趙考重, 趙茜旺, 李雨恒, 樊子甲, 劉思紅

(1 山東建筑大學土木工程學院，濟南 250101；2 山東建筑大學 建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，濟南 250101)

0 引言

建筑結構外墻外保溫系統(tǒng)以其廉價、施工便捷、保溫效果明顯等優(yōu)點備受青睞,在實際工程中得到廣泛應用。而工程中外墻保溫系統(tǒng)脫落、火災等災害也時有發(fā)生。歷次地震后發(fā)現(xiàn),在地震作用下,外墻外保溫系統(tǒng)會大面積脫落從而造成次生地震災害。因此,對外墻外保溫系統(tǒng)的安全性和抗震性進行研究十分必要,眾多學者也進行了一些研究工作。文獻[1-4] 對外保溫系統(tǒng)在正常使用狀況下的安全性進行了研究,得到了外墻外保溫系統(tǒng)開裂及脫落的原因,提出了預防措施。文獻[5-6]分析了外墻外保溫系統(tǒng)的滲漏原因,給出了預防措施。文獻[7]對外墻外保溫系統(tǒng)用塑料錨栓受力性能進行了試驗研究,得到錨栓的錨固深度、施工工藝對錨栓拉拔力影響的規(guī)律。文獻[8]研究了建筑物外墻外保溫材料的火災危險性,提出了預防對策。文獻[9-10]對地震后外墻外保溫系統(tǒng)的災害進行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)在地震作用下,隨著建筑的變形,墻體隔熱系統(tǒng)也會隨之變形而破壞,從而造成外墻外保溫系統(tǒng)大面積脫落,EPS板外保溫系統(tǒng)要比其他保溫板的延性要好,瓷磚面層在高層建筑中應用時應慎重。文獻[11]分析了外保溫系統(tǒng)對結構周期的影響,得出外保溫系統(tǒng)會使建筑結構的相應周期減小的結論。文獻[12]對蒸壓砂加氣保溫砌塊保溫體系基礎的墻體試件進行了地震臺試驗,發(fā)現(xiàn)蒸壓砂加氣保溫砌塊外墻外保溫體系的抗震性能符合要求。文獻[13]有限元分析結果表明,在罕見的地震中,墻體將和外保溫分離,面磚也會脫落,文獻[14]通過地震臺抗震試驗,得到ZL膠粉聚苯乙烯復合保溫板與基體粘接好,抗震性能優(yōu)良。文獻[15]對外保溫系統(tǒng)為膨脹珍珠巖的抗震性能進行了試驗研究,得到飾面層的破壞機理。

綜上所述,目前對于外墻外保溫系統(tǒng)的研究主要是正常使用時的安全性,對其抗震性能的研究多為震后的調(diào)查及理論分析。由于外墻外保溫材料、施工工藝以及建筑結構形式的不同,地震時外墻外保溫系統(tǒng)產(chǎn)生的次生災害程度也會有區(qū)別,因此,有必要對外墻外保溫系統(tǒng)的抗震性能做進一步研究。

本文制作了4榀框架試件,分別砌筑填充墻和粘貼酚醛保溫板,酚醛板是工程中常用的一種外墻保溫材料,通過擬靜力試驗,研究了保溫飾面層在地震作用下的受力機理和不同粘貼方式和粘貼率對飾面層地震災害的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

4榀框架及框架構件尺寸相同,層高為1 500mm,跨度為2 500mm?？蚣苤孛娉叽鐬?00×200,框架梁截面尺寸為150×250,底梁截面尺寸為400×500。試件混凝土強度等級為C30,實測立方體抗壓強度為33.3MPa。縱筋和箍筋均為HRB400,實測鋼筋屈服強度為453MPa,極限強度為583MPa。其中試件FQQK1、FQQK2填充墻為加氣混凝土砌塊,厚度為100mm,并在兩側粘貼酚醛保溫板;試件FQZK1、FQZK2填充墻為空心粘土磚砌體,厚度為120mm,并在兩側粘貼酚醛保溫板。填充墻均采用M5的砂漿砌筑砌筑,填充墻與框架柱間每層設置兩道φ6拉結筋。將試件的兩個側面(A、B面)均劃分為4個區(qū)域,每個區(qū)域采用了不同粘貼方式和粘貼率。

