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摘 要：今年来，我国在众多城市的中心地区建设了很多的高层和超高层幕墙。一旦因地震而导致幕墙外围护结构破坏脱落，可能造成严重的次生灾害。因此，本文通过研制幕墙面板抗震性检测装置，建立小型地震模拟系统，为提高建筑幕墙的使用寿命，特别是石材幕墙的安全运营方面提供坚实可靠的理论依据及测试装备，从而大幅度降低建筑幕墙安全事故发生率。
关键词：建筑幕墙；抗震性能；变形性能；时程分析法
中图分类号：TU227 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）03-0027-01
1 概述
建筑幕墙近年来发展迅猛，我国已经成为世界第一幕墙生产大国和第一幕墙使用大国，建筑幕墙不仅可以通过不同的饰面材料及不同的结构满足建筑物的外装独特的艺术视觉效果，而且具有保护建筑物、遮风、挡雨、隔声隔热、采光、通风、抗震等建筑功能，与普通填充墙相比，建筑幕墙具有建设速度快、结构质量轻、易维护的特点。建筑幕墙按照施工方式不同通常分为单元式幕墙和构件式幕墙；按照面板材料类型不同通常分为玻璃幕墙、金属板幕墙、建筑幕墙幕墙、人造板材幕墙、组合面板幕墙。此外，目前还出现了智能幕墙、双层幕墙、光伏幕墙等新型高科技幕墙产品，建筑幕墙是由面板与支承结构体系（支承装置与支承系统）组成，可相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力，但不承担主体结构所受作用的建筑外围护墙。
建筑幕墙设计时需要考虑建筑造型和建筑结构多方面的性能要求，譬如力学（强度、刚度及稳定性）、防水、隔热、气密、防火、抗震和避雷等性能，这些性能与使用功能和人身安全都有着密切关系，建筑幕墙作为建筑物的外围护构件，主要承受风荷载、自重及地震荷载。相比而言，地震荷载较小，但地震作用是动力作用，对幕墙与主体结构的连接节点有较大的影响，而连接点的破坏有可能引起幕墙的脱落、倒塌。因此，对幕墙的抗震性能进行试验，了解在地震作用下幕墙结构的变化情况很有必要。地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环节，是确定所设计的结构是否满足最低抗震设防安全要求的关键环节。
由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用对建筑幕墙结构影响的计算方法也是不同的，一个世纪以来，幕墙结构地震反应计算方法也经历了一个由简到繁，由片面到全面的发展过程，1920年，由日本大森房吉提出的静力法。即假设建筑物为绝对刚体，结构所受的水平地震作用，可以简化为作用于结构上的等效水平静力，但这种方法的缺点就是没有考虑结构的动力特性，认为地震时结构上任一点的振动加速度均等于地面运动的加速度，这意味着结构刚度是无限大的，即结构是刚性的。这是一种理想状态，与实际情况有很大的差距，所以这种方法就显得的比较片面；1943年美国皮奥特（M.A.Biot）发表了以实际地震记录求得的加速度反应谱，提出的“弹性反应谱理论”，由于反应谱理论正确而简单地反映了地震特性以及结构的动力特性，从而得到了国际上广泛的承认。实际上到50年代，反应谱理论已基本取代了静力法。目前，世界上普遍采用此方法。大量的震害分析表明，反应谱理论虽考虑了振幅和频谱两个要素，但只解决了大部分问题，地震持续时间对震害的影响始终在设计理论中没有得到反映。这是反应谱理论的局限性。时程分析法将实际地震加速度时程记录作为动荷载输入，进行幕墙结构的地震响应分析。不仅可以全面考虑地震强度、频谱特性、地震持续时间等强震三要素，还进一步考虑了反应谱所不能概括的其它特性。
