內(nèi)嵌龍骨LSP板裝配式墻體受力性能試驗(yàn)研究

劉 鐘, 吳海亮, 張戊晨, 李盼義, 趙貞欣, 張偉釗, 張雨龍

(1 國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050022；2 中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050031；3 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

自鎖水平拼裝板(level self-locking panel,簡稱LSP)墻板是一種新型輕質(zhì)復(fù)合墻板,該種墻板具有物理性能良好、拼裝施工簡單快捷、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前,LSP板內(nèi)嵌輕鋼龍骨裝配式墻體已用于住宅建筑中,具有良好的使用性能[1-2]。

隨著國內(nèi)裝配式建筑技術(shù)快速發(fā)展,國家電網(wǎng)提出了“兩型一化”變電站建設(shè)技術(shù)要求。為提高裝配式變電站的工業(yè)化水平,外墻的裝配化程度是一項(xiàng)重要指標(biāo)。在嚴(yán)寒地區(qū),由于溫度低、風(fēng)沙大,傳統(tǒng)壓型鋼板復(fù)合板的耐久性、使用性較差,從而影響裝配式變電站廠房的正常使用。LSP板優(yōu)異的保溫、防火、耐久性能可以很好地滿足嚴(yán)寒地區(qū)裝配式變電站廠房墻體保溫防風(fēng)沙的要求。LSP板內(nèi)嵌輕鋼龍骨裝配式墻體系統(tǒng)施工快捷簡單、裝配化程度高,易與門窗洞口及主體框架連接,有利于促進(jìn)裝配式變電站在嚴(yán)寒地區(qū)的發(fā)展與應(yīng)用。但變電站廠房的柱間距和層高較大,墻體面積和自重成倍增加,影響墻體的穩(wěn)定性,尤其是開洞后墻體的平面外穩(wěn)定性明顯降低。因此,內(nèi)嵌輕鋼龍骨LSP墻板不適于直接應(yīng)用于裝配式變電站廠房建筑。

目前,研究人員對不同裝配式墻體的力學(xué)性能進(jìn)行了研究[3]。安強(qiáng)等[4]對石膏基復(fù)式榫槽輕質(zhì)模塊裝配式墻體穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析,表明榫槽咬合拼裝后墻體受沖擊破壞規(guī)律與傳統(tǒng)砌筑墻體相似,整體穩(wěn)定可靠。朱婉婕等[5]對裝配式墻體的加長型混凝土砌塊砌體的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,表明無豎向灰縫的機(jī)器砌筑替代有豎向灰縫人工砌筑可行。衣明松等[6]對裝配式混凝土無漿灌芯砌塊砌體抗壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,明確了更適用于該類型砌塊砌體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式。袁泉等[7]對榫卯型裝配式砌塊砌體的基本力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,明確了該類型砌塊砌體的力學(xué)性能,并提出了抗壓、抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式。江煥芝等[8]對基于鋼纖維復(fù)合連接件的預(yù)制混凝土夾心保溫墻進(jìn)行了風(fēng)載試驗(yàn)研究,結(jié)果表明該類型墻體延性較好。

結(jié)合不同裝配式墻體的力學(xué)性能研究成果,為適應(yīng)變電站廠房墻體的使用要求,本文提出一種內(nèi)嵌加強(qiáng)龍骨構(gòu)造措施的LSP板裝配式墻體。開展墻體靜力加載試驗(yàn),研究墻體分別在平面內(nèi)水平荷載、平面內(nèi)豎向荷載以及平面外荷載作用下的受力性能和破壞模式,明確加強(qiáng)龍骨構(gòu)造對LSP板裝配式墻體受力性能的影響,為LSP板在裝配式變電站中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

設(shè)計(jì)了3組共6個內(nèi)嵌龍骨LSP板裝配式墻體試件,變化參數(shù)為內(nèi)嵌龍骨形式。LSP板構(gòu)造如圖1所示。LSP板采用1200mm×300mm×200mm標(biāo)準(zhǔn)塊,加強(qiáng)龍骨為200mm×150mm×5mm矩形管,材質(zhì)為Q235鋼。洞口尺寸按開洞率0.5設(shè)計(jì),試件具體參數(shù)及墻面尺寸如表1所示。試件按照《LSP板內(nèi)嵌輕鋼龍骨裝配式墻體系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(DB62/T 25-3120—2016)[9]和《LSP板內(nèi)嵌輕鋼龍骨裝配式墻體建筑構(gòu)造》(DBJT 25-148—2016)[10]要求現(xiàn)場裝配。LSP板與加強(qiáng)龍骨的連接構(gòu)造如圖2所示,將切割成型的LSP板包裹在加強(qiáng)龍骨外層,并緊密貼合。加強(qiáng)龍骨均位于試件同一高度,距墻體底部1700mm。