為了觀測框架梁柱破壞情況,所有試件側面B僅在填充墻粘貼保溫板,而試件FQQK1側面A在填充墻及框架梁粘貼保溫飾面層,其余3個試件的側面A在填充墻及框架梁柱表面均粘貼保溫飾面層,粘貼方式采用點粘和條粘兩種。塑料錨釘按每6個/m2布置,試件尺寸、配筋及填充墻區(qū)域劃分編號見圖1,各試件保溫飾面層粘貼要求見表1。試件保溫飾面層具體做法為:基層→15mm厚水泥砂漿找平層→專用粘結砂漿層(3～5mm)→50mm厚酚醛保溫→耐堿玻纖網(wǎng)格布一道→砂漿抹面層。

圖1 試件及粘貼面區(qū)域劃分

表1 試件保溫飾面層粘貼要求

1.2 試驗加載及加載裝置

本次試驗重點研究框架結構建筑在水平地震作用下飾面層的抗震性能,即地震作用時,結構產(chǎn)生水平位移和層間位移的大小、保溫飾面層系統(tǒng)的破壞形態(tài)以及產(chǎn)生的次生災害程度。另外,實際工程中保溫飾面層施工時結構所受豎向荷載大部分已存在,因此,本次試驗僅施加水平往復荷載。試驗通過MTS液壓伺服加載系統(tǒng)施加荷載,加載裝置見圖2。采用位移加載控制方式,分級加載。初始每級位移增幅1mm至產(chǎn)生初始裂縫,隨后每級位移增幅2mm,產(chǎn)生較大變形時每級位移增幅改為4mm,荷載降至極限荷載85%時停止加載。

1.3 量測內(nèi)容

試驗的主要測量內(nèi)容有:1)試件每級荷載大小,由MTS液壓伺服加載系統(tǒng)自動采集記錄;2)各層的位移,在框架的一層梁、二層梁及底梁位置處各布置了一個位移傳感器,量測各樓層的準確位移;3)試件破壞形態(tài)。

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞過程

2.1.1 試件FQQK1

水平荷載作用下,一層邊柱底部外側首先產(chǎn)生水平裂縫;隨往復荷載的不斷地增加,兩側邊柱由下至上不斷產(chǎn)生新的水平裂縫,中柱未發(fā)現(xiàn)裂縫;繼續(xù)施加荷載,總側移為3mm時,在采用條粘法且粘貼率為20%粘貼在一層框架梁上的保溫飾面層上產(chǎn)生多條斜裂縫;隨著往復荷載的增加,粘貼率為20%粘貼在一層、二層梁上的飾面層,無論條粘或點粘均不斷產(chǎn)生兩個方向的交叉斜裂縫,且斜裂縫向填充墻面發(fā)展;總側移為8mm時(二層層間位移為5mm),粘貼在二層邊柱頂部的保溫飾面層與框架柱子脫開,由于飾面層玻纖網(wǎng)的作用,此時飾面層并未脫落,如圖3所示,同時采用條粘法粘貼率為50%墻面的飾面層在二層框架填充墻角部產(chǎn)生大量斜裂縫,且出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象,與基層脫開;總側移為12mm(二層層間位移位移為7mm)時,工況2、4(點粘法、條粘法粘貼率均為20%)的飾面層與二層梁全部脫開,同時可觀察到保溫板有擠碎現(xiàn)象;總側移為16mm(二層層間位移位移為9.5mm),工況1、3(點粘法、條粘法粘貼率均為20%)的飾面層一層梁與填充墻界面處產(chǎn)生貫通水平裂縫,玻纖網(wǎng)斷裂,粘貼在框架梁上的飾面層明顯空鼓。側移為32mm,荷載為254.3kN,工況2、4(點粘法、條粘法粘貼率均為20%)粘貼在二層邊柱上的保溫板與柱完全分離而脫落,如圖4所示,脫開位置在保溫板與粘結砂漿的界面處。側移為36mm時,工況8(點粘法粘貼率為50%)填充墻角部飾面層被擠碎外凸破壞脫落,此時一層邊柱梁柱節(jié)點發(fā)生剪切破壞,如圖5所示。試件FQQK1最終破壞形態(tài)如圖6所示。