我们目前研制的幕墙抗震模拟测试台就是在时程分析法的理论基础上，开发研制的一套幕墙抗震模拟测试台，该测试台在水平或垂直方向都可以灵活的布置执行机构，采用SIEMENS的振动控制器和伺服控制器，针对不同的地震等级，产生不同的模拟测试效果。该模拟测试台具有推力大，行程长，能模拟极低频率的地震波，从而可以客观的评价建筑幕墙的抗震能力。地震模拟试验台满足《建筑抗震试验方法规程》JGJ 101的设备要求，能够准确的复现各种地震波（例如EI-Centro地震波，人工合成的地震波等），用户只需根据试验要求及结构特点等因素，在建筑物结构模型上布置数量不等的加速度和应力测点，通过采集这些测点的地震反应（加速度， 位移，动应力）来研究整体结构和主要构件在地震作用下的变形规律和受力状态。同时，该地震模拟模拟试验台可按照客户的需求灵活定制，并参考国内外地震模拟试验标准完成相应的地震模拟试验。例如GR-63-CORE ISSUE3、《高压开关设备和控制设备的抗震要求》GB/T 13540、《电工电子产品环境试验 第3部分：试验导则 地震实验方法》GB/T 2424.25等。
2 理论依据
2.1 样品要求
測试样品种类：一类采用铝板+玻璃（方向为试验时的X方向），铝板采用3mm厚单层成型铝板，玻璃采用6mm厚钢化玻璃；另一为建筑幕墙+玻璃（方向为试验时的Y方向），建筑幕墙采用30mm厚花岗岩，玻璃采用8mm厚钢化玻璃；为便于试验幕墙下部部分没有安装面板，面板安装后的缝隙未注密封胶。试验框架的单个面安装幕墙。
2.2 幕墙与框架的连接
幕墙通过钢连接件、锚栓与主体结构（试验框架的梁、柱）相连接。连接点的设置为幕墙主龙骨与结构梁水平线相交的地方，每一连接点由四个锚栓与主体联接。在结构柱处的转角部位，考虑到锚栓安装的合理间隙，连接点略作错位处理。锚栓选用的是进口产品，梁部位的锚栓为M10，柱部位的锚栓为M12，施工时严格按照其产品的施工要求进行。
2.3 测点布置
试验时在模型框架梁及相应位置的幕墙外表面，沿水平X向和Y向分别布置有10个加速度计，共20个。
2.4 理论公式
模型现象：在第六级输入0.40g EL-Centro波后，建筑幕墙有滑动现象；第七级输入0.62g人工波、EL-Centro波后，建筑幕墙有滑动现象。通过观察模型结构变形情况及锚栓连接情况，未发现幕墙连接节点有松动现象。 模型相对位移：在X向输入台面加速度0.708g EL-Centro波时，框架模型顶部相对位移反应达到最大值2.97cm，顶点位移与高度比值为1/168。幕墙最大相对位移反应达到3.006cm。
模型层间位移反应：在X向输入台面加速度0.708g EL-Centro波时，框架模型顶部最大层间位移反应达到最大值2.457cm，层间位移角为1/102。幕墙最大层间位移达到2.529cm。
2.6 数据处理
P-MA 数据采集与分析仪将PXI 总线和千兆以太网技术紧密结合，构建出一个性能卓越的输入高达64通道的测试分析平台。 PXI总线和千兆网相结合的数据传输与管理功能保证了64通道数据采集与传输的同步性，实现多输入单输出（MISO）振动控制、多点多轴（MIMO）振动控制，使系统具有优良的扩展性和可靠性。P-MA 利用QX 实时操作系统和机载板卡DSP，构成了数据的实时分析处理和多种分析功能。通过控制系统对数值进行分析从而测出在该位移下的力，并采集试验中结构的应变、位移数据，进行数据对比演算处理。
2.7 试验数据对幕墙设计的理论指导
