的增加,粘贴率为20%粘贴在一层、二层梁上的饰面层,无论条粘或点粘均不断产生两个方向的交叉斜裂缝,且斜裂缝向填充墙面发展;总侧移为8mm时(二层层间位移为5mm),粘贴在二层边柱顶部的保温饰面层与框架柱子脱开,由于饰面层玻纤网的作用,此时饰面层并未脱落,如图3所示,同时采用条粘法粘贴率为50%墙面的饰面层在二层框架填充墙角部产生大量斜裂缝,且出现空鼓现象,与基层脱开;总侧移为12mm(二层层间位移位移为7mm)时,工况2、4(点粘法、条粘法粘贴率均为20%)的饰面层与二层梁全部脱开,同时可观察到保温板有挤碎现象;总侧移为16mm(二层层间位移位移为9.5mm),工况1、3(点粘法、条粘法粘贴率均为20%)的饰面层一层梁与填充墙界面处产生贯通水平裂缝,玻纤网断裂,粘贴在框架梁上的饰面层明显空鼓。侧移为32mm,荷载为254.3kN,工况2、4(点粘法、条粘法粘贴率均为20%)粘贴在二层边柱上的保温板与柱完全分离而脱落,如图4所示,脱开位置在保温板与粘结砂浆的界面处。侧移为36mm时,工况8(点粘法粘贴率为50%)填充墙角部饰面层被挤碎外凸破坏脱落,此时一层边柱梁柱节点发生剪切破坏,如图5所示。试件FQQK1最终破坏形态如图6所示。

图3 部分饰面层与柱脱离

图4 饰面层与柱安全脱离

图5 框架节点破坏

图6 试件FQQK1最终破坏形态

2.1.2 试件FQQK2

试件FQQK2试验过程同试件FQQK1类似,水平荷载作用下两边柱外侧首先产生水平裂缝;随着荷载增加,两边柱外侧不断产生新的水平裂缝,中柱未发现;继续施加荷载,粘贴率为70%墙面,粘贴在二层和一层梁上的饰面层相继出现密集的交叉斜裂缝,点粘方式的斜裂缝较条粘方式的更密集;总侧移为8mm(二层层间位移为5.5mm),工况5(条粘法粘贴率为100%)的二层墙面沿填充墙对角线的饰面层产生交叉斜裂缝,此时,一层中间柱出现水平裂缝,水平裂缝分布在整个一层柱上,且位于柱的同一侧;随着荷载的不断增加,一层梁顶和梁底位置处饰面层产生较宽的水平裂缝,玻纤网拉断;位移为20mm时,工况2、4(点粘法、条粘法粘贴率均为70%)的饰面层与二层梁脱开,出现空鼓现象,工况6(条粘法粘贴率为100%)的墙面框架二层角部饰面层发生挤压破坏而脱落,如图7所示;位移为24mm时,填充墙和柱子脱开,拉结筋拉断,如图8所示;二层一个框架边柱和中柱柱顶产生剪切破坏,试件FQQK2最终破坏情况如图9所示。

图7 二层角部饰面层挤压破坏脱落

图8 填充墙与柱脱开

图9 试件FQQK2最终破坏形态

2.1.3 试件FQZK1

水平荷载作用下两边柱外侧首先产生水平裂缝,中柱未发现裂缝;随着荷载增加,两边柱全高自下而上不断产生新的水平裂缝,且裂缝贯通边柱全截面,同时粘贴在一层框架梁上的饰面层产生斜裂缝;总侧移为8mm,荷载为403.2kN时,一层中柱下部开始出现水平裂缝;位移为16mm时,粘贴率50%条粘饰面层沿二层填充墙对角线产生交叉斜裂缝;继续施加荷载,可观测到工况6、8(点粘法、条粘法粘贴率为50%)的饰面层二层梁位置处内部保温板均被挤裂;侧移为28mm,荷载为429.1kN时,工况4(点粘法粘贴率为20%)的二层填充墙与柱子脱开,拉结筋拉断,填充墙与梁界面处出现横向水平裂缝;位移达到36mm时,工况8(点粘法粘贴率为50%)的填充墙二层边柱和中柱柱顶发生剪切破坏,如图10所示;试件FQZK1最终破坏形态如图11所示。

