建筑节能用新型轻质隔墙板的振动台模拟地震试验研究

王巧云，韩晓健，万里

（南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816）

0 引言

随着我国建筑业的蓬勃发展以及墙体材料改革的步步深入，各种非承重轻质隔墙板近年来发展十分迅速。相对于传统的普通砖砌筑墙体而言，轻质隔墙板是一种新型节能墙体材料，具有质量轻、强度高、成本低、快速施工、保温隔热、隔声等优点[1]，是现代化建筑逐步向框架、大开间方向发展的需要，也是改善建筑功能、提高建筑质量和施工效率，实现建筑现代化可持续发展的需要，目前在建筑建材行业具有强大的生命力和广阔的发展前景。

本文所述的轻质隔墙板是一种用于建筑物隔墙的墙体预制板，适用于办公、商务、居民楼等建筑物的非承重隔墙。它是一种轻质陶粒钢筋混凝土空心墙板，由水泥、砂、轻质陶粒、发泡剂、水等原材料，内部夹有冷拔钢筋网架制成，外形类似空心楼板的墙材，结构及规格如图1所示。

图1 墙板规及格结构示意

墙板两边有公母榫槽，安装时只需将板材立起，公母榫涂上少量嵌缝砂浆后拼装即可。该轻质隔墙板具有自重轻、表面平滑、可凿、可切割、可钉挂、环保等特点，为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。同时，结合墙体改革，采用墙板作为框架填充墙及内隔墙，代替传统的普通烧结砖墙，适用于建造节能型建筑，符合国家节能环保的政策。

1 试验

试验墙板来自江苏建华新型墙材有限公司生产的轻质隔墙板，设计了3面由不同高度、不同厚度的隔墙板拼装而成的原尺度墙体试件模型，并且3面墙体连接在钢框架内，同时安装在振动台上进行地震模拟振动台试验。试验在南京工业大学土木工程实验中心、江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室进行，试验研究的主要内容如下：

（1）通过测试墙板结构的动力特性及地震波加载前后的变化情况，判定墙板结构工作状态变化；

（2）通过振动台真实再现地震波的作用下，确定墙板的最薄弱部位和破坏状况；

（3）验证此类轻质隔墙板在9度地震设防烈度下的抗震性能；

（4）对此类轻质隔墙板进行抗震安全性评价。

2 地震模拟振动台试验

2.1 试验对象

为了验证不同规格隔墙板的抗震性能，设计了一个可同时安装3面轻质隔墙板的足尺钢框架模型。钢框架作为墙板支承结构安装于台面，具有足够刚度，可以模拟实际工程中的框架结构。墙板试件选用足尺结构单元，由公司专业施工队采用与实际工程相同的连接方式进行现场拼装，如图2所示。

图2 墙板地震模拟振动台试验照片

将高 4.5 m、厚100 mm，高3 m、厚 120 mm和高3 m、厚150 mm共3种规格的墙板并列安装于钢框架内。其中，墙①的墙板净高3 m，采用墙板规格为3000 mm×595 mm×120 mm；墙②的墙板净高4.5 m，采用墙板规格为3000 mm×595 mm×l00 mm和规格为1500 mm×595 mm×100 mm沿高度方向拼接而成；墙③的墙板净高3 m，采用墙板规格为3000 mm×500 mm×150 mm。结合本实验室振动台台面尺寸，3面墙板安装布置见图3。

图3 墙板平面布置

2.2 试验方法与测点布置

墙板结构的地震模拟振动台试验方法是根据该墙板应用工程的实际场地条件，输入地震设防烈度为9度、加速度放大系数为1.0的地震波，同时在每级地震波输入后进行白噪声扫频以观察动力特性的变化。依据GB50011—2001《建筑抗震设计规范》2008年版[2]，试验地震记录采用2条强震记录和1条人工记录，其中强震记录分别选取了El Centro波和Taft波。

试验前，首先对台面模型输入小幅值的、宽频的（一般取0.5～50 Hz）白噪声激励，确定模型结构的自振频率、阻尼比等特性。然后分别按照9度多遇、设防以及罕遇地震波顺序，依次对模型水平向输入不同加速度峰值的地震波激励[3]。同时，利用动态数据采集系统以及加速度传感器和位移传感器，测试台面墙体试件的加速度、位移反应，从而判断被测试墙板的抗震性能。具体试验工况如表1所示。

表1 模型试验工况

试验主要测试墙板和钢架的加速度反应、墙板的位移反应、观察墙板地震作用下的开裂和破坏情况，以及墙板与钢架结构连接可靠性。试验模型的加速度测点共有7个，每面墙体的钢梁与墙板顶部各布置1个加速度传感器，钢梁基底布置1个加速度作为参考（见图4）；位移测点6个，每面墙体的钢梁底部与墙板顶部各布置1个位移传感器（见图5）。

