鏈接鍵間距對保溫復(fù)合剪力墻軸心受壓承載力的影響

吳方伯　楚春陽　李鈞　周緒紅

摘要：為研究鏈接鍵間距對保溫復(fù)合剪力墻整體性能的影響，設(shè)計并制作了鏈接鍵間距分別為300，400，500 mm的3組試件，通過對比試驗(yàn)得到其破壞機(jī)理及荷載-豎向位移曲線，并針對傳統(tǒng)剪力墻存在的問題，提出了一種新型保溫復(fù)合剪力墻。研究結(jié)果表明：試件的破壞形式為脆性破壞；鏈接鍵間距對構(gòu)件軸心受壓承載力影響很小，對平面外砂漿的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的破壞位置有一定影響；采用混凝土規(guī)范中鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力計算公式計算保溫復(fù)合剪力墻承載力時需要乘以折減系數(shù)。

關(guān)鍵詞：保溫復(fù)合剪力墻；鏈接鍵間距；軸心受壓承載力；折減系數(shù)；破壞機(jī)理

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引 言

能源是人類社會生存發(fā)展的基礎(chǔ)，現(xiàn)代社會能源的消耗速度不斷加快，其中建筑耗能約占社會總耗能的30%以上[1]，因此，建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想的重要方式之一。

由于能源危機(jī)，國外發(fā)達(dá)國家首先致力于建筑節(jié)能方面的改革。文獻(xiàn)[2]最早提出了夾心保溫墻板——焊接鋼絲網(wǎng)架夾心墻板，該墻體由內(nèi)外2層鋼絲網(wǎng)構(gòu)成框架，在空隙中填入保溫層，現(xiàn)場拼裝，最后涂抹砂漿成為墻體。文獻(xiàn)[3]，[4]研究了墻體保溫材料的選取和厚度取值問題，通過對不同的材料特性進(jìn)行對比，認(rèn)為聚苯乙烯為最佳保溫材料，并得出結(jié)論：當(dāng)保溫材料厚度取60，65，75 mm時，相對應(yīng)的節(jié)能可以達(dá)到74.9%，76.3%，78.8%。Bojic等[5]研究了當(dāng)墻體厚度和傳熱系數(shù)相同的情況下，保溫設(shè)置部位以及保溫層與結(jié)構(gòu)層的相對厚度對建筑熱工性能的影響，結(jié)果表明：在間歇供熱時，應(yīng)采用保溫層+磚+保溫層或內(nèi)保溫形式最好；在間歇制冷時，應(yīng)采用外保溫或夾心保溫。

在中國，隨著國家大力倡導(dǎo)建立資源節(jié)約型社會，保溫墻體的研究也隨之迅速發(fā)展[6]。文獻(xiàn)[7]研究的密肋復(fù)合墻體是一種集抗震、節(jié)能于一體的墻體，用較小的梁、柱形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，嵌入工業(yè)廢料為主料的輕質(zhì)砌塊形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)保溫效果顯著，有良好的環(huán)境和社會效益。李珠等[8]提出的“城市窯洞”概念非常新穎，研制出了高效節(jié)能的波化微珠保溫砂漿，并進(jìn)行了一系列結(jié)構(gòu)基本性能的研究，取得了良好的節(jié)能效果。邱玉東等[9]提出的“蜂巢輕質(zhì)墻結(jié)構(gòu)體系”主要材料是植物纖維的水泥蒸壓板，這種結(jié)構(gòu)體系不僅自重輕，墻體導(dǎo)熱系數(shù)也非常小。

現(xiàn)有的墻體保溫形式優(yōu)點(diǎn)很多，但也存在諸如穩(wěn)定性差[10]、易形成冷橋等缺點(diǎn)[11-12]。筆者在前人的研究基礎(chǔ)之上，提出一種節(jié)能、造價低廉和有市場前景的新型保溫剪力墻，即現(xiàn)澆保溫復(fù)合剪力墻，以期推動建筑保溫結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

