蔣歡軍，王 勇

（1.同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點試驗室，上海 200092；2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海 200092）

引言

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）［1］，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和支承于建筑結(jié)構(gòu)的附屬機電設(shè)備。根據(jù)FEMA E-74［2］，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件、附屬機電設(shè)備和建筑內(nèi)部家具的總稱。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件是實現(xiàn)建筑功能的重要組成部分，對保持建筑的整體抗震性能和震后使用功能起到非常重要的作用。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為非承力構(gòu)件依附于結(jié)構(gòu)上，但仍可能會受到較大的地震作用，因此需要依靠自身的結(jié)構(gòu)特點來抵抗這些地震作用。近年發(fā)生的地震顯現(xiàn)出一個新的震害特征，即雖然震后主體結(jié)構(gòu)的地震損傷較小，能夠完成預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)，但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震破壞十分嚴(yán)重，且往往先于主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［3］。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞會降低建筑結(jié)構(gòu)的性能水平，嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的震后恢復(fù)［4-6］。依據(jù)Taghavi等［7］的統(tǒng)計研究，辦公樓、賓館和醫(yī)院中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資占比分別高達82%、87%和92%?？梢姺墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資遠遠超過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的投資，因而非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞造成的經(jīng)濟損失往往會超過結(jié)構(gòu)的損失，常常導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失，也給人員安全帶來非常大的風(fēng)險。這與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件巨大的投資和其抗震能力嚴(yán)重不足有關(guān)。

吊頂系統(tǒng)是建筑中一類重要的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，作為建筑室內(nèi)的頂部裝修，具有保溫、隔聲的作用，也是電氣、通風(fēng)、通信和消防管線設(shè)備等工程的隱蔽層。吊頂是近年震害比較突出的一類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于其抗震能力不足，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時，吊頂極易發(fā)生破壞。

文中首先介紹了我國公共建筑中常見的雙層龍骨明架礦棉板吊頂系統(tǒng)的組成，其次總結(jié)了礦棉板吊頂常見的破壞模式并分析其破壞原因，最后從試驗研究、數(shù)值模擬和易損性研究3方面系統(tǒng)梳理了吊頂系統(tǒng)抗震研究的最新進展。

1 我國公共建筑中常見的礦棉板吊頂系統(tǒng)

1.1 礦棉板吊頂?shù)幕緲?gòu)成

在我國公共建筑中，礦棉板吊頂因具有裝飾美觀和便于拆卸檢修等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用，其中雙層龍骨明架礦棉板吊頂尤為常見，該類吊頂由承力構(gòu)件、龍骨骨架、礦棉板和配件等組成［8］，如圖1所示。吊桿是懸吊龍骨骨架及礦棉板的承力構(gòu)件。龍骨骨架包括承載龍骨、主龍骨、次龍骨、橫撐龍骨和邊龍骨。承載龍骨和主龍骨是龍骨骨架中主要受力構(gòu)件，次龍骨是龍骨骨架中連接主龍骨及固定礦棉板的構(gòu)件，橫撐龍骨是龍骨骨架中起橫撐及固定礦棉板的構(gòu)件，邊龍骨是龍骨骨架中與墻相連的構(gòu)件。礦棉板放置在龍骨形成的網(wǎng)格中。吊件用于連接吊桿和承載龍骨，掛件用于連接承載龍骨和主龍骨。主龍骨拼接點通過其端部的插片與插口機械卡扣連接。主次龍骨節(jié)點通過次龍骨端部與主龍骨插孔機械卡扣連接。次-橫撐龍骨節(jié)點通過橫撐龍骨端部與次龍骨插孔機械卡扣連接，構(gòu)造形式與主次龍骨節(jié)點一致。盡管J502-2-2012圖集［9］推薦在吊頂邊界使用抗震夾以約束端部龍骨的自由端，然而在實際工程中大多數(shù)吊頂端部龍骨的自由端一般擱置在邊龍骨上，未采取任何固定措施，因此邊龍骨對龍骨骨架只提供豎向支撐。

圖1 我國公共建筑中常見的雙層龍骨明架礦棉板吊頂系統(tǒng)組成Fig.1 Constitution of double-layer exposed suspended ceiling system with mineral wool boards commonly used in public buildings in China

目前，公共場所中2類吊頂應(yīng)用最為普遍：石膏板吊頂和礦棉板吊頂。2類吊頂最主要的區(qū)別是吊頂面板的連接方式不同。石膏板吊頂中石膏板用自攻螺釘固定在龍骨下，而礦棉板吊頂中礦棉板直接擱置在龍骨網(wǎng)格中。石膏板吊頂?shù)牡湫痛硎侨帐降蹴?，礦棉板吊頂?shù)牡湫痛硎敲朗降蹴?。?對比了我國常見的雙層龍骨明架礦棉板吊頂、美式吊頂與日式吊頂構(gòu)造方面的差異。雙層龍骨明架礦棉板吊頂整體上借鑒了美式吊頂?shù)臉邮?，兩者的龍骨體系基本一致，但兩者在懸吊豎向構(gòu)件、邊界條件類型和水平構(gòu)件布置層數(shù)等方面不同。雙層龍骨明架礦棉板吊頂與日式吊頂最明顯的區(qū)別是：（1）雙層龍骨明架礦棉板吊頂?shù)乃闹芪磁c墻體斷開，而日式吊頂?shù)乃闹芘c墻面斷開；（2）雙層龍骨明架礦棉板吊頂?shù)牡V棉板自由擱置在龍骨網(wǎng)格中，未與龍骨通過螺釘固定，而日式吊頂中石膏板用螺釘與龍骨固定；（3）雙層龍骨明架礦棉板吊頂只有在一定條件才設(shè)置支撐，但日式吊頂要求全部采用支撐；（4）盡管兩者水平構(gòu)件都為雙層布置，但龍骨體系中所使用的構(gòu)件類別和連接方式差異明顯。