该试验环节是幕墙设计中十分重要的工作，因作用在幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载、雪荷载等，此外还有使结构产生变形和内力的作用，有地震作用、温度作用。如果取值过大，所设计的结构尺寸会会偏大，造成浪费；如果过小，则所设计的结构不够安全。通过试验数据与幕墙标准要求的对比，可以指导我们的设计人员在设计时选择一个切实可行的结构型式和结构体系，加强薄弱部位的设计，特别注意结构连接节点是否设计可靠，尤其是不要遗漏结构焊缝、耳板、销轴、连接板的设计计算，各种结构型式的受力特点，必要时需考虑温度应力的影响。除此之外，还应注意综合考虑多道防线设计，尽量避免薄弱点的出现，以及正常使用极限状态的验算等。幕墙是悬挂在主体建筑上的外围结构，幕墙结构仅承受幕墙本身受到的荷载，不能承受主体建筑传来的荷载。而幕墙结构所承受的荷载必须通过连接传给主体建筑，并且应该适应主体建筑的变形。重视钢结构连接节点可靠性（耳板、销轴、焊缝的计算等）；有框幕墙及石材是挂在主体结构上，其连接非常重要（預埋件、螺栓、角码）；隐框幕墙设计要谨慎，玻璃下设托条，结构胶设计计算及质量能得到可靠保证，另因为钢结构的稳定计算要考虑φ值、长细比及平面外稳定，通过改试验可以明确各种荷载传递路径与结构体系中各杆件所担负功能。尽量使荷载传递路径简捷。
3小结
面对近年频发的地震灾害，建筑结构安全越发引起高度重视，幕墙作为建筑物的外围护结构，其安全性更不容忽视，我们一定要贯彻国家抗震规范，做好幕墙抗震设计，确保其完整和安全的使用功能。
参考文献
[1]建筑幕墙抗震性能振动台试验方法.（GB/T18575-2001）.
[2]吕西林，周定松.考虑场地类别与设计分组的延性需求谱和弹塑性位移反应谱[J].地震工程与工程振动，2004.
[3]胡晓，禹莹，王济，张伯艳.装饰石材及其支撑结构抗震性能试验研究[J].工程抗震，1999，（04）.
[4]马彩霞，颜德姮.隐框玻璃幕墙反复荷载和振动台试验研究[J].建筑结构，1998，（03）.
[5]王翠坤，肖从真，赵西安；幕墙抗震性能试验研究[J].建筑结构，2002，（09）.
作者简介：徐勤（1970-），男，上海建科检验有限公司幕墙检测部主任。
关键词：建筑幕墙；抗震性能；变形性能；时程分析法
中图分类号：TU227 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）03-0027-01
1 概述
建筑幕墙近年来发展迅猛，我国已经成为世界第一幕墙生产大国和第一幕墙使用大国，建筑幕墙不仅可以通过不同的饰面材料及不同的结构满足建筑物的外装独特的艺术视觉效果，而且具有保护建筑物、遮风、挡雨、隔声隔热、采光、通风、抗震等建筑功能，与普通填充墙相比，建筑幕墙具有建设速度快、结构质量轻、易维护的特点。建筑幕墙按照施工方式不同通常分为单元式幕墙和构件式幕墙；按照面板材料类型不同通常分为玻璃幕墙、金属板幕墙、建筑幕墙幕墙、人造板材幕墙、组合面板幕墙。此外，目前还出现了智能幕墙、双层幕墙、光伏幕墙等新型高科技幕墙产品，建筑幕墙是由面板与支承结构体系（支承装置与支承系统）组成，可相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力，但不承担主体结构所受作用的建筑外围护墙。
建筑幕墙设计时需要考虑建筑造型和建筑结构多方面的性能要求，譬如力学（强度、刚度及稳定性）、防水、隔热、气密、防火、抗震和避雷等性能，这些性能与使用功能和人身安全都有着密切关系，建筑幕墙作为建筑物的外围护构件，主要承受风荷载、自重及地震荷载。相比而言，地震荷载较小，但地震作用是动力作用，对幕墙与主体结构的连接节点有较大的影响，而连接点的破坏有可能引起幕墙的脱落、倒塌。因此，对幕墙的抗震性能进行试验，了解在地震作用下幕墙结构的变化情况很有必要。地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环节，是确定所设计的结构是否满足最低抗震设防安全要求的关键环节。