表1 試驗(yàn)試件參數(shù)

圖1 LSP板構(gòu)造

圖2 LSP板與加強(qiáng)龍骨連接示意

1.2 LSP板力學(xué)性能

LSP板體的微孔混凝土基材抗壓強(qiáng)度超過3.5MPa[1],按《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》(GB/T 23451—2009)要求進(jìn)行試驗(yàn),其抗彎荷載大于1000N,經(jīng)過5次30kg沙袋沖擊后板面無裂痕,且具有良好的抗凍能力,在長期自重荷載、風(fēng)荷載和氣候變化的情況下,板面未出現(xiàn)裂紋、變形、脫落等破壞現(xiàn)象[11]。

1.3 加載裝置與方案

為模擬墻體在實(shí)際工程中的邊界條件和實(shí)現(xiàn)荷載的施加,設(shè)計(jì)了一套可重復(fù)利用的加載框架,見圖3。墻體在安裝好的框架內(nèi)完成裝配。

圖3 加載框架

平面內(nèi)水平加載試驗(yàn)裝置如圖4(a)所示。通過加長螺桿和轉(zhuǎn)換頭將試件與電液伺服作動器連接,為保證裝置在加載過程中的平面外穩(wěn)定,在框架柱兩側(cè)設(shè)置側(cè)向支撐。平面內(nèi)豎向加載試驗(yàn)裝置如圖4(b)所示。采用千斤頂施加豎向集中荷載,通過分配梁將豎向集中荷載轉(zhuǎn)換為墻面內(nèi)的豎向均布線荷載。千斤頂與一級分配梁之間設(shè)置壓力傳感器,以監(jiān)測加載過程中荷載的大小。平面外加載試驗(yàn)裝置如圖4(c)所示。采用千斤頂施加平面外集中荷載,通過分配梁將水平集中荷載轉(zhuǎn)化為平面外的均布面荷載,以模擬風(fēng)荷載的施加。千斤頂與反力架之間設(shè)置有壓力傳感器,以監(jiān)測加載過程中荷載的大小。

圖4 試驗(yàn)裝置

三組試驗(yàn)均采用位移控制方式加載,加載速度為2mm/min。荷載下降至極限荷載的85%、試件發(fā)生破壞無法繼續(xù)加載或位移達(dá)到裝置最大行程時停止加載。

1.4 測量方案

試驗(yàn)采用位移計(jì)測量試件控制點(diǎn)位移,同時對試件LSP-A、LSP-B、LSP-C、LSP-D的墻板進(jìn)行了應(yīng)變測量,位移和應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖5。其中,試件LSP-A、LSP-B中每個測點(diǎn)橫向應(yīng)變編號為1、斜向應(yīng)變編號為2、豎向應(yīng)變編號為3;試件LSP-C中每個測點(diǎn)橫向應(yīng)變編號為2、豎向應(yīng)變編號為1;試件LSP-D中每個測點(diǎn)橫向應(yīng)變編號為1、豎向應(yīng)變編號為2。

圖5 位移和應(yīng)變測點(diǎn)布置

試件LSP-E、LSP-F由于在平面外加載過程中,主要發(fā)生面外整體變形,應(yīng)力較大部位主要集中于墻板四周的凹凸榫,因此未布置應(yīng)變測點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

2.1.1 平面內(nèi)水平加載

位移加載至140mm時,試件LSP-A墻體東側(cè)(遠(yuǎn)離加載端)的中部墻板開始出現(xiàn)斜向裂縫,裂縫走向與水平線夾角約為58°,如圖6(a)所示。位移加載至350mm時,墻體東側(cè)的中部墻板外表面混凝土開始脫落,并伴隨有墻板之間的摩擦聲。位移加載至495.01mm時,荷載達(dá)到最大值78.81kN。隨著加載位移繼續(xù)增加,荷載開始下降,加載至作動器最大位移560mm時停止加載。試件整體破壞形態(tài)如圖6(b)所示。

