一种扣件+卡槽组合式连接的带光伏板剪力墙拟静力试验研究

章红梅 董金芝 师振华 彭晋卿 吕西林

(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092;2.香港理工大学屋宇设备工程学系，香港999077)

1 引言

太阳能光伏建筑是一种新兴的节能建筑形式。建筑能耗占全世界总能耗的30%左右，并且持续呈上升趋势[1]。太阳能是一种可再生能源，相比将在不久的几十年间行将告罄的传统石化能源，太阳能具有清洁无污染，取之不尽，用之不竭，随处可用等优点[2]。在传统石化能源即将枯竭的同时，城市建设速度不断加快，高层、超高层建筑鳞次栉比出现在大中城市，特别是中国东部和南部地区。据统计，中国大陆建筑能耗占总能耗的30%多，而这一比例在中国香港地区更高，高达50%[3-4]。针对这一现状，国内外开展了一系列的光伏建筑研究计划，包括美国的“百万光伏屋顶计划”，德国的“十万屋顶计划”，欧洲和其他发达国家的太阳能计划等，我国上海也启动了“十万屋顶计划”[5]。光伏建筑一体化研究已成为人们探寻新的居住方式和资源取用方式的重要途径之一[6]。

光伏系统与建筑立面的结合已有实际工程应用和研究。香港理工大学从90年代起建造了光伏建筑示范建筑，到目前工作效率下降仅10%左右[2]。世界各地近年来也兴建了不少光伏建筑的工程实例，如中国的保定电谷锦江国际酒店和珠江新城[7]、丹麦的布伦特兰中心[8]、德国的塞尼峰学院[8]等。香港理工大学杨洪兴、彭晋卿等针对香港地区安装于外层墙面的光伏幕墙的年热工性能进行了试验研究[9]。Lau建立数值模型并开展试验分析了自然通风的光伏板-外立面建筑的温度效应[10]。Chow等研究了光伏板-外立面建筑的综合能耗[11]。

然而，国内外已经开展的研究较少涉及光伏建筑的安全性能，特别是光伏板作为外围构件大面积应用于高层超高层结构外立面时的破坏形式、变形性能、与主体结构的协同工作性能等还少有研究。对于高层建筑外立面安装光伏系统的研究仅停留于能量转化效率的研究上，未考虑光伏建筑抗震性能的问题。而高层、超高层建筑光伏组件在地震时可能破坏和掉落造成次生灾害，成为地震安全隐患[12]。我国《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》(JGJ 203—2010)[13]对光伏系统的设计作了规定，包括光伏组件及系统其他部件的构造、安装、维护、日常保养、更换等，并规定对于抗震设防的地区还应考虑地震作用。但是，带光伏板剪力墙结构的连接形式的安全性能还少有试验验证。本研究根据已有光伏板与建筑立面结合的方式，测试了一种扣件+卡槽的组合式光伏板-剪力墙连接件，分析了光伏板-连接件-剪力墙的协同工作性能等。

2 试验概况

当前，光伏组件与建筑结合多集中于建筑屋顶，在建筑立面上的应用还不多见。本研究主要针对高层结构外立面，选取剪力墙作为依托主体结构进行研究。参考了光伏板与建筑结构的传统连接方式，制作了一种扣件+卡槽连接件，用于连接光伏板与建筑剪力墙。为检验该连接方式下光伏板、连接件、剪力墙的变形、破坏、协同工作能力，在初步计算的基础上，通过拟静力试验进行了研究。一般说来，可以通过结构动力实验、静力试验来检验结构的性能。在本研究中，整体结构动力试验花费巨大，且光伏板和连接件缩尺后尺寸效应明显，故制作典型构件进行低周反复试验。试验研究了该光伏板剪力墙的抗震性能、连接装置的可靠性及其对光伏板发电性能的影响等。

2.1 试件设计

试验所依附的主体结构采用的剪力墙为传统配筋钢筋混凝土剪力墙，由于试验条件限制，剪力墙截面尺寸设计为1000 mm×2000 mm×125 mm，高宽比为2.0，混凝土强度等级为C40，边缘约束区长度为200 mm，钢筋等级为HPB300及HRB335，剪力墙顶部设定为自由端，剪力墙配筋示意如图1所示。在剪力墙上下左右4个脚部设置预埋件，预埋件设计按照《钢筋混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[14]和《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[15]设计。预埋件和光伏板之间采用连接件连接，从而将光伏组件安装到剪力墙构件外立面上。

