第一作者王曙光男，博士，教授，1972年生

新型SIP填充墙板框架结构足尺振动台试验研究

王曙光，庄丽，杜东升，李威威

(南京工业大学土木工程学院，南京211816)

摘要：对两层钢筋混凝土纯框架及带有新型SIP填充墙板的框架结构进行足尺振动台试验，对比研究了结构及墙板的破坏过程和破坏模式，分析了新型SIP墙板对钢筋混凝土框架结构的周期、阻尼比、刚度、楼层加速度以及楼层位移的影响。研究结果表明：与裸框架相比，带有新型SIP填充墙板的框架结构每一层抗侧刚度提高了2.42倍，阻尼比提高了1.87倍且带SIP填充墙板框架结构的阻尼比为5.891%，大于通常在进行普通填充墙结构抗震设计时所采用的5%，说明SIP填充墙板比一般填充墙耗能能力强；结构的楼层位移模式呈剪切型变形特点，层间位移角小于规范限值；从弹性到塑性过程中，除了柱根和墙板上出现裂缝外，没有出现整体垮塌现象说明填充墙体与框架的连接措施可靠，可以在地震区推广使用。

关键词：SIP填充墙板；框架结构；振动台试验；动力特性；地震反应

基金项目：国家科技支撑计划资助(2012BAJ06B00);国家科技支撑计划资助(2012BAJ07B00)

收稿日期：2014-05-20修改稿收到日期：2014-08-19

中图分类号:TU375.4文献标志码：A

Full scale shaking table tests on frame structure with new SIP filling wallboard

WANGShu-guang,ZHUANGLi,DUDong-sheng,LIWei-wei(College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract:Full scale shaking table tests on a two-layer reinforced concrete frame without wallboard and with a new type of SIP filling wall plate were conducted, in order to study the failure process and failure modes of the reinforced concrete frame and wallboard. The influences on the vibration period, damping ratio and stiffness of the reinforced concrete frame because of the addition of the new SIP wallboard were investigated. From the results, it is found that compared with the reinforced concrete frame without wallboard, the lateral stiffness increases 2.42 times for each layer and the damping ratio increases 1.87 times in the frame structure with the new SIP filling wall plate. The damping ratio is 5.891%, more than 5%, and its energy dissipation ability is better than that of the ordinary filling wall. The acceleration amplification coefficient of the structure decreases as the earthquake intensity increases and it increases as the floor height increases. The floor displacement mode of the structure belongs to the type of shear deformation and the interlayer displacement angle is less than the standard limit. From elastic to plastic states, beside the appearance of cracks at the root of the pillars and on the wall, there is no overall collapse phenomenon. The results indicate that the connection measures between the wallboard and the frame are reliable and these kinds of connection measures can be used widely in the earthquake region.

Key words:SIP filling wallboard; frame structure; shaking table test; dynamic characteristics; seismic response

填充墙框架结构在我国应用比较广泛。由历次地震灾害可知，普通填充墙刚度和重度均较大，且自身延性较差，对框架结构整体性能的影响较大，倒塌时容易整体垮塌，易造成二次灾害，给灾后救援工作带来了较大的不便[1-2]。针对上述情况，国内外开展了轻质填充墙板的科学研究。1935年美国威斯康辛州麦迪逊城的一家林木产品实验室(FPL)提出了SIP(Structural Insulated Panels)墙板的概念，是由两层OSB(欧松板)等为面板和一层保温芯板叠合而成的复合板材[3]。Tissell[4]进行了6组共100多个SIP墙片单调加载试验；Jamison[5]对23片足尺SIP墙板进行了低周往复荷载试验；美国土木协会[6-7]对SIP墙板进行了动力性能测试的试验，发布了SIP墙板动力性能分析的白皮书，总结了高度以及开洞率对SIP墙体承载力的影响规律，并提出了面板与芯材的应力公式。国内对这方面研究较少，王曙光等[8-9]研发了自保温SIP墙板，所用材料及连接件与他人不同，并对该新型SIP墙板进行了基本性能试验，研究表明该自保温墙板的大部分性能优于规范限值；王曙光等[10]对该自保温SIP墙板框架结构进行了低周反复荷载试验，研究表明该墙板对结构的延性、强度、耗能等抗震性能都是有利的。