圖3 部分飾面層與柱脫離

圖4 飾面層與柱安全脫離

圖5 框架節(jié)點破壞

圖6 試件FQQK1最終破壞形態(tài)

2.1.2 試件FQQK2

試件FQQK2試驗過程同試件FQQK1類似,水平荷載作用下兩邊柱外側首先產(chǎn)生水平裂縫;隨著荷載增加,兩邊柱外側不斷產(chǎn)生新的水平裂縫,中柱未發(fā)現(xiàn);繼續(xù)施加荷載,粘貼率為70%墻面,粘貼在二層和一層梁上的飾面層相繼出現(xiàn)密集的交叉斜裂縫,點粘方式的斜裂縫較條粘方式的更密集;總側移為8mm(二層層間位移為5.5mm),工況5(條粘法粘貼率為100%)的二層墻面沿填充墻對角線的飾面層產(chǎn)生交叉斜裂縫,此時,一層中間柱出現(xiàn)水平裂縫,水平裂縫分布在整個一層柱上,且位于柱的同一側;隨著荷載的不斷增加,一層梁頂和梁底位置處飾面層產(chǎn)生較寬的水平裂縫,玻纖網(wǎng)拉斷;位移為20mm時,工況2、4(點粘法、條粘法粘貼率均為70%)的飾面層與二層梁脫開,出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象,工況6(條粘法粘貼率為100%)的墻面框架二層角部飾面層發(fā)生擠壓破壞而脫落,如圖7所示;位移為24mm時,填充墻和柱子脫開,拉結筋拉斷,如圖8所示;二層一個框架邊柱和中柱柱頂產(chǎn)生剪切破壞,試件FQQK2最終破壞情況如圖9所示。

圖7 二層角部飾面層擠壓破壞脫落

圖8 填充墻與柱脫開

圖9 試件FQQK2最終破壞形態(tài)

2.1.3 試件FQZK1

水平荷載作用下兩邊柱外側首先產(chǎn)生水平裂縫,中柱未發(fā)現(xiàn)裂縫;隨著荷載增加,兩邊柱全高自下而上不斷產(chǎn)生新的水平裂縫,且裂縫貫通邊柱全截面,同時粘貼在一層框架梁上的飾面層產(chǎn)生斜裂縫;總側移為8mm,荷載為403.2kN時,一層中柱下部開始出現(xiàn)水平裂縫;位移為16mm時,粘貼率50%條粘飾面層沿二層填充墻對角線產(chǎn)生交叉斜裂縫;繼續(xù)施加荷載,可觀測到工況6、8(點粘法、條粘法粘貼率為50%)的飾面層二層梁位置處內(nèi)部保溫板均被擠裂;側移為28mm,荷載為429.1kN時,工況4(點粘法粘貼率為20%)的二層填充墻與柱子脫開,拉結筋拉斷,填充墻與梁界面處出現(xiàn)橫向水平裂縫;位移達到36mm時,工況8(點粘法粘貼率為50%)的填充墻二層邊柱和中柱柱頂發(fā)生剪切破壞,如圖10所示;試件FQZK1最終破壞形態(tài)如圖11所示。

圖10 柱頂剪切破壞

圖11 試件FQZK1最終破壞形態(tài)

2.1.4 試件FQZK2

試件FQZK2最初破壞形態(tài)同試件FQZK1,水平荷載作用下兩邊柱外側首先產(chǎn)生水平裂縫,中柱未發(fā)現(xiàn)裂縫;隨著荷載增加,兩邊柱外側自下向上不斷產(chǎn)生新的水平裂縫并貫通全柱,繼續(xù)施加荷載,中柱也出現(xiàn)水平裂縫;繼續(xù)施加荷載,工況1(條粘法70%粘貼率)的飾面層一層梁位置處產(chǎn)生交叉斜裂縫,裂縫比較密集,同時粘貼在二層梁上的保溫板與梁脫開;側移為14mm,荷載為402kN時,工況4(點粘法70%粘貼率)的二層填充墻與邊柱脫開,拉結筋斷裂;繼續(xù)施加荷載,二層西側邊柱和中柱柱頂發(fā)生剪切破壞;粘貼在填充墻上的飾面層未發(fā)現(xiàn)裂縫。試件FQZK2的最終破壞形態(tài)如圖12所示。