2.2 连接设计

我国《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》(JGJ 203—2010)[13]中结构设计部分规定:光伏方阵与主体结构的连接和锚固必须牢固可靠，主体结构的承载力必须经过计算或实物试验予以确认，同时必须具备承受光伏方阵等传递的各种作用的能力，并要留有余地，防止偶然因素产生破坏。目前，光伏组件与建筑立面连接的方式包括:预埋件螺栓直连式(图2(a))以及副框架压块式(图2(b))。副框架压块式多用于屋面等形式，用于建筑立面的更多是螺栓直连式。本试验在压块式连接和螺栓连接的基础上，考虑安装的便利性，制作了一种扣件+卡槽式光伏板剪力墙试件。扣件+卡槽式连接件构造及尺寸示意图如图3所示，预埋件尺寸及布置分别如图4、图5所示。

图1 带光伏板剪力墙Fig.1 Schematic diagram of the reinforcement of RC shear wall with PV panel

图2 光伏板立面连接方式

图3 扣件+卡槽连接件示意图(单位:mm)Fig.3 Schematic diagram of the connection(Unit:mm)

经重力和静风荷载验算，应力均在其材料弹性范围以内。扣件卡槽式可防止光伏组件倾覆、掉落和大变形，卡扣可以使在现场方便安装，并允许光伏板和主体结构发生相对变形，防止组件各连接点受力不均。光伏板上下卡槽采用硬铝制作，卡扣采用不锈钢加工。

2.3 材料的力学性能

根据混凝土材料试验方法[6]，剪力墙混凝土设计强度为C40，弹性模量平均值为3.38×104N/mm2，棱柱体抗压强度为 28.3 N/mm2，立方体抗压强度为38.6 N/mm2;预埋锚板采用Q235级钢，焊接钢筋等级为B10，预埋件尺寸如图4所示，钢筋与钢板材料力学性能实测平均值如表1所示[7];橡胶块机械性能测试依据《硫化橡胶或热塑性橡胶常温高温及低温下的压缩永久变形测定标准》(GB177759—1996)[18]进行，采用几何尺寸为35 mm×50 mm×50 mm的HS65天然橡胶块，测试了橡胶块的刚度、变形和破坏情况。试验过程是将橡胶块加载面涂润滑油，上下垫6 mm的钢板，通过钢板给橡胶块施加轴向力，两块钢板间或者橡胶块竖向高度50 mm的方向要设置延伸计等测量其变形的装置，记录力与位移变形曲线，并特别采集变形量为10%、20%、25%和50%时的力和变形值，实测值及平均值如表2所示。

表1 钢筋与钢板材料力学性能Table 1 Material properties of rebar and steel plate

表2 橡胶材料力学性能Table 2 Material properties of rubber

2.4 试验装置及加载制度

带光伏板剪力墙试件低周反复试验的加载装置同文献[9]，水平作动器一端固定于反力墙上，另一端通过钢板作用在试件加载梁上。此外，在顶梁平面外附加水平限位装置，以保证试件仅发生平面内的位移，防止试件在加载过程中出现平面外的失稳破坏。

依据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—1996)[20]，本试验加载程序采用位移加载控制方式。试件初始侧向位移目标1 mm，屈服前位移每级增加1 mm，往复加载循环一次;试件屈服后位移每级增加2 mm，往复加载，每级循环三次。加载制度如图6所示。屈服位移的判断以墙体力-位移曲线出现拐点为准，当荷载下降至最大荷载的85%或墙体角部主筋拉断或层间位移角超过4%时，停止加载。

图6 加载制度示意图Fig.6 Schematic diagram of loading system

2.5 测点布置

应变片布置:剪力墙底部应变片用以调查剪力墙底部截面应变情况。沿高度方向两列应变片用以测量剪力墙塑性区发展过程，其余应变片用以测量剪切变形。

位移计布置:为研究光伏板及连接件的变形情况，分别在光伏板的四角点和连接件处布置了水平位移计，此外，在剪力墙试件的侧面安装了3个水平位移计，用以考察剪力墙的承载能力及变形性能。