已有研究均着眼于静力加载时新型SIP填充墙板对框架承载力的影响，而动力加载时对框架结构周期、阻尼的影响少有研究。本文对两层钢筋混凝土纯框架及带有新型SIP填充墙板的框架结构进行足尺振动台试验，对比研究了结构及墙板的破坏过程和破坏模式，并检验填充墙板与框架结构之间连接措施的可靠性，评价自保温SIP填充墙板框架结构的整体抗震性能，并给出设计建议。

1试验概况

1.1模型的设计

试验模型的原型为一个典型的二层单跨住宅。根据规范[11-13]，考虑振动台台面尺寸和承载能力后对其进行建筑设计。试验缩尺比例为1∶1。设计基本信息为：设计使用年限为50a；建筑结构的安全等级为三级，相应的结构重要性系数为γo=1.0；抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度为0.10 g，Ⅱ类场地，地震分组为第一组；基本风压0.4 kN/m2，地面粗糙程度B类，丙类建筑。

试验模型总高5.5 m，底梁以上结构总高5.2 m，层高2.6 m。横向柱距2.1 m，纵向柱距2.6 m。框架柱截面尺寸为0.2 m×0.2 m，框架梁截面尺寸为0.15 m×0.2 m，底梁截面尺寸为0.3 m×0.3 m，板厚0.06 m。混凝土强度等级为C30，楼板均布活荷载2 kN/m2，恒载1.5 kN/m2。

采用刚性地基假定，底座为口字型的刚性底梁，试验模型的配筋图(见图1)。

图1　模型平面配筋图 Fig.1 Planar reinforcement figure of test model

自保温SIP墙板主要由聚苯乙烯泡沫板芯材、杨木胶合板和混有短玻璃纤维的石膏三部分组成，即用两块杨木胶合板将聚苯乙烯泡沫板芯材夹在中间。墙板的尺寸组成为：15 mm厚的石膏，6 mm厚的杨木胶合板，60 mm厚的聚苯乙烯泡沫，总厚度为15 mm×2+6 mm×2+60 mm=102 mm。石膏由半水石膏粉3 kg、普通自来水2.5 kg及长度为20 mm的短玻璃纤维0.075 kg拌制而成，三者的质量比为40∶26.7∶3。木衬板采用杨木胶合板，规格为600 mm×2 394 mm×6 mm。聚苯乙烯泡沫为江苏白云钢结构有限公司生产的EPS泡沫板，质量密度为20 kg/m3。本文自保温SIP填充墙板实际厚度为102 mm，自重0.483 kN，比同等厚度的普通SIP墙板更轻。

单片墙板的宽度按照600 mm的模数考虑设计，墙板结构图(见图2)。本次试验所设计的框架结构沿振动方向框架柱之间的间距为2 400 mm，故每片墙由4片单片墙板组合而成，连接单块墙板的木骨柱为Ⅲc级以上的南方松规格材，中间部分的木骨柱截面尺寸为60 mm×60 mm，沿墙长方向的中心间距为600 mm，位于整块墙体两侧木骨柱的截面尺寸为30 mm×60 mm，同时用长度为50 mm的普通圆钉将单片墙板与木骨柱进行连接。墙板结构和墙板拼接见图2和图3。

图2　600 mm宽SIP墙板结构图 Fig.2 The new panel of SIP

注：1.墙骨柱采用钉接连接。
2.钉子长50 mm，直径25 mm，为普通本地圆钉。
3.墙骨柱为Ⅲc级以上的南方松规格材。
4.墙骨柱截面尺寸为50 mm×60 mm,50 mm×30 mm。
图3墙板拼接示意图
Fig.3 Figure of wall and plate splice joint