1現(xiàn)澆保溫復(fù)合剪力墻

本文所提出的新型現(xiàn)澆混凝土保溫剪力墻由砂漿層、保溫層及現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)層構(gòu)成，各層之間由鏈接鍵聯(lián)系。施工步驟如下： 綁扎鋼筋籠，安裝保溫隔熱板，在保溫隔熱板上的孔洞穿插套筒，再在套筒中穿插螺栓，支模板，擰緊螺栓，如圖1（a）所示； 澆筑內(nèi)側(cè)混凝土，待內(nèi)側(cè)現(xiàn)澆混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，依次拆除螺栓、模板、外側(cè)模板，在套筒中插入堵頭件，如圖1（b）所示； 在保溫隔熱板的外側(cè)固定鋼絲網(wǎng)，再在套筒中硬質(zhì)棒所在的空間中和保溫隔熱板的外側(cè)涂抹砂漿層，最后在砂漿層和混凝土外側(cè)抹灰，最終形成整體現(xiàn)澆保溫剪力墻，如圖1（c）所示。

堵頭件由鋼筋和導(dǎo)熱系數(shù)小的橡膠堵頭制作而成，鋼筋的一端伸出保溫隔熱板外側(cè)邊緣一定的長度，伸入外側(cè)砂漿層中，并與外側(cè)鋼絲網(wǎng)連接，有錨固作用。橡膠堵頭截面略小于套筒，便于安裝。堵頭件的設(shè)置有效地隔斷了冷橋，使建筑保溫效果達(dá)到最佳水平，同時也使保溫隔熱板與外側(cè)的砂漿層得到可靠、高強(qiáng)度的連接。

砂漿層外側(cè)可做外墻裝飾；保溫板通常采用的保溫材料有聚苯乙烯泡沫塑料、巖棉、玻璃棉、礦棉等，有良好保溫作用；內(nèi)側(cè)混凝土作為結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，承受結(jié)構(gòu)荷載作用。

2試驗(yàn)概況

2.1試件設(shè)計與制作

鑒于本文試驗(yàn)是軸心受壓，為保證軸心受壓效果，所設(shè)計試件的結(jié)構(gòu)與本文第1節(jié)中的典型保溫復(fù)合剪力墻有所不同，而是將試件設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)。本文試驗(yàn)設(shè)計3片保溫剪力墻，墻高均為1 800 mm，寬度均為800 mm，兩端分別澆筑混凝土頂梁和底梁。試件尺寸和構(gòu)造如圖2所示。同時，為了比較鏈接鍵間距對剪力墻承載力的影響，將鏈接鍵間距L分別設(shè)為300，400，500 mm，試件編號為BWQ-1，BWQ-2，BWQ-3，如圖3所示。

2.2材料力學(xué)性能試驗(yàn)

試件在湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作，每個試件在澆筑時現(xiàn)場制作3個標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)，混凝土立方體試塊的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)強(qiáng)度換算見表1，對試件中采用的鋼筋進(jìn)行材性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。砂漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度為31.2 MPa。

2.3試驗(yàn)裝置與加載方案

試驗(yàn)加載按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50152—2012）[13]的規(guī)定進(jìn)行。本文試驗(yàn)采用5 000 kN液壓千斤頂進(jìn)行保溫墻軸心受壓試驗(yàn)。為最大程度上保證不產(chǎn)生側(cè)向位移，在試件頂部加側(cè)向支撐，同時在千斤頂頂部加球鉸以保證試驗(yàn)過程中軸心受壓。正式加載前，首先進(jìn)行預(yù)加載，以檢查

儀器及加載設(shè)備的工作狀態(tài)，消除加載設(shè)備與試件之間的縫隙對試驗(yàn)產(chǎn)生的不利影響。正式加載時，從0開始逐級施加豎向荷載，在每級荷載加載結(jié)束后等待10～15 min，待試件的變形發(fā)展基本穩(wěn)定后，采集鋼筋、混凝土應(yīng)變及撓度數(shù)據(jù)。單調(diào)連續(xù)加載，直至試件破壞。試驗(yàn)加載裝置示意及現(xiàn)場裝置照片分別如圖4，5所示。

2.4測點(diǎn)布置

為測量豎向變形和側(cè)向位移，在試件側(cè)面布置百分表，測點(diǎn)布置如圖6所示。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1試件變形情況

