增強(qiáng)型復(fù)合外模板保溫系統(tǒng)抗震性能試驗(yàn)研究

周學(xué)軍，魏方帥，李明洋，王周泰，王振

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

0 引言

為實(shí)現(xiàn)建筑物良好的保溫隔熱性能，工程中通常的做法是對(duì)外墻外保溫［1］，但近年來(lái)的工程實(shí)踐表明，外墻外保溫常出現(xiàn)保溫層失火、剝落、空鼓、開(kāi)裂、滲漏等缺陷。為解決上述問(wèn)題，工程中提出了保溫結(jié)構(gòu)一體化施工的新理念，免拆保溫模板系統(tǒng)是近年來(lái)工程領(lǐng)域新開(kāi)發(fā)的集保溫材料和模板一體的復(fù)合保溫系統(tǒng)，既可避免外保溫的許多弊病，又可減少模板的消耗［2］。由此系統(tǒng)在墻體澆筑的同時(shí)又完成了保溫層的施工，實(shí)現(xiàn)了建筑現(xiàn)澆混凝土外墻與保溫層的一體化施工，集保溫、承重于一體化［3］，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化了施工工序，施工工期與傳統(tǒng)工藝比較可縮短20%～30%；同時(shí)，其工藝質(zhì)量與傳統(tǒng)工藝相比較，避免了墻體保溫層、裝飾層的開(kāi)裂、空鼓、滲漏等質(zhì)量通病的發(fā)生，從而大大降低了后期維護(hù)費(fèi)用［4］，節(jié)能、結(jié)構(gòu)同壽命［5］；可廣泛應(yīng)用于混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等建筑中，達(dá)到同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步驗(yàn)收的效果［6］。

為增強(qiáng)復(fù)合外模板保溫外模板與基層混凝土墻體、復(fù)合外模板與找平漿料層之間在地震作用下的粘結(jié)性能，提出了一種增強(qiáng)型復(fù)合外模板現(xiàn)澆混凝土保溫系統(tǒng)。開(kāi)展地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是真實(shí)反映復(fù)合外模板與基層混凝土墻體、復(fù)合外模板與飾面找平漿料層之間在地震作用下的粘結(jié)性能的重要途徑。文章基于地震工程學(xué)原理，按照有無(wú)預(yù)制鋼絲網(wǎng)架加強(qiáng)層，設(shè)計(jì)制作了2組復(fù)合外模板現(xiàn)澆混凝土保溫系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)模型按16種工況輸入2組天然地震波和1組人工波，測(cè)定試件的動(dòng)力響應(yīng)并考察外保溫模板層、飾面找平漿料層的裂縫開(kāi)展情況，對(duì)比分析2組試件的抗震性能，研究增強(qiáng)型復(fù)合外模板現(xiàn)澆混凝土保溫系統(tǒng)抗震性能是否更具優(yōu)勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 材料構(gòu)造與模型設(shè)計(jì)

研究的復(fù)合外模板現(xiàn)澆混凝土保溫系統(tǒng)其構(gòu)造如圖1所示。圖1（a）為增強(qiáng)型復(fù)合外模板現(xiàn)澆混凝土保溫系統(tǒng)，復(fù)合外模板作為免拆外模板層，與25mm找平漿料及加強(qiáng)連接件于工廠完成制作，模板層與預(yù)制加強(qiáng)托網(wǎng)通過(guò)連接件于安裝施工現(xiàn)場(chǎng)連接在一起；連接件≥5個(gè)／m2，均勻布置。圖1（b）為普通型復(fù)合外模板現(xiàn)澆混凝土保溫系統(tǒng)，除無(wú)鋼絲網(wǎng)架加強(qiáng)層和加強(qiáng)連接件外，其他構(gòu)造與增強(qiáng)型系統(tǒng)相同。

圖1 復(fù)合外模板構(gòu)造圖

預(yù)制復(fù)合外模板與找平漿料層之間、復(fù)合外模板與基層混凝土之間的粘結(jié)性能以及在水平荷載作用下能否開(kāi)裂是該復(fù)合保溫系統(tǒng)推廣的關(guān)鍵。為此，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了 1∶1模型的足尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)［7-11］，以更直觀地研究其抗震性能。

為了真實(shí)反映此體系在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，重點(diǎn)考察復(fù)合外模板保溫系統(tǒng)的抗震性能，要確保在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中基層混凝土墻體不破壞。為防止一字形墻體的平面外破壞，故將基層混凝土墻體設(shè)計(jì)為T(mén)形。