表1 雙層龍骨明架礦棉板吊頂、美式吊頂與日式吊頂構(gòu)造措施對比Table 1 Comparison of construction measures among the double-layer exposed suspended ceiling system with mineral wool boards，American ceiling and Japanese ceiling

1.2 礦棉板吊頂常見的破壞模式及原因分析

礦棉板吊頂主要屬于加速度敏感型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其破壞主要受慣性力控制。綜合礦棉板吊頂?shù)恼鸷η闆r和振動臺試驗結(jié)果［14-20］，列出了礦棉板吊頂常見的破壞模式，并對其破壞原因進行了分析。

（1）龍骨節(jié)點的破壞。龍骨節(jié)點的破壞是礦棉板吊頂破壞的主要原因之一。與龍骨構(gòu)件相比，龍骨節(jié)點的承載力更低，在地震作用下會先于龍骨構(gòu)件發(fā)生破壞，常見的破壞形式包括自由型邊節(jié)點的脫落、固定型邊節(jié)點的破壞、主次龍骨節(jié)點的屈曲和主次龍骨節(jié)點的拉出破壞等。自由型邊節(jié)點的脫落常發(fā)生在端部龍骨與邊龍骨缺乏可靠連接的吊頂中，例如在中國常見的礦棉板吊頂中，其端部龍骨的自由端大多擱置在邊龍骨上，形成了自由型邊節(jié)點，在地震作用下若邊節(jié)點相對于主體結(jié)構(gòu)的正向位移（背離主體結(jié)構(gòu)的方向）大于端部龍骨在邊龍骨上的擱置長度，邊節(jié)點就會發(fā)生脫落，如圖2（a）所示［18］。固定型邊節(jié)點的破壞常發(fā)生在端部龍骨與邊龍骨固定的吊頂中，例如在新西蘭常見的礦棉板吊頂中，通常采用鉚釘將端部龍骨與邊龍骨固定，形成固定型邊節(jié)點，在地震作用下吊頂平面內(nèi)的水平慣性力會在固定型邊節(jié)點處累積，當(dāng)慣性力產(chǎn)生的邊節(jié)點內(nèi)力大于邊節(jié)點的承載力時，邊節(jié)點就會發(fā)生破壞，如圖2（b）所示［19］。主次龍骨節(jié)點的抗壓承載力遠低于其抗拉承載力，在軸向壓力及剪力的共同作用下，節(jié)點容易發(fā)生受壓屈曲，如圖2（c）所示［18］。當(dāng)作用于主次龍骨節(jié)點的軸向拉力超過節(jié)點的抗拉強度時，節(jié)點會發(fā)生拉出破壞，如圖2（d）所示［18］。

（2）龍骨構(gòu)件的破壞。龍骨構(gòu)件常見的破壞形式包括龍骨的屈曲和龍骨的墜落等。當(dāng)龍骨與邊界發(fā)生猛烈的碰撞時，過大的軸向壓力會導(dǎo)致龍骨的受壓屈曲，如圖2（e）所示［19］。主龍骨、次龍骨和橫撐龍骨的墜落與龍骨節(jié)點的破壞有關(guān)，如圖2（f）所示［18］。邊龍骨可能由于與墻面固定不牢而發(fā)生墜落，也可能由于墻面本身的破壞導(dǎo)致其發(fā)生墜落，如圖2（g）所示［14］。

（3）礦棉板的錯位和墜落。在較大的豎向地震作用下，礦棉板相對龍骨網(wǎng)格會發(fā)生躍起運動，當(dāng)?shù)V棉板的躍起高度超過龍骨網(wǎng)格高度并回落時，在水平地震作用下礦棉板可能發(fā)生錯位。另外，礦棉板也會由于周邊龍骨節(jié)點的破壞導(dǎo)致其失去豎向支撐而發(fā)生墜落，如圖2（f）所示［18］。

（4）與其余非結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互作用導(dǎo)致的破壞。例如消防噴頭與礦棉板發(fā)生碰撞導(dǎo)致礦棉板撕裂，原因是大多數(shù)消防噴頭與剛性落水管連接，在地震作用下與剛性落水管連接的消防噴頭相對礦棉板的位移反應(yīng)較小，兩者之間會發(fā)生持續(xù)碰撞，該碰撞作用使得彈性模量較小的礦棉板出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，如圖2（h）所示［20］。若位于吊頂隱蔽層中的通風(fēng)管道和空調(diào)系統(tǒng)等機電設(shè)備與吊頂?shù)拈g距過小，質(zhì)量更大的機電設(shè)備與質(zhì)量更小的吊頂發(fā)生碰撞會導(dǎo)致吊頂?shù)木植科茐?，如圖2（i）所示［19］。

圖2 地震中礦棉板吊頂常見的破壞模式Fig.2 Common failure modes of suspended ceiling system with mineral wool boards during earthquakes