位移加載至40mm時,試件LSP-B墻體東側(cè)(遠(yuǎn)離加載端)的中部墻板開始出現(xiàn)斜向裂縫,裂縫走向與水平線夾角約為72°。位移加載至180mm時,位于加強(qiáng)龍骨下方的墻板出現(xiàn)裂縫,加強(qiáng)龍骨處的墻板向外突出并掉落,如圖6(c)所示。位移加載至446.02mm時,荷載達(dá)到最大值80.44kN。隨著加載位移繼續(xù)增加,荷載開始下降,加載至作動器最大位移560mm時停止加載。試件LSP-B整體破壞形態(tài)如圖6(d)所示。

試件LSP-A、LSP-B加載前期具有相同的現(xiàn)象,試件主要發(fā)生墻板之間水平方向的相互錯動滑移,荷載增加緩慢。隨著加載位移增大,墻板之間的空隙被壓實(shí),荷載增長速度加快。加載中期,由于加強(qiáng)龍骨的存在,兩個試件表現(xiàn)出不同的裂縫發(fā)展趨勢,但裂縫方向保持一致。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)所有墻板內(nèi)部均出現(xiàn)了縱向裂紋,如圖6(e)所示,龍骨及連接件均未發(fā)生破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明,內(nèi)置龍骨LSP板裝配式墻體具有有良好的側(cè)向變形能力。

2.1.2 平面內(nèi)豎向加載

位移加載至10mm時,試件LSP-C墻體洞口角部的墻板開始出現(xiàn)裂縫,墻板發(fā)出擠壓的摩擦聲。位移加載至20mm時,洞口上部墻板出現(xiàn)裂縫,洞口處有明顯的豎向變形。位移加載至49.2mm時,荷載達(dá)到最大值108.99kN。隨著加載位移繼續(xù)增大,荷載開始下降,荷載下降到極限荷載的85%時,洞口上部墻板開裂較大,如圖7(a)所示,洞口頂部撓度約26mm,墻體瀕臨倒塌,停止加載。試件整體破壞形態(tài)如圖7(b)所示。

圖7 試件LSP-C、LSP-D破壞形態(tài)

位移加載至20mm時,試件LSP-D加強(qiáng)龍骨處墻板開裂并向外凸出。位移加載至25mm時,加強(qiáng)龍骨上部墻板開始出現(xiàn)裂縫,墻板突出更加明顯,如圖7(c)所示。位移加載至35mm時,荷載達(dá)到最大值137.26kN,繼續(xù)加載,荷載急劇下降,墻板迅速向外凸出,加強(qiáng)龍骨上部墻板倒塌,停止加載。試件整體破壞形態(tài)如圖7(d)所示。

加載過程中,試件LSP-C與試件LSP-D表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)。拆除試件,發(fā)現(xiàn)試件LSP-C洞口兩側(cè)墻板內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,而試件LSP-D洞口兩側(cè)的墻板沒有發(fā)生明顯破壞。這是由于加強(qiáng)龍骨剛度較大,將墻體分割成兩部分,使豎向荷載主要由加強(qiáng)龍骨及龍骨上部的墻板承擔(dān)。

2.1.3 平面外加載

加載前期,試件LSP-E墻體發(fā)生平面外整體移動。位移加載至45mm時,試件LSP-E向北側(cè)微鼓,墻板凹凸榫之間相互摩擦發(fā)出響聲,二級分配梁角部墻板被壓碎。位移加載至70.83mm時,荷載達(dá)到最大值28.55kN,此時墻面明顯外鼓,部分墻板在凹榫處開裂。隨著加載位移繼續(xù)增大,荷載開始減小,直到千斤頂最大行程136mm時停止加載。試件整體破壞形態(tài)如圖8(a)所示。

圖8 試件LSP-E、LSP-F破壞形態(tài)