圖12 試件FQZK2最終破壞形態(tài)

2.2 試件破壞特征分析

(1)水平荷載作用下,兩種填充墻試件,無論粘貼率大小,最初都僅在框架邊柱一側產(chǎn)生水平裂縫,說明填充墻和飾面層改變了框架的受力機理,填充墻與框架共同工作,荷載比較小時,試件類似于剪力墻承受水平荷載;隨著荷載增大,水平變形的增加,二層飾面層沿對角線產(chǎn)生斜裂縫,說明填充墻沿對角斜向受壓,形成框架結構的斜撐。原因是隨著荷載增大,填充墻與框架柱之間填充的不密實的砂漿破壞,填充墻與框架不再是一個完整的整體即組合剪力墻;試件FQQK1一層邊柱節(jié)點發(fā)生破壞,試件FQQK2、FQZK1、FQZK2則發(fā)生二層柱頂部的剪切破壞,說明填充墻的斜撐效應與填充墻材料、保溫飾面層粘貼率有關。砌體強度越高、粘貼率越大,斜撐效應作用越大。斜撐效應大小對結構的影響程度不同,試件FQQK1填充墻為加氣混凝土砌體,砌體強度低且粘貼率小,斜撐效應小,框架柱的剪力大,且一層梁的剪力和彎矩均大于二層構件,一層梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力大于頂層節(jié)點,水平荷載作用下一層邊節(jié)點承載力不足發(fā)生破壞,試件FQQK2、FQZK1則由于填充墻斜向受壓破壞,斜撐效應失效,框架柱的剪力將產(chǎn)生突變而發(fā)生剪切破壞。試件FQZK2填充墻為空心磚且粘貼率高,填充墻未破壞,但框架柱剪力大,也發(fā)生剪切破壞。另外由于試驗未施加豎向荷載,框架柱受拉力作用,也會影響框架的破壞形式。

(2)所有工況條件下的試件在往復水平荷載作用下,首先粘貼在一層框架梁上的飾面層產(chǎn)生交叉斜裂縫,原因是飾面層連續(xù)地粘貼在上下層填充墻及框架梁上,水平荷載作用時,填充墻與框架產(chǎn)生不同的變形,飾面層受剪力作用發(fā)生破壞?？蚣芪灰七_到一定值時,一層梁與上下填充墻界面處飾面層產(chǎn)生水平裂縫。當填充墻為加氣混凝土砌塊時,水平裂縫處玻纖網(wǎng)被拉斷,原因是加氣混凝土填充墻強度低與框架的相對變形大,此時粘貼率為20%,粘貼在一層梁的飾面層發(fā)生脫落。對于粘貼率不小于50%的加氣混凝土砌塊填充墻和各種粘貼率的空心磚砌塊填充墻粘貼在一層梁上的飾面層,雖然破壞比較嚴重,而且粘貼率越高,裂縫越密集,但都未脫落;原因是當粘貼率大時,被斜裂縫分割的小塊飾面層與梁還存在未局部脫離的結合面,所以粘貼率大的飾面層雖然裂縫較多,但空鼓現(xiàn)象輕。填充墻為空心磚砌體的試件,由于砌體強度高變形小,填充墻與框架的相對變形也就小,因此,雖然飾面層在一層梁與填充墻的界面處也產(chǎn)生了水平裂縫,但玻纖網(wǎng)未被拉斷,從而保證一層梁的飾面層即使與梁脫離空鼓也未脫落。