2 試驗研究

由于吊頂構(gòu)造復(fù)雜、受力行為高度非線性等原因，各國學(xué)者主要采用試驗手段對其抗震性能進行研究，一般采用靜力試驗和振動臺試驗2類試驗。

2.1 靜力試驗

靜力試驗分為單調(diào)加載試驗和低周往復(fù)加載試驗2種。針對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的低周往復(fù)加載試驗，研究者大多采用FEMA 461推薦的加載方案。下面按構(gòu)件試驗、節(jié)點試驗和吊頂整體試驗3種類型對吊頂靜力試驗的研究進展進行介紹。

2.1.1 構(gòu)件試驗

吊頂構(gòu)件試驗對象包括龍骨構(gòu)件、礦棉板和吊桿（或吊線）等。到目前為止，吊頂構(gòu)件的試驗研究仍十分有限。Paganotti等［21］采用單調(diào)加載試驗研究了龍骨的破壞模式。結(jié)果表明，在拉力作用下龍骨截面薄弱處會發(fā)生撕裂破壞，在壓力作用下龍骨截面薄弱處會發(fā)生局部屈曲。Soroushian等［22］對吊線開展了單調(diào)拉伸試驗。結(jié)果表明，吊線在拉伸作用下產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，發(fā)生脆性斷裂破壞，吊線的抗拉承載力可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。Chhat等［23］對螺紋吊桿進行了低周往復(fù)受彎試驗。結(jié)果表明，隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，吊桿的強度逐漸降低直至斷裂破壞。

2.1.2 節(jié)點試驗

吊頂節(jié)點的試驗對象主要包括主龍骨拼接點、主次龍骨節(jié)點和邊節(jié)點等。這些節(jié)點被視為吊頂中最關(guān)鍵的部件，其抗震性能的好壞直接影響了吊頂整體的抗震能力，有必要對其開展試驗研究。

Paganotti等［21］和Dhakal等［24］對吊頂主龍骨拼接點、主次龍骨節(jié)點和帶鉚釘?shù)倪吂?jié)點進行了單調(diào)加載試驗，總結(jié)了不同節(jié)點的破壞模式和極限承載力。結(jié)果表明，在單調(diào)拉伸試驗中主龍骨拼接點和主次龍骨節(jié)點的破壞集中于龍骨接頭處，邊節(jié)點的破壞形式表現(xiàn)為鉚釘連接孔的擴大和撕裂；在單調(diào)壓縮試驗中主龍骨拼接點和主次龍骨節(jié)點的破壞形式表現(xiàn)為節(jié)點壓屈；在受剪試驗中主次龍骨節(jié)點的破壞形式表現(xiàn)為節(jié)點剪切破壞。主龍骨拼接點的受壓承載力高于受拉承載力，主次龍骨節(jié)點受壓比受拉時的承載力更低，2個鉚釘比1個鉚釘構(gòu)造的邊節(jié)點的承載力更大。

Pourali［25］通過單調(diào)加載試驗考察了抗震夾對主次龍骨節(jié)點抗震性能的影響。結(jié)果表明，抗震夾提高了節(jié)點的承載力、殘余強度和延性。Takhirov等［26］通過單調(diào)加載和低周往復(fù)加載試驗研究了邊節(jié)點的構(gòu)造類型對其抗震性能的影響，結(jié)果表明，與規(guī)范推薦的邊節(jié)點相比，該研究建議的帶2個螺釘?shù)目拐饖A邊節(jié)點承載力更大、耗能性能更好。Soroushian等［27］在Takhirov等［26］的基礎(chǔ)上通過單調(diào)加載和低周往復(fù)加載試驗進一步對帶鉚釘?shù)倪吂?jié)點、未帶螺釘?shù)目拐饖A的邊節(jié)點和帶1個螺釘?shù)目拐饖A的邊節(jié)點進行了系統(tǒng)研究，對比了3種邊節(jié)點的破壞機理、荷載-位移響應(yīng)、滯回性能和耗能能力，證明了含2個螺釘且與墻面固定的抗震夾邊節(jié)點的抗震性能最優(yōu)。同時，Soroushian等［22，28］也通過一系列單調(diào)加載和低周往復(fù)加載試驗研究了主次龍骨節(jié)點的軸向受力性能、受剪性能和受彎性能，總結(jié)了不同節(jié)點在不同模式的荷載作用下的破壞機制、承載能力和滯回性能，豐富了Paganotti等［21］和Dhakal等［24］的試驗數(shù)據(jù)。此外，Soroushian等［22］通過礦棉板的剪切試驗研究了礦棉板與消防噴頭之間的相互作用。

2.1.3 吊頂整體試驗

Gilani等［29］提出了一種靜力加載方案以研究主龍骨的抗壓強度和剛度。研究表明，主龍骨并非吊頂系統(tǒng)中抵抗水平作用最薄弱的部件。針對加固吊頂?shù)睦щy，Nakaso等［30］提出了一種新型加強索，吊頂靜力試驗表明在吊頂中安裝該加強索能夠提高吊頂?shù)目箓?cè)剛度，降低吊頂?shù)奈灰祈憫?yīng)。Brandolese等［31］對帶有支撐的吊頂進行了靜力試驗，分析了吊頂?shù)钠茐臋C制、受力和變形性能。研究表明，盡管支撐桿的屈曲降低了吊頂?shù)男阅?，但該體系表現(xiàn)出了良好的變形能力。