图4 加速度测点布置

图5 位移测点布置

3 墙板地震反应分析

3.1 模型模态的确定

本试验对模型结构动力特性（模态参数）的识别是基于频响函数估计原理，通过对台面及结构基底输入有限带宽白噪声信号激励信号进行识别。白噪声信号的特点是其功率谱为常数，因此，可以对输入激励后结构的响应信号进行功率谱密度函数估计，从而获得结构模态参数[4]。

试验过程中，为了测试墙板结构在地震作用前后动力特性的变化，在地震作用前后分别输入加速度峰值为0.05 g、频带宽为0.1～35 Hz的白噪声。由北京东方所的振动测试与分析专用软件对模型各部位测点的加速度响应信号进行模态分析，得到模型在地震作用前后的频率见表2。

表2 墙体结构地震作用前后频率变化

从表2可以看出，各级地震作用后结构的主频都略有降低，到了9度罕遇地震作用后，结构一阶主频下降了5.6%。

3.2 模型加速度反应

本次墙板抗震试验采用2条实际地震记录（El Centro和Taft）、1条人工合成地震记录作为振动台试验的输入地震波，进行了不同强度（9度多遇、设防、罕遇）的地震模拟试验，测试了各墙体结构的加速度反应结果，见表3～表5。

表3 9度多遇时的最大加速度反应

表4 9度设防时的最大加速度反应

表5 9度罕遇时的最大加速度反应

由表3～表5墙体加速度反应的峰值可知，墙体出平面方向（台面运动方向）的加速度放大许多。在9度多遇地震波下，高度相同的墙①、墙③加速度放大系数基本相当；随着不同地震波的变化，墙①、墙③顶部放大系数为1.99～2.77，而高度为4.5 m的墙②墙板顶部放大系数为3.66～4.54，相对墙①、墙③增大明显。在9度基本设防和9度罕遇的不同强度地震波输入下，墙板顶部放大系数随之略有增大。图6为地震波输入后各工况下模型的加速度放大系数[5]。

图6 模型加速度放大系数

3.3 模型相对位移反应

本次试验中，主要关注各墙板结构的相对位移反应[6]，即墙板顶部相对于台面（结构基底）的位移D，相对位移最大值见表6～表 8。位移随地震强度的增加而增加。经过9度罕遇地震作用后，墙①、墙②、墙③的相对位移最大值分别达到4.85、8.72、5.25 mm；并且在Taft波罕遇地震作用下，墙板相对位移角倒数为1/516，说明墙板开始趋于弹塑性状态；在试验过程中，墙板结构各部分联接无异常，并且墙板未发现明显裂缝，外观良好。

表6 9度多遇时墙板相对位移反应

表7 9度设防时墙板相对位移反应

表8 9度罕遇时墙板相对位移反应

4 结论

（1）对墙体模型结构按设防烈度9度依次输入9度多遇、9度设防和9度罕遇地震共9次地震波作用后，墙板均未出现明显裂缝，墙板结构联接可靠无异常，外观良好。

（2）由墙板结构的最大加速度反应可知，输入不同强度的地震波激励后，高度相同的墙①、墙③加速度放大系数基本相当，其墙板顶部放大系数为1.8～2.7、高度为4.5 m的墙②比墙①和墙③的加速度反应要大许多，其墙板顶部放大系数为3.66～4.54。随着地震作用强度增加，墙板顶部放大系数随之略有增大。

（3）由墙板的相对位移反应可知，在9度多遇和9度设防地震作用下，墙板处于弹性工作状态；9度罕遇地震作用下，墙板趋于弹塑性工作状态。

（4）在主体结构变形安全的情况下，该层高的送检墙板能够达到9度设防的要求，具有抵抗9度多遇和9度罕遇地震的能力。

[1]王琼.轻质隔墙板的研究[J].科技信息，2011（12）：322.

[2]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3]周颖，吕西林.建筑结构振动台模型试验方法与技术[M].北京：科学出版社，2012：:81-89.

[4]朱立新，葛学礼，于文，等.村镇单层实心砖墙房屋模型振动台试验研究[J].工程抗震与加固改造，2011，33（2）：70-76.

[5]李国强，方明霁，陆烨.钢结构建筑轻质砂加气混凝土墙体的抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动，2005，25（2）：83-87.

[6]李国强，赵欣，孙飞飞，等.钢结构住宅体系墙板及墙板节点足尺模型振动台试验研究[J].地震工程与工程振动，2003，23（1）：64-