(3)兩種砌體填充墻的試件,無論粘貼率大小,最終粘貼在頂層梁和邊柱上的飾面層均發(fā)生完全脫離甚至脫落,觀察分析發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生飾面層與梁柱分離的原因不僅是填充墻與框架變形不一致,還與酚醛板強度比較低有關,因為飾面層與框架梁柱的脫離分界面并非在基層與粘結砂漿間,而是酚醛板本身發(fā)生破壞。粘貼在頂層梁及邊柱上的飾面層,不同于粘貼在中柱和其他梁上的飾面層,其保溫板及玻纖網(wǎng)上下左右不完全連續(xù)粘貼,玻纖網(wǎng)對防止飾面層掉落起到很大作用。

(4)由試驗得到,水平荷載作用下,粘貼在填充墻上的飾面層沿對角線將產(chǎn)生斜裂縫,原因是飾面層與填充墻形成了框架的斜撐共同受力,飾面層所起作用的相對大小,與粘貼率及填充其砌體種類有關,如填充墻強度、粘貼率大,填充墻與粘貼砂漿層形成的剛度大,保溫飾面層承擔的力小,所以填充墻為空心磚砌體粘貼率為70%和100%的試件,飾面層未產(chǎn)生沿填充墻對角線的斜裂縫,也未發(fā)生角部受壓破壞飾面層脫落現(xiàn)象。斜撐在梁柱節(jié)點處即填充墻角部因應力集中導致受壓破壞,故飾面層也發(fā)生破壞而脫落。

(5)粘貼率70%以上、填充墻為加氣混凝土砌塊砌體以及空心磚砌體填充墻的試件,由于填充墻自身整體性好,類似一個剛體受力變形,從而造成填充墻與框架柱間的拉結筋拉斷,地震時會引起填充墻倒塌。

(6)飾面層粘貼形式對飾面層破壞形態(tài)影響不大,粘貼率小的飾面層與梁柱更容易脫落。

(7)飾面層破壞主要發(fā)生在二層,分析原因是二層層間位移較一層大,填充墻與框架結構的變形差異大,玻纖網(wǎng)格布及抹面砂漿將單塊保溫板連成整體,整個飾面層粘貼在填充墻的有效面積較粘貼在梁柱上的有效面積大很多,不同變形必然造成飾面層與梁柱結合面產(chǎn)生較大剪應力,最終發(fā)生破壞脫離。

2.3 試件水平承載力及變形

試件承載力及極限側移試驗結果見表2。

表2 試件承載力、極限位移試驗結果

由表2可知,填充墻為空心磚砌體的試件較填充墻為加氣混凝土砌塊的試件承載力大幅度提高,原因是不同砌體填充墻斜撐效應不同,空心磚砌體強度高,效應明顯。對于加氣混凝土砌塊填充墻,粘貼率大承載力大高,而填充墻為空心磚砌體的試件,粘貼率大時極限承載力并未提高,這是由于加氣混凝土砌塊砌體強度低,飾面層對斜撐的貢獻相對明顯,而空心磚砌體填充墻強度高,對斜撐效應相對弱。粘貼率大極限變形大。另外斜撐效應也與填充墻砌筑質(zhì)量有關。

3 結論

(1)酚醛板保溫飾面層和填充墻與框架共同工作,共同承擔水平地震作用,框架的受力機理發(fā)生改變,飾面層和填充墻形成框架的斜撐,最終框架結構發(fā)生框架柱剪切破壞或節(jié)點破壞。填充墻砌體強度高,框架承載力高。

(2)地震作用時,填充墻與框架產(chǎn)生不同變形,飾面層與基層間產(chǎn)生剪應力,由于酚醛板強度低,酚醛板發(fā)生破壞與基層脫離,保溫飾面層與基礎脫離現(xiàn)象主要發(fā)生在框架梁柱表面。粘貼在頂層梁及邊柱上的飾面層以及填充墻為加氣混凝土砌塊砌體且粘貼率為20%粘貼在其他各層梁上的飾面層,地震作用時將會脫落,其余構件上飾面層雖然已與基層脫離但未脫落。

(3)填充墻為加氣混凝土砌塊砌體時,保溫飾面層與填充墻作為框架的斜撐斜向受壓,層間位移較大的樓層填充墻角部砌體受壓破壞,飾面層空鼓脫落。粘貼形式對飾面層的破壞程度影響不大,粘貼率越小破壞程度越嚴重。