綜合上述研究，各國學(xué)者對吊頂構(gòu)件、節(jié)點和吊頂整體進行了不同的靜力試驗，得出了一些有價值的結(jié)論，為吊頂?shù)囊讚p性研究和數(shù)值建模提供了試驗支撐，但仍然存在一些問題和不足。例如，目前尚無統(tǒng)一的試驗標(biāo)準(zhǔn)用于試驗研究。各國學(xué)者采用的試件來自不同的生產(chǎn)公司，其細部構(gòu)造千差萬別，研究結(jié)果的通用性較差。

2.2 振動臺試驗

模擬地震振動臺試驗是最直接的研究吊頂抗震性能的方法。吊頂?shù)恼駝优_試驗一般采用足尺模型。鋼平臺常作為載體用以懸掛吊頂，并為吊頂提供符合實際的邊界條件。

2.2.1 加載制度

在吊頂?shù)恼駝优_試驗中，研究者根據(jù)不同的研究目的和需求選擇不同的加載制度，加載制度主要包括天然地震動輸入和人工波輸入2類，其中人工波主要有正弦波、樓面波、依據(jù)規(guī)范設(shè)計譜及樓面需求譜擬合的人工波。正弦波一般在研究不同參數(shù)的影響和吊頂?shù)钠茐臋C制時使用。一些學(xué)者基于數(shù)值模型計算出樓面波用于振動臺試驗輸入，一些學(xué)者采用基于規(guī)范設(shè)計譜的擬合波，大部分學(xué)者基于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的振動臺試驗標(biāo)準(zhǔn)AC156［32］規(guī)定的樓面需求譜生成合適的人工波，這使得不同振動臺試驗的結(jié)果具有可比性。大多學(xué)者會輸入多種類型的地震波對吊頂?shù)目拐鹦阅苓M行研究。

2.2.2 試驗成果

各國學(xué)者以振動臺試驗為手段對吊頂?shù)目拐鹦阅荛_展了大量研究，取得了豐碩的成果。下面對試驗成果進行梳理和總結(jié)。

2000年之前關(guān)于吊頂?shù)恼駝优_試驗非常有限。ANCO Engineers公司［33］首次通過振動臺試驗研究了斜吊線、受壓桿和帶鉚釘?shù)倪吂?jié)點等構(gòu)造措施對吊頂抗震性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，受壓桿無法減輕吊頂?shù)牡卣饟p傷，帶鉚釘?shù)倪吂?jié)點較斜吊線的抗震措施更有利于減小吊頂?shù)牡卣痦憫?yīng)。此后，ANCO Engineers公司［34］對平面尺寸為4.3 m×7.3 m的吊頂在實際地震動激勵下進行了一系列振動臺試驗研究。結(jié)果表明，試驗的吊頂可以滿足規(guī)范對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能要求。Rihal等［35］對輸入簡諧激勵的吊頂進行了抗震性能評估。結(jié)果表明，受壓桿可減小吊頂?shù)呢Q向振動，斜吊線可降低吊頂?shù)牡卣痦憫?yīng)。Yao［36］對吊頂進行了振動臺試驗。結(jié)果表明，斜吊線不能提高吊頂?shù)目拐鹦阅?，吊頂邊緣設(shè)置吊線和邊節(jié)點中使用鉚釘可提高吊頂抗震性能。綜上分析，不同學(xué)者對于斜吊線和受壓桿的作用得出了不同的結(jié)論，該結(jié)論的不同主要與吊頂類型和輸入激勵等因素有關(guān)。總體而言，受壓桿能夠抑制吊頂?shù)呢Q向振動，但在較大的豎向加速度激勵下可能會加劇吊頂?shù)钠茐?。斜吊線對吊頂抗震性能的影響還需進一步研究。

2000年以后，不同學(xué)者對吊頂進行了大量的振動臺試驗研究。與先前的研究相比，主要有以下幾點不同：（1）開始發(fā)展基于性能的吊頂抗震性能評估和設(shè)計方法，提出了吊頂?shù)男阅芩疁?zhǔn)和性能目標(biāo)，建立了吊頂?shù)囊讚p性曲線；（2）進一步對比分析了不同參數(shù)對吊頂抗震性能的影響；（3）開發(fā)了更多有效的抗震措施以減輕吊頂震害；（4）進行了包含吊頂在內(nèi)的多種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)整體振動臺試驗，研究了結(jié)構(gòu)與吊頂?shù)南嗷プ饔煤筒煌墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互作用對吊頂抗震性能的影響。下面從不同角度對2000年以后的吊頂抗震研究成果進行總結(jié)。

一些學(xué)者通過振動臺試驗研究了不同構(gòu)造措施和參數(shù)對吊頂抗震性能的影響，為吊頂?shù)目拐鹪O(shè)計提供了依據(jù)。李戚齊［16］考察了加載參數(shù)、龍骨支承條件和懸吊長度等因素對吊頂?shù)卣痦憫?yīng)和損傷特征的影響。結(jié)果表明，峰值加速度和峰值速度等參數(shù)與吊頂破壞程度之間并無明顯的相關(guān)性，邊界構(gòu)件的可靠連接會明顯減輕吊頂?shù)钠茐?，懸吊長度對吊頂破壞影響不大。Jiang等［18］對比研究了抗震夾對中國式吊頂抗震性能的影響。結(jié)果表明，吊頂?shù)募铀俣?、位移和?yīng)變響應(yīng)在安裝了抗震夾后明顯減小。Chhat等［23］研究了支撐布置和支撐上端偏心距對吊頂抗震性能的影響，闡明了吊頂?shù)钠茐臋C制。Badillo等［37］對6種不同形式的吊頂進行了振動臺試驗研究。研究表明，與單向加載相比，多向加載下吊頂?shù)膿p傷更嚴(yán)重，礦棉板固定件和帶鉚釘?shù)倪吂?jié)點可以改善吊頂?shù)目拐鹦阅堋?/p>