3片墻體在加載過程中的表現(xiàn)基本一致，在荷載加載到1 000 kN之前，試件從表面來看無任何變化，但有一定的豎向位移。隨著荷載的繼續(xù)增加，頂部側(cè)向百分表顯示有微小位移發(fā)生，說明墻體在軸向力的作用下產(chǎn)生了微小偏心。當(dāng)荷載達(dá)到1 500 kN時，外側(cè)砂漿層出現(xiàn)不明顯的橫向裂縫，混凝土層中底部出現(xiàn)一些細(xì)小豎向裂縫，但砂漿層、保溫層和混凝土層的接觸處表現(xiàn)良好，無裂縫產(chǎn)生。

當(dāng)荷載達(dá)到2 000 kN時，可以聽到結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土崩裂的聲音。從豎向分布鋼筋的應(yīng)變數(shù)據(jù)來看，此時豎向鋼筋已接近屈服。隨著荷載的進(jìn)一步增加，待達(dá)到最大軸向壓力時，試件出現(xiàn)明顯的脆性破壞，且伴有清晰的爆裂聲。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由上述試驗(yàn)過程可知，試件只有在墻體即將破壞時，鋼筋才接近屈服。3個試件的軸向壓力-豎向位移曲線見圖7。

從圖7可以看出，3片墻體在整個加載過程中軸向壓力-豎向位移曲線呈線性增長，3片墻體的抗壓剛度基本一致，墻體在受壓過程中始終處于彈性試件BWQ-1（鏈接鍵間距300 mm）的中部兩側(cè)砂漿層向外突出，中間部分混凝土掉落，從暴露處可清晰看出鋼筋被壓屈，上下兩側(cè)混凝土表現(xiàn)出相互錯動的趨勢，破壞形態(tài)如圖8（a）所示。

試件BWQ-2（鏈接鍵間距400 mm）的破壞位置在距墻體底部約500 mm處，破壞現(xiàn)象依然為兩側(cè)砂漿層向外突出，鋼筋被壓屈，破壞形態(tài)如圖8（b）所示。

試件BWQ-3（鏈接鍵間距500 mm）的破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，破壞位置出現(xiàn)在墻體頂部。試件達(dá)到破壞荷載時，一側(cè)的砂漿層整片掉落，破壞形態(tài)如圖8（c）所示。

從表3可以看出，3片墻體盡管鏈接鍵間距不同，但壓縮剛度基本一致，最大承載力和豎向位移也相差不大，這說明鏈接鍵間距對結(jié)構(gòu)整體性能影響很小。從圖8可以看出，鏈接鍵間距對平面外砂漿的破壞形態(tài)和試件的破壞影響較大。

3.2.2 承載力分析

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）[14]鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力計算公式，計算保溫復(fù)合剪力墻的軸心受壓承載力Nu為

Nu=0.9φ（fcA+f′yA′s）

（1）

式中：φ為試件的穩(wěn)定系數(shù)，本文試件的長細(xì)比為8.18，因而φ取0.99；

fc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；A為混凝土面積；

f′y為鋼筋的抗壓強(qiáng)度；

A′s為縱向鋼筋的截面面積。

將相應(yīng)的數(shù)值代入到式（1）中，即可得到試件的軸心受壓承載力。為了便于分析，將軸心受壓承載力實(shí)則值與理論計算值統(tǒng)計于表4中。

由表4可以看出，軸心受壓承載力試驗(yàn)值比理論值小，這在實(shí)際工程應(yīng)用中是偏于不安全的。因此，本文考慮在公式中對砂漿予以承載力的折減，并考慮取折減系數(shù)λ=0.6，具體公式為

Nu=0.9φ（fcA+λf′cA′+f′yA′s）

（2）

式中：f′c為砂漿抗壓強(qiáng)度；A′為砂漿面積。

將數(shù)據(jù)代入式（2）中，可知取折減系數(shù)之后結(jié)果是偏于安全的。

4結(jié)語

（1）試件在軸向壓力下，破壞形態(tài)為壓彎破壞，破壞形式為脆性破壞。

（2）保溫復(fù)合剪力墻中鏈接鍵間距對剪力墻的軸心受壓承載力、最大豎向位移、破壞形態(tài)的影響不大，對平面外砂漿層的穩(wěn)定性和試件破壞位置有一定影響。從試驗(yàn)結(jié)果來看，鏈接鍵間距不應(yīng)大于500 mm，否則外層砂漿不能良好地與保溫板連接，穩(wěn)定性出現(xiàn)問題。

（3）采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力公式時，外層砂漿承載力應(yīng)乘以折減系數(shù)。

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