由于在地震作用下，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件所受到的水平地震作用與結(jié)構(gòu)的等效重力荷載有關(guān)。按照抗震設(shè)防烈度為8度，高度≤100 m的普通混凝土建筑為適用范圍來(lái)進(jìn)行試件設(shè)計(jì)，考慮到在實(shí)際地震過(guò)程中建筑物頂層位移最大，即頂層墻體的外保溫系統(tǒng)在地震作用下更容易開(kāi)裂或與墻體結(jié)構(gòu)脫離，因此以配重的方式模擬構(gòu)件在100 m高度處所承受的水平地震作用，配重方式為在試件頂部附加質(zhì)量塊；加設(shè)質(zhì)量塊的主要目的是使構(gòu)件在地震作用下產(chǎn)生相應(yīng)的水平地震力，因此附加質(zhì)量塊只在混凝土墻體范圍內(nèi)加設(shè)。

試件底座尺寸為1.4 m×1.4 m×0.3 m；T型主墻體尺寸為1.2 m×1.5 m×0.3 m，為使 T型截面形心與其質(zhì)心重合，T型短肢輔助墻為0.6 m×1.5 m×0.3 m；附加質(zhì)量塊尺寸的確定如下：

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［12］，結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值由式（1）表示為

式中：FEk為結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN；α為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值；Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，kN。

頂層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值由式（2）表示為

式中：Fi為第i層樓的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Gi、Gj分別為集中于第i、j層樓的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Hi、Hj分別為樓層 i、j的計(jì)算高度，m。

根據(jù)試件與100 m高度建筑所受水平地震作用相等原則，由Fi＝ma（m為試件總質(zhì)量，kg；a為試件在地震作用下的加速度，m／s2），逆推試件的總質(zhì)量，得到在100 m高度時(shí)，該層的等效質(zhì)量為4.8 t；因此試件頂部附加質(zhì)量塊尺寸為1.2 m×0.9 m×0.5 m。整個(gè)模型總高度為2.3 m（含底座高度），模型質(zhì)量、底座質(zhì)量以及總質(zhì)量分別為 3.4、1.47、4.87 t，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30［13］。試件模型如圖 2所示。

圖2 試件構(gòu)造與保溫體系構(gòu)造圖

試件數(shù)量為6個(gè)，其中有增強(qiáng)型復(fù)合外模板保溫系統(tǒng)與普通型復(fù)合外模板保溫系統(tǒng)，編號(hào)為增強(qiáng)1～增強(qiáng)3與普型-1～普型-3。

1.2 地震波選擇

根據(jù)文獻(xiàn)［14-15］和 GB 50011—2010，試驗(yàn)采用3個(gè)地震波作為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面激勵(lì)，選用El-Centro波、Kobe波和人工波（rgb）3種地震波。在試驗(yàn)工況中同時(shí)輸入x、y方向El-Centro波和Kobe波，人工波按x向輸入。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中采用加速度傳感器測(cè)量模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)對(duì)測(cè)得的加速度時(shí)程進(jìn)行二次積分，得到位移時(shí)程。加速度計(jì)主要布置在結(jié)構(gòu)反應(yīng)最大部位，加速度計(jì)的方向有x、y 2個(gè)方向，x方向?yàn)樵嚰﹂L(zhǎng)方向（墻體平面內(nèi)），y方向?yàn)榇怪眽γ娣较颍▔w平面外）。試驗(yàn)加速度計(jì)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。圖中rx、ry分別為基礎(chǔ)底座頂面在x、y方向的加速度計(jì)，x1～x8、y1～y8分別為模型上的 x、y方向的加速度計(jì)，總共18個(gè)加速度計(jì)。

1.4 試驗(yàn)工況

根據(jù)GB 50011—2010要求，x、y向地震動(dòng)加速度峰值按照1∶0.85進(jìn)行輸入。模型的主振方向?yàn)閤向，取實(shí)際地震的水平方向中峰值較大的一向分量作為x向臺(tái)面輸入波［16］。試驗(yàn)選用的峰值加速度分別為 0.1g、0.2g、0.3g、0.4g，基本涵蓋了規(guī)范規(guī)定的小震、中震和大震時(shí)程分析時(shí)的加速度峰值。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

圖3 加速度計(jì)測(cè)點(diǎn)位置布置圖

表1 建筑保溫與結(jié)構(gòu)一體化振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)工況表

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)時(shí)安裝在振動(dòng)臺(tái)上的試件模型如圖4所示。