新型SIP墙板是内填充墙墙板，与框架梁、柱之间的连接通常采用柔性连接。采用L型钢板卡将新型SIP墙板与框架柱相连接，板卡一端与墙板之间采用规格为ST3.5的十字槽盘头自攻螺钉相连接，公称长度为25 mm，板卡另一端与框架柱采用规格为M8×90的膨胀螺栓相连接；采用U型钢板卡将新型SIP墙板与框架梁相连接，其中U型板卡与事先预埋在梁中的预埋件焊接在一起。所用钢材均为Q235，钢板卡厚3 mm。板卡详图见图4和图5。

图4　L型钢板卡详图 Fig.4 Detail drawing of L-shaped steel board

图5　U型板卡与预埋件详图 Fig.5 Detail drawing of U-shaped steel board and embedded parts

1.2测点布置与加载方案

共布置7个加速度传感器，布置位置及编号分别为：底梁A1、一层梁中部A3、一层梁左端A2、一层梁右端A4、二层梁中部A6、二层梁左端A5、二层梁右端A7(见图6)。

试验设计应变片包括钢筋应变片和混凝土应变片。钢筋应变片分别布置在沿激振方向的两根柱子柱底以及梁两端距离支座150 mm处。混凝土应变片分别布置在每层柱子距离柱根150 mm以及每层梁跨中受拉区。共有钢筋应变片28个，混凝土应变片18个。

图6　模型实物及传感器布置图 Fig.6 Physical model and sensor layout

试验采用单向激震，选用两条天然地震波记录(El-Centro波和Taft波)和一条人工波。采用四级施加方式逐次进行7度基本烈度地震、7度罕遇地震、8度罕遇地震和9度罕遇地震下的振动台试验研究，并在每级工况前后对试验模型进行白噪声扫频。首先对纯框架结构进行白噪声扫频试验，之后安装SIP墙板，进行带SIP墙板框架结构的振动台试验。试验工况总数为18个。试验加载工况见表1。

表1　试验加载工况

2试验结果与分析

2.1试验现象

7度基本烈度地震下，结构整体有轻微晃动，位移响应较小，加载完成后模型表面未发现可见裂缝，白噪声扫频试验表明结构周期比加载前延长2.5%，可认为结构处于弹性状态。

7度罕遇地震下，墙体出现轻微的挤压声，持续时间较短，且在振动的过程中一层墙体与框架梁之间产生可见的相对错动位移，但墙体与框架之间的连接完好，连接件没有出现外拔等松动现象，结构整体反应较7度基本烈度地震时有一定程度的放大，同时上部楼层位移响应增大，待该烈度的三个工况加载结束后，模型表面也未发现明显的裂缝，白噪声扫频试验表明结构周期比加载前延长7.7%，表明结构内部开始出现轻微损伤。

8度罕遇地震下，结构整体位移响应较大，墙体由于挤压而出现了较大的响声，且持续时间相对较长。部分L型钢板卡出现松动现象，位于一层的填充墙板在墙角处的木肋出现挤压裂缝，部分墙板上的石膏出现细微的剪切裂缝，同时在柱脚处也出现了可见裂缝。在加载过程中，墙体与框架梁之间有明显的相对错动位移，其中一层的相对错动现象最为明显。白噪声扫频试验结果亦表明结构损伤增大，刚度退化较大，结构进入弹塑性状态，但结构整体不倒塌。构件损伤情况见图7。

图7　8度罕遇地震下构件损伤情况 Fig.7 Damage of components under 8 degrees severe earthquake

9度罕遇地震下，结构整体位移响应较大，墙板出现因挤压而产生的较大脆裂声响，持续时间较长。一层梁底下的多处墙板角部木肋出现开裂现象，柱脚出现较多裂缝，L型钢板卡与框架柱之间的连接处出现膨胀螺栓外拔现象及混凝土脱落的情况。说明结构出现了较大损伤，刚度退化程度较大，结构进入塑性的程度加深。构件损伤情况见图8。