3 试验结果及分析

3.1 试件破坏过程及形态

本次试验设定加载结束时的侧向位移为40 mm，剪力墙的最终破坏形态如图7所示。加载至3 mm时，剪力墙两侧开始出现裂缝，5～13 mm时，新裂缝由下向上依次出现，之后大量裂缝出现，至15 mm时，墙体中部裂缝大量扩展贯通形成剪切斜裂缝，17～19 mm时，新裂缝基本不再出现，斜裂缝加宽加深，角部附近出现竖向裂缝，逐渐与其余裂缝发展贯通，直至角部混凝土块状开裂，21 mm时，角部表面混凝土开始零星脱落，25 mm时，墙体两侧角部混凝土陆续脱落，一侧钢筋暴露，33 mm时，有连续的钢筋断裂声，一侧暴露的钢筋压弯，35～40 mm加载过程中，墙角混凝土块状脱落，不断有钢筋断裂声，直至加载结束，预埋件未出现明显破坏现象，光伏板也未发现明显裂纹。

图7 试件破坏形态图Fig.7 Failure pattern of the specimen

3.2 剪力墙滞回曲线

恢复力曲线可以反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量耗散特征，是进行非线性地震反应分析的依据。由本次低周反复试验得到的剪力墙的滞回曲线(1号位移计与荷载传感器)和骨架曲线分别如图8所示。

图8 剪力墙滞回曲线图Fig.8 Hysteretic diagram of RC shear wall

3.3 承载能力和位移延性系数

表3为剪力墙的开裂荷载、屈服荷载和峰值荷载的实测值，其中，Fc为试件开裂荷载，取正负向均值;Fy为试件的屈服荷载，由于骨架曲线没有明显的屈服点，不同学者根据不同理论提出了不同的屈服点定义方法，本论文是基于实际构件在75%峰值荷载处的割线刚度而定义的屈服点，Fmax为试件峰值荷载，μcm为开裂荷载和极限荷载的比值，μym为屈服荷载和极限荷载的比值[17]。

表3 剪力墙承载力实测值Table 3 Test results of bearing capacity of RC shear wall

位移延性系数定义为 μ=Δu/Δy。Δu和Δy分别为试件的极限位移和屈服位移，Δu为极限位移，取为承载力下降到峰值荷载的85%时对应的位移[18]。Δc为开裂位移。剪力墙的极限位移延性系数如表4所示。

表4 剪力墙极限位移延性系数Table 4 Ultimate displacement ductility coefficient of RC shear wall

3.5 光伏板变形

光伏板作为非结构构件，通过连接件与剪力墙相连，在剪力墙低周反复加载过程中，光伏板随剪力墙变形而变形。试验过程中，根据在光伏板四个脚点布设的位移计所采集到的数据，取上部两个脚点的位移平均值减去下部两个脚点的平均值，求得光伏板的位移角随加载时间的变化曲线如图9所示。由于光伏板主要组成部分为钢化玻璃，其光伏板的变形主要为刚体位移，此处的位移角主要为光伏板在剪力墙反复加载过程中的刚性转角。根据图9可见，光伏板转角从0开始循环递增，到位移角约为1/200时出现拐角，此后位移角增幅不大。位移角从1/200到1/100期间，位移角仍处于稳步缓慢递增，但位移角大于1/100时，位移角开始出现偏移和不规则变化。

当主体结构(剪力墙结构)层间位移从0加载到1/50的过程中，所连接的光伏板的位移角从0递增到1/80，光伏板本身未见裂缝出现，剪力墙内预埋件和连接件也未见肉眼可见变形和破坏，加载完毕试件极限破坏时的照片如图10所示，连接件照片如图11所示。

图11 极限破坏连接件照片Fig.11 View of connector ultimate damaged

3.5 光伏板发电性能

为充分研究因主体结构(此处为剪力墙)变形对光伏板工作性能的影响，试验还同步测试了在加载过程中光伏板的电流—电压—剪力墙侧向位移关系曲线(图12)以及光伏板的发电最大功率—剪力墙侧向位移曲线(图13)。试验结果显示，光伏板的发电性能包括电压变化、电流变化以及最大发电功率变化。在主体结构加载过程中仅存在偶然波动，没有发现以上发电指标随主体结构位移角增加明显降低的现象。其发电性能的偶然波动的可能原因为试验过程中的一些偶然因素的影响，如光源的输出功率波动、调整灯具位置等，另外光伏板的发电效率也会随着光伏板背板温度的升高有所波动。若将每一次加载循环下光伏板的电流电压关系曲线画于一张图上，曲线形状大体一致，接近重合，未出现明显异常情况，此外，光伏板的发电效率在加载过程中也基本保持稳定，介于48.7 ～55.5 W 之间。

4 试验结果讨论

4.1 剪力墙破坏模式及承载能力

图12 光伏板电流-电压-主体结构侧向位移关系曲线图Fig.12 Current-voltage-loading displacemen curve of PV panel