由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用对建筑幕墙结构影响的计算方法也是不同的，一个世纪以来，幕墙结构地震反应计算方法也经历了一个由简到繁，由片面到全面的发展过程，1920年，由日本大森房吉提出的静力法。即假设建筑物为绝对刚体，结构所受的水平地震作用，可以简化为作用于结构上的等效水平静力，但这种方法的缺点就是没有考虑结构的动力特性，认为地震时结构上任一点的振动加速度均等于地面运动的加速度，这意味着结构刚度是无限大的，即结构是刚性的。这是一种理想状态，与实际情况有很大的差距，所以这种方法就显得的比较片面；1943年美国皮奥特（M.A.Biot）发表了以实际地震记录求得的加速度反应谱，提出的“弹性反应谱理论”，由于反应谱理论正确而简单地反映了地震特性以及结构的动力特性，从而得到了国际上广泛的承认。实际上到50年代，反应谱理论已基本取代了静力法。目前，世界上普遍采用此方法。大量的震害分析表明，反应谱理论虽考虑了振幅和频谱两个要素，但只解决了大部分问题，地震持续时间对震害的影响始终在设计理论中没有得到反映。这是反应谱理论的局限性。时程分析法将实际地震加速度时程记录作为动荷载输入，进行幕墙结构的地震响应分析。不仅可以全面考虑地震强度、频谱特性、地震持续时间等强震三要素，还进一步考虑了反应谱所不能概括的其它特性。
我们目前研制的幕墙抗震模拟测试台就是在时程分析法的理论基础上，开发研制的一套幕墙抗震模拟测试台，该测试台在水平或垂直方向都可以灵活的布置执行机构，采用SIEMENS的振动控制器和伺服控制器，针对不同的地震等级，产生不同的模拟测试效果。该模拟测试台具有推力大，行程长，能模拟极低频率的地震波，从而可以客观的评价建筑幕墙的抗震能力。地震模拟试验台满足《建筑抗震试验方法规程》JGJ 101的设备要求，能够准确的复现各种地震波（例如EI-Centro地震波，人工合成的地震波等），用户只需根据试验要求及结构特点等因素，在建筑物结构模型上布置数量不等的加速度和应力测点，通过采集这些测点的地震反应（加速度， 位移，动应力）来研究整体结构和主要构件在地震作用下的变形规律和受力状态。同时，该地震模拟模拟试验台可按照客户的需求灵活定制，并参考国内外地震模拟试验标准完成相应的地震模拟试验。例如GR-63-CORE ISSUE3、《高压开关设备和控制设备的抗震要求》GB/T 13540、《电工电子产品环境试验 第3部分：试验导则 地震实验方法》GB/T 2424.25等。
2 理论依据
2.1 样品要求
測试样品种类：一类采用铝板+玻璃（方向为试验时的X方向），铝板采用3mm厚单层成型铝板，玻璃采用6mm厚钢化玻璃；另一为建筑幕墙+玻璃（方向为试验时的Y方向），建筑幕墙采用30mm厚花岗岩，玻璃采用8mm厚钢化玻璃；为便于试验幕墙下部部分没有安装面板，面板安装后的缝隙未注密封胶。试验框架的单个面安装幕墙。
2.2 幕墙与框架的连接
幕墙通过钢连接件、锚栓与主体结构（试验框架的梁、柱）相连接。连接点的设置为幕墙主龙骨与结构梁水平线相交的地方，每一连接点由四个锚栓与主体联接。在结构柱处的转角部位，考虑到锚栓安装的合理间隙，连接点略作错位处理。锚栓选用的是进口产品，梁部位的锚栓为M10，柱部位的锚栓为M12，施工时严格按照其产品的施工要求进行。
2.3 测点布置
试验时在模型框架梁及相应位置的幕墙外表面，沿水平X向和Y向分别布置有10个加速度计，共20个。