图8　9度罕遇地震下构件损伤情况 Fig.8 Damage of components under 9 degrees severe earthquake

2.2体系的动力特性

表2给出了各工况下纯框架以及带填充墙框架结构的一阶周期和结构阻尼比。

表2　模型结构的基本频率和阻尼比

由表中数据可知，带有自保温SIP填充墙板的框架结构的刚度比纯框架结构明显增大，纯框架的自振周期为0.274s，带填充墙板框架结构的自振周期为0.156s，自振周期减小43%；带填充墙板框架结构的阻尼比为5.891%，是纯框架的2.87倍，同时也大于通常在进行结构抗震设计时所采用的5%。建议在相应的结构设计中，偏保守地将带有新型SIP填充墙板的框架-填充墙结构的阻尼比取为5%。

2.3新型SIP墙板对框架结构刚度的提高

图9　框架结构等效模型 Fig.9 Equivalent model of the framework

采用自工况C0和工况C1中识别出的结构自振频率，研究新型SIP填充墙板对框架结构的刚度贡献。模型结构体系较规整，质量分布对称，假定为两自由度的串联质点系(见图9)。

根据试验数据可知，带填充墙板框架结构在地震作用下的楼层层间位移变形符合剪切型变形特点，故在计算结构变形时仅考虑结构的侧向变形，仅考虑侧向刚度。根据《结构动力学》[14]相关内容可知，结构的一阶自振圆频率与结构的抗侧刚度的关系为：

(1)

由此可得出K/K′=18.321×106/5.356×106=3.42，即由于新型SIP墙板的加入，使得该框架结构每一层的抗侧刚度提高到3.42倍。

2.4加速度反应

图10给出了加速度峰值分别为100 gal、220 gal、400 gal和620 gal时结构各层加速度放大系数ηa的分布。

图10　不同地震烈度下结构各层的加速度放大系数 Fig.10 Layers acceleration amplification factor under different seismic intensity

由图10可知：

(1)随着地震烈度的提高，带填充墙框架结构的加速度放大系数逐渐减小，表明随着地震烈度的增加，结构进入塑性的程度逐渐增加，耗能能力加大，结构的抗侧刚度减小。

(2)带填充墙板框架结构在不同烈度的地震作用下，其加速度的峰值均发生在结构的顶部，加速度放大系数随着楼层的增加而增大，二层加速度放大系数增加的幅度较一层大；随着地震烈度的增大，结构的损伤增大，且一层的损伤大于二层，一层耗能能力增大，导致该结构一层的加速度放大系数下降较快，这种现象可从图9可知，当地震烈度为9度时，带填充墙板框架结构一层的放大系数已经趋近于1，而二层的放大系数约为1.5。

综上，该结构的整体性能良好，随着地震烈度的增加，结构逐渐进入塑性阶段，加速度放大系数逐渐减小；随着楼层高度的增大加速度放大系数逐渐增加。由此说明楼层的高度、抗侧力构件的抗侧刚度及结构本身的耗能能力均会影响到楼层加速度放大系数。

2.5位移反应

带填充墙板框架结构在不同烈度地震下，各楼层层间位移(见图11)，层间位移角最大值见表3。

图11　不同地震烈度下结构最大层间位移 Fig.11 Maximum layers relative displacement response under different seismic intensity

地震烈度层间位移角EL-Centro波Taft波人工波7度基本烈度1/24791/23281/27997度罕遇1/13311/16171/14778度罕遇1/8981/8911/7249度罕遇1/5871/4531/493

由图11和表3可知：

(1)结构最大层位移处于顶层，最大层间位移角则发生在首层，其楼层位移形式符合钢筋混凝土框架结构的剪切型变形特点。结构在8度罕遇地震下，层间位移最大值为3.592 mm，对应的层间位移角为1/724，小于建筑抗震设计规范中随规定的1/550；9度罕遇地震下，层间位移角为1/453，远小于弹塑性位移角限值1/50。随着地震烈度的增大，结构各楼层的层间位移角增大，且层间位移角均小于规范限值。