圖4 試件模型圖

2.1 普通型試驗(yàn)現(xiàn)象

（1）PGA≤0.2g（工況1～8）時(shí)模型情況

①普型-1試件整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度小，模型結(jié)構(gòu)其他反應(yīng)亦不明顯，外保溫模板一側(cè)初始裂縫略微擴(kuò)展，另除初始裂縫外，未見(jiàn)新裂縫產(chǎn)生和脫離墻體現(xiàn)象，此級(jí)別地震作用下結(jié)構(gòu)整體完好，未見(jiàn)明顯破壞現(xiàn)象；②普型-2試件初始裂縫與普型-1試件基本相同，在輸入0.2g EL-Centro波結(jié)束后，外保溫模板初始裂縫增寬，由不明顯增至1.5 mm。

（2）PGA＝0.3g（工況9～12）時(shí)模型情況

①普型-1試件模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度較大，整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)劇烈。在0.3g EL-Centro波輸入結(jié)束后，保溫板上方外側(cè)出現(xiàn)數(shù)條長(zhǎng)度約為3 cm的豎向裂縫，并在試件西側(cè)下方出現(xiàn)外保溫模板與找平漿料層的脫離裂縫，裂縫長(zhǎng)度約從底部延伸至高度1／3處，裂縫寬度為 2.5 mm，如圖 5（a）所示；② 普型-2試件模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度較大，整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)劇烈。在0.3g EL-Centro波輸入結(jié)束后，保溫板頂部與墻體的連接處出現(xiàn)整體脫離裂縫，如圖6（a）所示，并在外模板面東側(cè)邊緣處，出現(xiàn)數(shù)條長(zhǎng)度約為7 cm的橫向裂縫；而在輸入0.3g人工波后，在試件西側(cè)上方初始裂縫下面的外模板與墻體連接處，出現(xiàn)明顯的錯(cuò)動(dòng)裂縫，即外模板與墻體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，裂縫長(zhǎng)度約為10 cm，如圖7（a）所示。

（3）PGA＝0.4g（工況13～16）時(shí)模型情況

①普型-1試件模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出響聲。地震波輸入結(jié)束后，除已產(chǎn)生的裂縫有所擴(kuò)展外，保溫板頂部與墻體連接處出現(xiàn)整體脫離裂縫，且試件西側(cè)下方保溫板的脫離裂縫明顯擴(kuò)展；②普型-2試件地震波輸入結(jié)束后，在0.4g ELCentro波和Kobe波輸入結(jié)束后，試件西側(cè)上方的初始裂縫有明顯擴(kuò)展，寬度增至2 mm，由原來(lái)的豎向裂縫延伸至出現(xiàn)保溫板頂部厚度方向約3 cm的橫向裂縫，此為脫離現(xiàn)象；0.3g出現(xiàn)的邊緣裂縫開(kāi)展，并出現(xiàn)類(lèi)似新裂縫；0.3g出現(xiàn)的保溫板頂部與墻體的脫離裂縫明顯增大。

在地震波輸入過(guò)程中，普型-3模型試件試驗(yàn)現(xiàn)象與前2個(gè)試件大致相同，未出現(xiàn)新的裂縫和脫離現(xiàn)象。

2.2 增強(qiáng)型試驗(yàn)現(xiàn)象

（1）PGA≤0.2g（工況1～8）時(shí)模型情況

增強(qiáng)型-1試件模體結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度小，模型結(jié)構(gòu)其他反應(yīng)亦不明顯，試件未見(jiàn)新裂縫及初始裂縫開(kāi)展，級(jí)別地震作用下，外保溫模板整體完好。

（2）PGA＝0.3g（工況9～12）時(shí)模型情況

增強(qiáng)-1試件模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度有所增大，但整體未見(jiàn)其他明顯現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)不劇烈。地震波輸入結(jié)束后，除保溫板外側(cè)抹灰出現(xiàn)裂縫外，未脫離，帶有預(yù)制托網(wǎng)和加強(qiáng)連接件的找平漿料層與外模板未出現(xiàn)裂縫，抗震穩(wěn)定性較好，如圖5（b）所示，且外模板與墻體未出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)裂縫與滑動(dòng)，如圖6（b）所示。

（3）PGA＝0.4g（工況13～16）時(shí)模型情況

增強(qiáng)-1試件模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出輕微響聲。輸入0.4g EL-Centro波結(jié)束后，保溫板西側(cè)邊緣處出現(xiàn)數(shù)條長(zhǎng)度約為5 cm的橫向裂縫；輸入0.4g人工波結(jié)束后，保溫板頂部與墻體連接處出現(xiàn)輕微裂縫，但裂縫不明顯且范圍小，結(jié)構(gòu)仍保持為一整體，未發(fā)生任何表面脫落現(xiàn)象，如圖7（b）所示。