图10 柱顶剪切破坏

图11 试件FQZK1最终破坏形态

2.1.4 试件FQZK2

试件FQZK2最初破坏形态同试件FQZK1,水平荷载作用下两边柱外侧首先产生水平裂缝,中柱未发现裂缝;随着荷载增加,两边柱外侧自下向上不断产生新的水平裂缝并贯通全柱,继续施加荷载,中柱也出现水平裂缝;继续施加荷载,工况1(条粘法70%粘贴率)的饰面层一层梁位置处产生交叉斜裂缝,裂缝比较密集,同时粘贴在二层梁上的保温板与梁脱开;侧移为14mm,荷载为402kN时,工况4(点粘法70%粘贴率)的二层填充墙与边柱脱开,拉结筋断裂;继续施加荷载,二层西侧边柱和中柱柱顶发生剪切破坏;粘贴在填充墙上的饰面层未发现裂缝。试件FQZK2的最终破坏形态如图12所示。

图12 试件FQZK2最终破坏形态

2.2 试件破坏特征分析

(1)水平荷载作用下,两种填充墙试件,无论粘贴率大小,最初都仅在框架边柱一侧产生水平裂缝,说明填充墙和饰面层改变了框架的受力机理,填充墙与框架共同工作,荷载比较小时,试件类似于剪力墙承受水平荷载;随着荷载增大,水平变形的增加,二层饰面层沿对角线产生斜裂缝,说明填充墙沿对角斜向受压,形成框架结构的斜撑。原因是随着荷载增大,填充墙与框架柱之间填充的不密实的砂浆破坏,填充墙与框架不再是一个完整的整体即组合剪力墙;试件FQQK1一层边柱节点发生破坏,试件FQQK2、FQZK1、FQZK2则发生二层柱顶部的剪切破坏,说明填充墙的斜撑效应与填充墙材料、保温饰面层粘贴率有关。砌体强度越高、粘贴率越大,斜撑效应作用越大。斜撑效应大小对结构的影响程度不同,试件FQQK1填充墙为加气混凝土砌体,砌体强度低且粘贴率小,斜撑效应小,框架柱的剪力大,且一层梁的剪力和弯矩均大于二层构件,一层梁柱节点核心区剪力大于顶层节点,水平荷载作用下一层边节点承载力不足发生破坏,试件FQQK2、FQZK1则由于填充墙斜向受压破坏,斜撑效应失效,框架柱的剪力将产生突变而发生剪切破坏。试件FQZK2填充墙为空心砖且粘贴率高,填充墙未破坏,但框架柱剪力大,也发生剪切破坏。另外由于试验未施加竖向荷载,框架柱受拉力作用,也会影响框架的破坏形式。

(2)所有工况条件下的试件在往复水平荷载作用下,首先粘贴在一层框架梁上的饰面层产生交叉斜裂缝,原因是饰面层连续地粘贴在上下层填充墙及框架梁上,水平荷载作用时,填充墙与框架产生不同的变形,饰面层受剪力作用发生破坏。框架位移达到一定值时,一层梁与上下填充墙界面处饰面层产生水平裂缝。当填充墙为加气混凝土砌块时,水平裂缝处玻纤网被拉断,原因是加气混凝土填充墙强度低与框架的相对变形大,此时粘贴率为20%,粘贴在一层梁的饰面层发生脱落。对于粘贴率不小于50%的加气混凝土砌块填充墙和各种粘贴率的空心砖砌块填充墙粘贴在一层梁上的饰面层,虽然破坏比较严重,而且粘贴率越高,裂缝越密集,但都未脱落;原因是当粘贴率大时,被斜裂缝分割的小块饰面层与梁还存在未局部脱离的结合面,所以粘贴率大的饰面层虽然裂缝较多,但空鼓现象轻。填充墙为空心砖砌体的试件,由于砌体强度高变形小,填充墙与框架的相对变形也就小,因此,虽然饰面层在一层梁与填充墙的界面处也产生了水平裂缝,但玻纤网未被拉断,从而保证一层梁的饰面层即使与梁脱离空鼓也未脱落。