图13 光伏板发电最大功率-加载位移关系曲线图Fig.13 Maximun power-loading displacement curve of PV panel

光伏板作为非结构构件与剪力墙相连，对剪力墙的受力性能未见有影响，剪力墙的破坏过程有以下特征:在反复荷载作用下，首先在墙体侧面底部出现横向裂缝，按照上述屈服点的定义方法可以认为剪力墙已经屈服，紧接着横向裂缝开始大量出现并呈上移趋势，随后横向裂缝稳定扩展，墙体正面出现斜向裂缝，并向中部扩展贯通斜向交叉，形成明显的交叉斜裂缝，而墙体侧面在此阶段只是原裂缝的扩展贯通，新裂缝基本不再出现，约至1.5倍的平均峰值位移时，剪力墙底部混凝土出现压碎，约至2倍的平均峰值位移时，墙角混凝土开始剥落，此时，按照上述极限点的定义方法剪力墙已经达到极限位移;此后，试验现象越来越明显，约至1.5倍的平均极限位移时，出现钢筋断裂声，墙体底部混凝土大块掉落，剪力墙承载力急剧下降，直至试验结束。剪力墙正负两个方向的平均峰值位移为12 mm，对应的平均峰值荷载为115 kN，剪力墙正负两个方向的平均极限位移为25 mm，对应的平均极限荷载为99 kN。以上破坏过程与普通剪力墙的破坏特征一致，可参见文献[21]所述类似条件剪力墙破坏特征描述。

4.2 连接件性能

本次试验中，预埋锚板钢材为Q235级，并用等级为B10焊接钢筋焊接在剪力墙中，与剪力墙面平齐，试验中未发生任何破坏。钢扣件的强度等级也为Q235级，其尺寸在确定主要考虑制作安装便利及在光伏板重力、静力风荷载下抗剪抗弯等，保证钢构件在所考虑荷载条件下保持弹性状态，并在保证焊接质量的前提下，光伏组件质量较轻。

为使光伏板有足够的变形空间，在建筑立面能够支撑其自身重力，并且在一定荷载条件下不至于倾覆和跳出而引起次生灾害，在光伏板上下端设计了铝合金卡槽并在其中铺设了橡胶垫。铝合金卡槽在试验过程中无任何破坏现象，整体来看，连接件设计牢靠，在加载过程中随墙体侧移，直至试验结束未出现任何明显的开裂脱落或连接件变形等破坏现象，连接件在拟静力试验中的性能可满足要求，但在动力试验中光伏电板与主体结构构件的协同工作性能仍需试验验证，实际应用中可能主要考虑可安装性能、可更换性能、制作成本及采取防锈蚀措施等。由于连接件设计时未考虑工作间隙，所用材料有所富裕，在下一步研究中可以进行针对该边界条件的设计优化。

此外，试验过程中光伏板未发现有开裂现象，通过对光伏板的电压电流曲线以及发电效率曲线的分析，光伏板的发电性能在试验过程中未出现明显波动现象，表明该连接形式下，光伏板、连接件性能良好，光伏板仍然能够保持正常工作。

5 结论

本文通过低周反复试验测试了一种光伏板与剪力墙的连接方式的工作性能，研究了带光伏板剪力墙在反复荷载作用下的极限承载力性能、滞回特性、延性以及破坏特征等，重点研究了在往复荷载作用下剪力墙与光伏板连接装置的可靠性及其对光伏板发电性能的影响。研究结果表明:在剪力墙发生较大侧向位移及变形的情况下，连接装置仍未发生破坏，具有可靠的工作性能，光伏板未见物理破坏，其发电性能未受到明显影响。

我国《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》规定，在低纬度地区的墙面上安装光伏组件时，由于太阳高度角较小，安装在墙面上或直接构成围护结构的光伏组件应有适当的倾角以接受较多的太阳光，同时光伏系统结构设计应区分是否抗震，对于抗震设防的地区，除考虑系统自重、风荷载和雪荷载外，还应考虑地震作用，由于地震是动力作用，对连接节点会产生较大影响，使连接发生震害甚至造成光伏方阵脱落，所以，为进一步考虑光伏建筑抗震性能的问题，应进一步研究的问题有光伏板本身的变形能力及对发电量的影响，带多块光伏板的整体结构的动力试验，光伏板连接件的优化、带光伏板高层/超高层结构的抗震设计方法等问题。

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