增強(qiáng)-1與增強(qiáng)-2試件在所有地震波輸入完成后，2個(gè)試件具有類(lèi)似增強(qiáng)-1試件的裂縫現(xiàn)象，裂縫不明顯，且未出現(xiàn)明顯其他裂縫和脫離現(xiàn)象。

圖5 外模板與找平漿料層的粘結(jié)情況圖

圖6 外模板頂部與墻體的連接情況圖

圖7 外模板側(cè)面與墻體的連接情況圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)相對(duì)位移

通過(guò)對(duì)墻體側(cè)表面和保溫層側(cè)表面的最大相對(duì)位移的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析考察不同強(qiáng)度地震下試件的破壞情況。

在地震作用下，墻體側(cè)表面和保溫層側(cè)表面的位移時(shí)程差值可在一定程度上衡量保溫層與剪力墻在振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中的整體連接牢靠性，其相對(duì)位移越小，說(shuō)明保溫層和基層混凝土墻體的整體粘結(jié)性能越好，反之，其整體粘結(jié)性能越差。因在地震波輸入過(guò)程中，進(jìn)行EL-Centro波輸入時(shí)，模型振動(dòng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較劇烈，試驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且EL-Centro波能量較大，因此僅對(duì)工況 2、6、10、14的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在不同峰值加速度的x、y方向EL-Centro波作用下，各試件的兩側(cè)表面x、y向的最大相對(duì)位移，見(jiàn)表 2、3。

表2 各試件兩側(cè)表面x向最大相對(duì)位移表／mm

表3 各試件兩側(cè)表面y向最大相對(duì)位移表／mm

如圖8所示，可更為直觀的看出增強(qiáng)型模型和普通型模型的外保溫模板的抗震性能，增強(qiáng)型是否更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由圖8可以看出，在不同強(qiáng)度的地震波作用下，增強(qiáng)型模型的墻體兩側(cè)表面x、y向最大相對(duì)位移均小于普通型模型，同時(shí)可以看出，對(duì)普通型試件，在0.3g地震波輸入后，相對(duì)位移變化開(kāi)始增大。說(shuō)明增強(qiáng)型試件中鋼絲網(wǎng)架加強(qiáng)層可有效減小墻體兩側(cè)在地震作用下的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)與脫離，試件中預(yù)制托網(wǎng)對(duì)防止外保溫板與墻體脫離更為有效。

就試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，在0.2g地震波作用下，普通型試件和增強(qiáng)型試件都無(wú)明顯現(xiàn)象；在0.3g地震波作用下普通型試件外模板與飾面找平漿料層開(kāi)始出現(xiàn)脫離裂縫與開(kāi)裂，增強(qiáng)型試件未見(jiàn)明顯現(xiàn)象；在0.4g地震波作用下，普通型試件裂縫開(kāi)展嚴(yán)重并出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，增強(qiáng)型試件除出現(xiàn)輕微裂縫外，未見(jiàn)明顯脫落現(xiàn)象，外模板與墻體的連接保持良好。

通過(guò)位移數(shù)據(jù)和試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比，普通型系統(tǒng)在設(shè)防烈度＜8度（0.3g）時(shí)使用較好，增強(qiáng)型試件在地震作用下整體牢靠，相比普通型試件抗震性能更好，可適用于高度為100 m的墻體。

圖8 增強(qiáng)型相對(duì)位移與普通型相對(duì)位移對(duì)比圖

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知：

（1）增強(qiáng)型系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中整體連接牢固可靠，未發(fā)生明顯損傷，預(yù)制外模板與基層混凝土墻體、復(fù)合外模板與飾面找平漿料層之間在地震作用下的相對(duì)位移較小，增強(qiáng)型試件中鋼絲網(wǎng)架加強(qiáng)層可有效減小墻體兩側(cè)在地震作用下的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)與脫離。增強(qiáng)型系統(tǒng)粘結(jié)性能良好，抗震性能優(yōu)于普通型系統(tǒng)。

（2）在0.4g地震波作用下，帶有預(yù)制托網(wǎng)與加強(qiáng)連接件的增強(qiáng)型系統(tǒng)未發(fā)生明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，外模板與墻體的連接保持良好，可適用于地震動(dòng)峰值加速度PGA≤0.4g地區(qū)；而在0.3g地震波作用下非加強(qiáng)型系統(tǒng)裂縫開(kāi)展嚴(yán)重并出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，可用于PGA≤0.3g地區(qū)，其適用高度不超過(guò)100 m。

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