針對大跨結(jié)構(gòu)中吊頂震害嚴(yán)重的情況，一些學(xué)者以大跨結(jié)構(gòu)中的吊頂為對象開展了振動臺試驗研究。Sasaki等［38］以體育館中的吊頂為對象，通過振動臺試驗揭示了吊頂?shù)牡顾鷻C制。Lee等［39］依據(jù)AC156［32］設(shè)計了應(yīng)用于大空間結(jié)構(gòu)中的金屬板吊頂?shù)恼駝优_試驗，考察了吊頂?shù)膭恿μ匦院推茐那闆r。王勃［40］以大跨結(jié)構(gòu)中的吊頂為對象進行了振動臺試驗，分析了不同構(gòu)造和上部支撐結(jié)構(gòu)對吊頂?shù)卣痦憫?yīng)的影響。Lu等［17，41］的研究表明，柔性支撐增加了吊頂?shù)呢Q向響應(yīng)，中間加鉸吊桿的構(gòu)造一定程度上減小了吊頂?shù)呢Q向響應(yīng)，龍骨的破壞是由于龍骨節(jié)點失效引起的。另外，Ryu等［42-43］通過振動臺試驗分析了大面積吊頂?shù)钠茐臋C理。

針對傳統(tǒng)吊頂抗震性能較弱的問題，一些學(xué)者提出了有效的抗震措施以減輕吊頂?shù)牡卣饟p傷。Pourali等［25］提出了一種四周與墻體分離的吊頂，振動臺試驗表明，當(dāng)?shù)蹴斣庥龉舱駮r，吊頂位移增大并與邊界發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生較大的加速度。為了解決吊頂共振時位移和加速度過大的問題，Pourali等［44］建議在吊頂四周間隙中填充隔離塊。研究表明，隔離塊可減小碰撞影響并有效降低吊頂?shù)奈灰坪图铀俣软憫?yīng)。Takhirov等［26］通過振動臺試驗對比研究了其提出的新型邊節(jié)點構(gòu)造和規(guī)范推薦的邊節(jié)點構(gòu)造對吊頂抗震性能的影響。結(jié)果表明，采用新型邊節(jié)點構(gòu)造的吊頂具有更好的抗震性能。Watakabe等［45］提出了一種新型抗震夾SECC，通過振動臺試驗分析了安裝了該抗震夾的吊頂?shù)氖C制和抗震性能。結(jié)果表明，SECC有效改善了吊頂?shù)目拐鹦阅堋asuzawa等［46］針對地震中常見的吊頂面板墜落問題，提出了一種能有效防止吊頂面板脫落的裝置，通過振動臺試驗驗證了該防脫落裝置的有效性。

國內(nèi)外對石膏板吊頂抗震性能的研究還較少。Magliulo等［47］對單框架式和雙框架式2類石膏板吊頂進行了振動臺試驗研究。結(jié)果表明，在所有激勵下吊頂無損傷，表現(xiàn)出良好的抗震性能，這與吊頂連續(xù)性好、鋼龍骨布置密集和吊桿足夠多等因素有關(guān)。Patnana等［48］以邊界自由和邊界固定2類帶豎向支撐的石膏板吊頂為對象，通過振動臺試驗對比了兩者的地震響應(yīng)。結(jié)果表明，與邊界自由吊頂相比，邊界固定吊頂?shù)奈灰祈憫?yīng)和豎向支撐的累積應(yīng)變更??；在Taft地震波序列的加載下，兩者都表現(xiàn)出良好的抗震性能，在正弦波破壞工況的加載下，邊界固定吊頂無損傷，邊界自由吊頂破壞嚴(yán)重。Qi等［49］通過振動臺試驗研究了跌級式石膏板吊頂?shù)牡卣痦憫?yīng)，考察了臨時支撐和邊界約束的影響。結(jié)果表明，地震激勵下吊頂?shù)目拐鹦阅芰己?。臨時支撐會減小吊頂高低側(cè)連接部位的相對位移，增強吊頂?shù)恼w性。邊界約束會減小吊頂?shù)呐まD(zhuǎn)變形，抑制吊頂?shù)乃秸駝?，降低吊桿的應(yīng)力。