(3)两种砌体填充墙的试件,无论粘贴率大小,最终粘贴在顶层梁和边柱上的饰面层均发生完全脱离甚至脱落,观察分析发现,产生饰面层与梁柱分离的原因不仅是填充墙与框架变形不一致,还与酚醛板强度比较低有关,因为饰面层与框架梁柱的脱离分界面并非在基层与粘结砂浆间,而是酚醛板本身发生破坏。粘贴在顶层梁及边柱上的饰面层,不同于粘贴在中柱和其他梁上的饰面层,其保温板及玻纤网上下左右不完全连续粘贴,玻纤网对防止饰面层掉落起到很大作用。

(4)由试验得到,水平荷载作用下,粘贴在填充墙上的饰面层沿对角线将产生斜裂缝,原因是饰面层与填充墙形成了框架的斜撑共同受力,饰面层所起作用的相对大小,与粘贴率及填充其砌体种类有关,如填充墙强度、粘贴率大,填充墙与粘贴砂浆层形成的刚度大,保温饰面层承担的力小,所以填充墙为空心砖砌体粘贴率为70%和100%的试件,饰面层未产生沿填充墙对角线的斜裂缝,也未发生角部受压破坏饰面层脱落现象。斜撑在梁柱节点处即填充墙角部因应力集中导致受压破坏,故饰面层也发生破坏而脱落。

(5)粘贴率70%以上、填充墙为加气混凝土砌块砌体以及空心砖砌体填充墙的试件,由于填充墙自身整体性好,类似一个刚体受力变形,从而造成填充墙与框架柱间的拉结筋拉断,地震时会引起填充墙倒塌。

(6)饰面层粘贴形式对饰面层破坏形态影响不大,粘贴率小的饰面层与梁柱更容易脱落。

(7)饰面层破坏主要发生在二层,分析原因是二层层间位移较一层大,填充墙与框架结构的变形差异大,玻纤网格布及抹面砂浆将单块保温板连成整体,整个饰面层粘贴在填充墙的有效面积较粘贴在梁柱上的有效面积大很多,不同变形必然造成饰面层与梁柱结合面产生较大剪应力,最终发生破坏脱离。

2.3 试件水平承载力及变形

试件承载力及极限侧移试验结果见表2。

表2 试件承载力、极限位移试验结果

由表2可知,填充墙为空心砖砌体的试件较填充墙为加气混凝土砌块的试件承载力大幅度提高,原因是不同砌体填充墙斜撑效应不同,空心砖砌体强度高,效应明显。对于加气混凝土砌块填充墙,粘贴率大承载力大高,而填充墙为空心砖砌体的试件,粘贴率大时极限承载力并未提高,这是由于加气混凝土砌块砌体强度低,饰面层对斜撑的贡献相对明显,而空心砖砌体填充墙强度高,对斜撑效应相对弱。粘贴率大极限变形大。另外斜撑效应也与填充墙砌筑质量有关。

3 结论

(1)酚醛板保温饰面层和填充墙与框架共同工作,共同承担水平地震作用,框架的受力机理发生改变,饰面层和填充墙形成框架的斜撑,最终框架结构发生框架柱剪切破坏或节点破坏。填充墙砌体强度高,框架承载力高。

(2)地震作用时,填充墙与框架产生不同变形,饰面层与基层间产生剪应力,由于酚醛板强度低,酚醛板发生破坏与基层脱离,保温饰面层与基础脱离现象主要发生在框架梁柱表面。粘贴在顶层梁及边柱上的饰面层以及填充墙为加气混凝土砌块砌体且粘贴率为20%粘贴在其他各层梁上的饰面层,地震作用时将会脱落,其余构件上饰面层虽然已与基层脱离但未脱落。

(3)填充墙为加气混凝土砌块砌体时,保温饰面层与填充墙作为框架的斜撑斜向受压,层间位移较大的楼层填充墙角部砌体受压破坏,饰面层空鼓脱落。粘贴形式对饰面层的破坏程度影响不大,粘贴率越小破坏程度越严重。