2.4 理论公式
模型现象：在第六级输入0.40g EL-Centro波后，建筑幕墙有滑动现象；第七级输入0.62g人工波、EL-Centro波后，建筑幕墙有滑动现象。通过观察模型结构变形情况及锚栓连接情况，未发现幕墙连接节点有松动现象。 模型相对位移：在X向输入台面加速度0.708g EL-Centro波时，框架模型顶部相对位移反应达到最大值2.97cm，顶点位移与高度比值为1/168。幕墙最大相对位移反应达到3.006cm。
模型层间位移反应：在X向输入台面加速度0.708g EL-Centro波时，框架模型顶部最大层间位移反应达到最大值2.457cm，层间位移角为1/102。幕墙最大层间位移达到2.529cm。
2.6 数据处理
P-MA 数据采集与分析仪将PXI 总线和千兆以太网技术紧密结合，构建出一个性能卓越的输入高达64通道的测试分析平台。 PXI总线和千兆网相结合的数据传输与管理功能保证了64通道数据采集与传输的同步性，实现多输入单输出（MISO）振动控制、多点多轴（MIMO）振动控制，使系统具有优良的扩展性和可靠性。P-MA 利用QX 实时操作系统和机载板卡DSP，构成了数据的实时分析处理和多种分析功能。通过控制系统对数值进行分析从而测出在该位移下的力，并采集试验中结构的应变、位移数据，进行数据对比演算处理。
2.7 试验数据对幕墙设计的理论指导
该试验环节是幕墙设计中十分重要的工作，因作用在幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载、雪荷载等，此外还有使结构产生变形和内力的作用，有地震作用、温度作用。如果取值过大，所设计的结构尺寸会会偏大，造成浪费；如果过小，则所设计的结构不够安全。通过试验数据与幕墙标准要求的对比，可以指导我们的设计人员在设计时选择一个切实可行的结构型式和结构体系，加强薄弱部位的设计，特别注意结构连接节点是否设计可靠，尤其是不要遗漏结构焊缝、耳板、销轴、连接板的设计计算，各种结构型式的受力特点，必要时需考虑温度应力的影响。除此之外，还应注意综合考虑多道防线设计，尽量避免薄弱点的出现，以及正常使用极限状态的验算等。幕墙是悬挂在主体建筑上的外围结构，幕墙结构仅承受幕墙本身受到的荷载，不能承受主体建筑传来的荷载。而幕墙结构所承受的荷载必须通过连接传给主体建筑，并且应该适应主体建筑的变形。重视钢结构连接节点可靠性（耳板、销轴、焊缝的计算等）；有框幕墙及石材是挂在主体结构上，其连接非常重要（預埋件、螺栓、角码）；隐框幕墙设计要谨慎，玻璃下设托条，结构胶设计计算及质量能得到可靠保证，另因为钢结构的稳定计算要考虑φ值、长细比及平面外稳定，通过改试验可以明确各种荷载传递路径与结构体系中各杆件所担负功能。尽量使荷载传递路径简捷。
3小结
面对近年频发的地震灾害，建筑结构安全越发引起高度重视，幕墙作为建筑物的外围护结构，其安全性更不容忽视，我们一定要贯彻国家抗震规范，做好幕墙抗震设计，确保其完整和安全的使用功能。
参考文献
[1]建筑幕墙抗震性能振动台试验方法.（GB/T18575-2001）.
[2]吕西林，周定松.考虑场地类别与设计分组的延性需求谱和弹塑性位移反应谱[J].地震工程与工程振动，2004.
[3]胡晓，禹莹，王济，张伯艳.装饰石材及其支撑结构抗震性能试验研究[J].工程抗震，1999，（04）.
[4]马彩霞，颜德姮.隐框玻璃幕墙反复荷载和振动台试验研究[J].建筑结构，1998，（03）.
[5]王翠坤，肖从真，赵西安；幕墙抗震性能试验研究[J].建筑结构，2002，（09）.
作者简介：徐勤（1970-），男，上海建科检验有限公司幕墙检测部主任。