目前大多數(shù)研究主要集中于吊頂單一類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，個別學(xué)者開展了包含吊頂在內(nèi)的多種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體系統(tǒng)的振動臺試驗。Soroushian等［50-51］以5層鋼框架為平臺，通過振動臺試驗研究了吊頂-隔墻-管道集成體系的抗震性能，對比了有無側(cè)向支撐吊頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)，考察了不同的構(gòu)造措施對吊頂面板與消防噴頭的相互作用的影響。研究表明，當(dāng)?shù)蹴斣馐軓娏业呢Q向激勵時，側(cè)向支撐不能改善吊頂?shù)目拐鹦阅?。柔性吊線可以有效減小吊頂面板與消防噴頭的相互作用。Pantoli等［52］利用5層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對全尺寸非結(jié)構(gòu)體系進行了振動臺試驗。結(jié)果表明，經(jīng)過抗震設(shè)計的吊頂表現(xiàn)出良好的抗震性能。Fiorino等［53］對比了基本的抗震連接（非結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對于周圍構(gòu)件在平面內(nèi)的位移被限制）和增強的抗震連接（非結(jié)構(gòu)部件相對于周圍構(gòu)件在平面內(nèi)可自由滑動）對石膏板隔墻-外立墻-吊頂組合體系抗震性能的影響。結(jié)果表明，增強的抗震連接能改善體系的抗震性能。Mccormick等［54］對比研究了石膏板隔墻-傳統(tǒng)吊頂體系和石膏板隔墻抗震設(shè)計吊頂體系的抗震性能。結(jié)果表明，兩類吊頂都表現(xiàn)出良好的抗震性能，但采用抗震設(shè)計的吊頂?shù)募铀俣软憫?yīng)更大。Huang等［55］利用振動臺研究了吊頂-隔墻組合體系的抗震性能。結(jié)果表明，三維加載和吊頂尺寸是控制體系地震響應(yīng)的主要參數(shù)，支撐提高了吊頂-隔墻體系的抗震性能。

3 數(shù)值模擬

吊頂?shù)臄?shù)值分析難度較大，主要原因有：（1）吊頂類型的多樣性及節(jié)點構(gòu)造的復(fù)雜性；（2）吊頂各部件間、吊頂與周圍非結(jié)構(gòu)構(gòu)件間及吊頂與主體結(jié)構(gòu)間存在復(fù)雜的相互作用；（3）吊頂非線性響應(yīng)的復(fù)雜性。

3.1 吊頂部件模擬

吊頂部件包括構(gòu)件和節(jié)點。目前針對吊頂構(gòu)件的數(shù)值模擬工作開展較少，大多學(xué)者對構(gòu)件建模時只考慮節(jié)點的非線性，主要原因是相對于吊頂構(gòu)件，吊頂節(jié)點的抗震性能更差，在地震中表現(xiàn)出明顯的非線性行為，在實際震害中吊頂損傷大多集中在節(jié)點，而構(gòu)件一般較少破壞，因此學(xué)者們將模擬工作的重點主要集中在節(jié)點模擬方面。Soroushian等［27］利用OpenSEES有限元軟件建立了三類構(gòu)造形式不同的吊頂邊節(jié)點的非線性模型，采用Pinching4單軸材料和零長度單元模擬了邊節(jié)點的滯回特性，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較一致，并提出了邊節(jié)點的荷載-位移恢復(fù)力模型。同時，Soroushian等［28，56］采用同樣的建模方法模擬了主次龍骨節(jié)點軸向受力、受剪和受彎的滯回性能，建立了節(jié)點在不同加載模式下的恢復(fù)力模型。研究表明，該建模方法能較好地模擬節(jié)點的受力和變形性能，節(jié)點的恢復(fù)力模型可用于吊頂整體的非線性分析。此外，F(xiàn)iorin等［57］采用與Soroushian等［56］類似的建模方法模擬了龍骨節(jié)點的非線性行為。

3.2 吊頂整體模擬

國外學(xué)者對吊頂?shù)臄?shù)值模擬工作取得了一定的成果。Ryu等［42-43］提出采用多自由度質(zhì)量-彈簧二維模型模擬吊頂在單向水平地震作用下的地震響應(yīng)。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與振動臺試驗結(jié)果吻合較好，證明了該模型的合理性，但該模型在計算構(gòu)造形式復(fù)雜吊頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)時存在一定的困難性。Echevarria等［58］利用SAP2000有限元軟件對吊頂進行了地震響應(yīng)分析，采用梁單元模擬龍骨構(gòu)件，采用鉤（Hook）單元模擬吊線，采用框架單元模擬受壓桿，采用拉壓摩擦擺隔振單元（T/C Friction Isolator Link）模擬吊頂面板與龍骨的相互作用，假定主次龍骨節(jié)點為鉸接，吊頂面板簡化成“X”型半剛性-質(zhì)量點模型（采用4個半剛性單元連接面板的中心點和角點，將面板的質(zhì)量按比例集中在面板的中心點和角點），該模型能模擬吊頂?shù)膹椥宰冃魏兔姘宓奶鹊卣痦憫?yīng)，但無法模擬吊頂?shù)牡顾袨?。針對Ryu等［42-43］和Echevarria等［58］的數(shù)值模型的不足，Zaghi等［59］以Ryu等［42］在吊頂振動臺試驗中采用的試件為Benchmark模型，利用OpenSEES有限元軟件建立了吊頂?shù)姆蔷€性數(shù)值模型，考慮了吊頂面板與龍骨的碰撞和邊界約束的非線性等因素。結(jié)果表明，該模型能較好預(yù)測出吊頂?shù)钠茐奈恢?，?shù)值模型與振動臺試驗獲得的吊頂位移時程曲線比較一致，但該模型計算的加速度時程與試驗結(jié)果存在一定的差異，這是由于受碰撞引起的高頻尖峰的影響。Soroushian等［60-61］利用OpenSEES有限元軟件建立了吊頂-管道組合體系的非線性數(shù)值模型，給出了該體系具體的建模方法，該模型可以預(yù)測吊頂?shù)钠茐哪Ｊ胶臀恢茫珪吖烂姘迤茐牡臄?shù)量。以上的模擬均針對礦棉板吊頂，對于石膏板吊頂，Tagawa等［62］采用自適應(yīng)位移積分-高斯方法（ASI-GAUSS）建立了體育場中的石膏板吊頂?shù)臄?shù)值模型用以模擬吊頂?shù)牡顾袨?。非線性時程分析結(jié)果表明，ASI-GAUSS技術(shù)能夠模擬吊頂?shù)牡顾Ｍ瑯?，Gilani等［63］針對石膏板吊頂建立了數(shù)值模型用以研究吊頂中關(guān)鍵部件的響應(yīng)。