(2)结构在试验过程中整体性较好，除了柱根和墙板上出现裂缝外，没有出现垮塌的试验现象，说明该结构整体抗震性能良好，能够抵御9度罕遇地震。

3结论

通过对二层自保温SIP填充墙板框架结构足尺模型进行振动台试验研究，得出以下结论：

(1)自保温SIP填充墙板具有轻质的优点，工业化程度较高，可以在现场一次性组装完成整片墙体进行安装工作，施工方便，有利于推广使用。

(2)自保温SIP填充墙板与框架之间主要靠L型钢板卡进行连接。在整个地震模拟振动台试验的过程中，墙板自身没有出现与钢板卡整体大面积脱开的现象，表明L型钢板卡可以为墙板提供可靠的连接。

(3)自保温SIP填充墙板框架结构在7度基本烈度地震下保持弹性，7度罕遇地震下出现轻微损伤，8度和9度罕遇地震下进入塑性，刚度退化，自振频率降低，但整体结构屹立不倒，满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。

(4)自保温SIP墙板对该框架结构主体抗侧刚度、阻尼比等性能均具有较大的影响，其中带填充墙板框架结构抗侧刚度为纯框架的3.4倍，带填充墙板框架结构的阻尼比为5.891%，是纯框架的的2.87倍，同时也大于通常在进行结构抗震设计时所采用的5%，表明SIP墙板提高了结构耗能能力。

(5)同一地震波下，随着楼层的增高，加速度放大系数逐渐增大；随着地震烈度的增大，楼层加速度放大系数先增大后逐渐减小。

(6)模型结构的最大楼层位移处于顶层，最大层间位移角发生在首层，其楼层位移形式属于剪切型变形，且层间位移角值满足规范限值，结构在弹性到塑性过程中，除了在柱根和墙板上出现裂缝外，没有出现垮塌的试验现象，整体性能较好。

参考文献

[1]霍林生，李宏男，肖诗云，等. 汶川地震钢筋混凝土框架结构震害调查与启示[J]. 大连理工大学学报, 2009, 49(5): 718-723.

HUO Lin-sheng, LI Hong-nan, XIAO Shi-yun, et al.Earthquake damage investigation and analysis of reinforced concrete frame structures in Wenchuan earthquake[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2009, 49(5): 718-723.

[2]杨伟，侯爽，欧进萍. 从汶川地震分析填充墙对结构整体抗震能力影响[J]. 大连理工大学学报, 2009, 49(5): 770-775.

YANG Wei, HOU Shuang, OU Jin-ping. Analysis of influence of structural global seismic capacity induced by infills subjected to Wenchuan earthquake[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2009, 49(5): 770-775.

[3]Weber C G. Fiber building boards[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry,1935,27(8): 896-898.

[4]Tissel J R. Wood structural panel shear walls[R]. Researeh Report 154 APA-The Engineered Wood Association, Tacoma, WA98411,1993.

[5]Jamison J B. Monotonic and cyclic performance of structrually insulated panel shear walls[R]. Virginia Polytechnic Institute and State University,1997.

[6]Kermani A,Hairstans R. Racking performance of structural insulated panels[J]. Journal of Structural Engineering-asce, 2006, 132(11): 1806-1812.

[7]Mullens M A, Arif M. Structural insulated panels: Impact on theresidential construction process[J]. Journal of Constructing Engineering and Management-asce, 2006,132(7):786-794.

[8]王曙光，吴刚，毛蓉芳. 一种新型复合隔墙板及其生产工艺:中国CN201110454837.X[P]. 2012-05-02.

[9]王曙光，吴桐,刘伟庆,等. 新型SIP墙板的基本性能试验[J]. 新型建筑材料, 2013,40(3):72-76.

WANG Shu-guang, WU Tong, LIU Wei-qing, et al. The basic properties test ofnew SIP wall panel[J]. New Building Materials, 2013,40(3):72-76.

[10]王曙光，孙伟,刘伟庆，等. 带有新型SIP墙板的框架结构抗震性能研究[J]. 世界地震工程, 2013, 29(1): 108-113.

WANG Shu-guang,SUN Wei, LIU Wei-qing, et al. Reasearch on seismic performance of framework with new SIP filled wallboard[J]. World Earthquake Engineering, 2013, 29(1): 108-113.

[11]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[12]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[13]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[14]龙驭球，包世华,等. 结构力学Ⅱ[M]. 北京：高等教育出版社, 2006.