國內(nèi)學(xué)者對吊頂?shù)臄?shù)值模擬工作尚處于起步階段。Yao［36］利用ANSYS有限元軟件建立了吊頂?shù)暮喕瘮?shù)值模型，對比研究了有無斜吊線對吊頂固有頻率的影響。分析表明，與無斜吊線的吊頂相比，有斜吊線的吊頂?shù)墓逃蓄l率更高，但兩者的振型基本一致。然而，該模型并沒有考慮非線性的影響。李戚齊［16］采用Zaghi等［59］提出的建模方法，建立了礦棉板吊頂?shù)挠邢拊Ｐ?，模型考慮了吊頂面板與龍骨之間的摩擦和碰撞等非線性行為，主次龍骨節(jié)點簡化為鉸接，主龍骨端部假定為剛性支座。研究表明，該模型能較好地模擬出面板與龍骨的相互作用，并在模擬面板的相對位移、面板與主龍骨的相對位移和主龍骨的絕對加速度等響應(yīng)時具有一定的準(zhǔn)確性。天津大學(xué)的韓慶華教授課題組在吊頂?shù)臄?shù)值模擬方面取得了一定的研究成果［40-41，64］。王勃［40］以礦棉板吊頂為對象，采用ANSYS有限元軟件建立了吊頂?shù)臄?shù)值模型，假定龍骨節(jié)點為鉸接，忽略吊頂面板的剛度貢獻，分析了吊頂?shù)膭恿μ匦院偷卣痦憫?yīng)。結(jié)果表明，吊頂?shù)乃焦逃兄芷谂c單擺頻率接近，地震作用下吊桿內(nèi)力明顯增大，龍骨軸力沒有增大。韓慶華等［41］采用ANSYS有限元軟件研究了上部支承結(jié)構(gòu)和吊桿構(gòu)造形式對吊頂動力特性的影響。結(jié)果表明：上部支承結(jié)構(gòu)的自振頻率對吊頂?shù)呢Q向模態(tài)影響顯著，對吊頂?shù)乃侥B(tài)影響較?。坏鯒U構(gòu)造形式對吊頂?shù)牡?階水平和豎向振型沒有影響?？苊缑纾?4］利用ANSYS有限元軟件分析了斜吊線對吊頂抗震性能的影響，模型中龍骨節(jié)點簡化為剛接，未考慮吊頂面板的剛度貢獻。結(jié)果表明，斜吊線提高了吊頂?shù)目拐鹦阅?，該結(jié)論可能與模型中未考慮吊頂?shù)倪吔缂s束條件導(dǎo)致未安裝斜吊線的吊頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)明顯增大有關(guān)。

總體而言，國內(nèi)外學(xué)者對吊頂數(shù)值模擬的研究相對較少，模型中簡化之處較多，如吊頂面板的簡化處理難以真正反映出面板剛度對吊頂抗震性能的影響。如何量化吊頂構(gòu)件之間的摩擦和碰撞等相互作用對吊頂?shù)卣痦憫?yīng)的影響也是亟待解決的問題。因此，后續(xù)需繼續(xù)開展更加精細化、充分考慮各類吊頂節(jié)點非線性的數(shù)值分析工作。同時，應(yīng)多進行吊頂構(gòu)件層次的研究，為吊頂?shù)臄?shù)值建模提供更加豐富可靠的數(shù)據(jù)。

4 地震易損性分析

地震易損性分析是指系統(tǒng)或構(gòu)件遭遇不同強度地震時超越某一損傷狀態(tài)的失效概率。地震易損性曲線可以通過試驗研究和數(shù)值分析等手段獲取。吊頂?shù)牡卣鹨讚p性是吊頂基于性能的設(shè)計和評估建筑震后損失的重要基礎(chǔ)。

4.1 部件的易損性

Dhakal等［24］基于吊頂構(gòu)件和節(jié)點受壓、受拉和受剪試驗數(shù)據(jù)，建立了相應(yīng)的易損性曲線。結(jié)果表明，龍骨節(jié)點是吊頂中的抗震薄弱部件，主次龍骨節(jié)點比主龍骨拼接點的地震易損性更高，2個鉚釘比單個鉚釘構(gòu)造更能提高邊節(jié)點的承載能力。Sorouahian等［22，27-28］以吊頂構(gòu)件和節(jié)點的靜力試驗損傷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了吊頂構(gòu)件和各類節(jié)點的易損性曲線，獲得的主要結(jié)論如下：（1）對于吊線，斷裂是唯一的損傷狀態(tài)；（2）對于面板，只需考慮最大撕裂力；（3）與帶抗震夾的邊節(jié)點相比，帶鉚釘?shù)倪吂?jié)點的破壞概率更高；（4）與小能力組主次龍骨節(jié)點（抗拉承載力低）相比，大能力組主次龍骨節(jié)點（抗拉承載力高）軸向受力時的地震易損性更低。

4.2 吊頂?shù)囊讚p性

損傷狀態(tài)是建立易損性曲線的基礎(chǔ)，表2總結(jié)了不同學(xué)者對吊頂損傷狀態(tài)的劃分方法，從表中可以看出，不同的學(xué)者采用不同的損傷指標(biāo)定義損傷狀態(tài)，大多數(shù)學(xué)者以直觀的墜板率作為損傷指標(biāo)。

表2 吊頂?shù)膿p傷狀態(tài)定義Table 2 Definition of damage states for suspended ceiling system

李戚齊等［15-16］以蘆山地震中吊頂震害數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以峰值樓面加速度為工程需求參數(shù)（EDP），以墜板率為損傷指標(biāo)，劃分正常使用、快速恢復(fù)和難以恢復(fù)3種損傷狀態(tài)，初步建立了吊頂?shù)囊讚p性曲線。Badillo等［37］采用振動臺試驗對吊頂進行了易損性研究，以零周期地面峰值加速度和平均譜加速度為EDP，根據(jù)墜板率和龍骨破壞程度定義了4種損傷狀態(tài)，考察了不同參數(shù)對吊頂易損性的影響。分析表明，吊頂面板固定件的安裝降低了墜板率，受壓桿提高了吊頂?shù)目拐鹦阅?。Ryu等［42］基于吊頂?shù)钠茐臋C理，以10%的面板破壞和10%的龍骨破壞定義了損傷狀態(tài)，對比了加載方向、面板重量和側(cè)向支撐等因素對易損性的影響。結(jié)果表明，加載方向越多，面板越重，吊頂?shù)囊讚p性越高；側(cè)向支撐能提高吊頂?shù)目拐鹦阅堋chevarria等［58］采用數(shù)值模擬對吊頂?shù)囊讚p性進行分析，對比研究了吊頂面積和側(cè)向支撐對吊頂抗震性能的影響。分析表明，吊頂面積的增加降低了面板錯位的風(fēng)險；無側(cè)向支撐的吊頂?shù)钠茐母怕矢螅袀?cè)向支撐的吊頂面板錯位率（發(fā)生錯位的面板數(shù)與面板總數(shù)的比值）更高。Gilani等［63］以墜板率作為損傷指標(biāo)，以譜加速度峰值作為EDP，采用試驗數(shù)據(jù)擬合了吊頂?shù)囊讚p性曲線。Sorouahian等［66］根據(jù)墜板率和龍骨破壞程度定義了3種損傷狀態(tài)，以樓面峰值加速度和吊頂?shù)乃綉T性力為EDP建立了吊頂?shù)囊讚p性曲線，對比了不同參數(shù)的影響。分析結(jié)果表明，未帶支撐的試件（邊界安裝抗震夾或不帶有隔墻邊界約束）比帶支撐的試件（邊界安裝鉚釘或帶有隔墻邊界約束）具有更高的破壞概率，進一步表明在地震作用下容易發(fā)生振動的吊頂更容易遭受破壞。

5 總結(jié)

文中從試驗研究、數(shù)值模擬和易損性3方面對國內(nèi)外吊頂系統(tǒng)抗震研究進展進行了分析和總結(jié)，指出了現(xiàn)有研究中存在的主要不足。針對目前研究中存在的問題，作者認(rèn)為后續(xù)可從以下方面進行深入研究：

（1）吊頂部件層次的試驗研究相對有限，非線性數(shù)值計算模型比較缺乏，今后應(yīng)開展系統(tǒng)的吊頂部件試驗，進一步豐富部件層次的試驗數(shù)據(jù)。

（2）在吊頂?shù)恼駝优_試驗中，不同的學(xué)者針對一些構(gòu)造措施對吊頂抗震性能的影響規(guī)律仍存在爭議，如斜吊線和受壓桿的作用，對這樣有爭議的問題需開展進一步的研究。

（3）吊頂整體的數(shù)值模擬研究相對較少，模型中對吊頂面板的簡化處理和不同構(gòu)件間摩擦及碰撞參數(shù)的取值缺乏合理充分的依據(jù)，應(yīng)對吊頂面板的力學(xué)性能（彈性模量、摩擦系數(shù)和剛度等）和構(gòu)件間的摩擦及碰撞行為開展大量試驗，建立可靠的面板恢復(fù)力模型和能夠模擬各種構(gòu)件間相互作用的接觸模型，進一步完善吊頂?shù)臄?shù)值建模方法。另外，建立的吊頂整體分析模型較為復(fù)雜，計算耗時較長，因此如何基于吊頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)特征將其計算模型進行簡化成為亟待解決的問題。

（4）不同的學(xué)者主要通過試驗和數(shù)值模擬的手段對吊頂進行抗震研究，在吊頂?shù)目拐鹪O(shè)計理論研究方面較為缺乏。另外，國內(nèi)外抗震設(shè)計規(guī)范主要采用較為簡化的等效側(cè)力法計算吊頂?shù)牡卣鹦枨笞饔?，因此吊頂?shù)目拐鹪O(shè)計方法還需進一步完善。

（5）在地震作用下，吊頂與吊頂隱蔽層中的消防管道和通風(fēng)設(shè)施等其余非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互作用明顯，這些復(fù)雜的相互作用會加劇吊頂?shù)牡卣鹌茐?，需進一步開展吊頂與其余非結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互作用的研究。