位移加載到45mm時,試件LSP-F向北側(cè)微鼓,隨著繼續(xù)加載,分配梁繞加強(qiáng)龍骨發(fā)生轉(zhuǎn)動。位移加載至75.27mm時,荷載達(dá)到最大值76.21kN,此時加強(qiáng)龍骨下部墻體明顯外鼓。隨著加載位移繼續(xù)增大,荷載開始減小,由于分配梁繞加強(qiáng)龍骨發(fā)生轉(zhuǎn)動,千斤頂與傳感器脫離,停止加載。試件整體破壞形態(tài)如圖8(b)所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明,LSP板凹凸榫之間具有較強(qiáng)的機(jī)械咬合力,普通輕鋼龍骨墻體(LSP-E)在平面外的變形大于內(nèi)嵌加強(qiáng)龍骨墻體(LSP-F)。加強(qiáng)龍骨的存在改變了墻體在平面外荷載作用下的破壞形態(tài),提高了墻體的整體穩(wěn)定性。

2.2 荷載-位移曲線

試件荷載-位移曲線如圖9所示,其中H為層高。根據(jù)試件的荷載-位移曲線,可得到試件的極限承載力及對應(yīng)位移,如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖9 試件荷載-位移曲線

對于平面內(nèi)水平加載試件,由圖9(a)可知,內(nèi)嵌龍骨LSP板裝配式墻體在平面內(nèi)具有良好的變形能力,試件極限位移大于框架彈塑性極限層間位移[12];試件LSP-A、LSP-B平面內(nèi)抗側(cè)剛度基本相同,加強(qiáng)龍骨對平面內(nèi)水平承載性能影響很小。

對于平面內(nèi)豎向加載試件,由圖9(b)可知,試件LSP-D剛度明顯大于試件LSP-C。試件LSP-C前期荷載-位移呈線性增長,當(dāng)加載到極限荷載的80%左右時,曲線斜率降低,試件剛度減小,表明墻體洞口上方墻板開始發(fā)生破壞。試件LSP-D曲線初始階段荷載增加緩慢,這是由于加強(qiáng)龍骨與墻板之間存在較大的裝配空隙,當(dāng)荷載增大到極限荷載后,荷載迅速下降,位移迅速增加,試件倒塌。由表2可知,試件LSP-D比試件LSP-C的平面內(nèi)豎向承載力提高25.9%。

對于平面外加載試件,參考工程實(shí)際情況和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[12]中的公式計(jì)算垂直于墻面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:

wk=βgzμslμzw0

(1)

Fw=wk·S

(2)

式中:wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;βgz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);μsl為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);w0為基本風(fēng)壓,kN/m2;S為受風(fēng)墻面面積,m2;Fw為換算集中荷載,kN。

基本風(fēng)壓取依托工程所在嚴(yán)寒地區(qū)重現(xiàn)期為50年的最大值0.55kN/m2,其余參數(shù)均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[12]取值。通過公式(2)將風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值換算為與試件對應(yīng)的集中荷載Fw=7.40kN。由圖9(c)和表2可知,試件LSP-E、LSP-F的極限承載力均高于Fw,試件LSP-F比試件LSP-E的平面外承載力提高166.9%。當(dāng)荷載為Fw時,試件LSP-E對應(yīng)的位移約為20mm,已不適宜墻體的正常使用,此時試件LSP-F對應(yīng)的位移約為6mm。試驗(yàn)表明,通過加強(qiáng)龍骨構(gòu)造,可提高墻體的平面外剛度和穩(wěn)定性。

2.3 荷載-應(yīng)變曲線.

試件荷載-應(yīng)變曲線如圖10所示。從圖10(a)～(f)可以看出,試件LSP-A、LSP-B的荷載-應(yīng)變曲線變化趨勢基本相同,曲線呈折線式變化。這是由于在加載過程中,當(dāng)作用于墻板的水平荷載大于墻板之間的摩擦力時,墻板發(fā)生相互錯動,墻板內(nèi)力得到釋放,應(yīng)變減小;當(dāng)繼續(xù)加載時,應(yīng)變繼續(xù)增加,因此應(yīng)變呈現(xiàn)折線式變化。將荷載-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對比,可以看出墻板的應(yīng)變發(fā)展情況與試驗(yàn)過程中裂縫的分布和發(fā)展情況一致。

由圖10(g)～(j)可知,試件LSP-C、LSP-D的橫向應(yīng)變均為拉應(yīng)變,豎向應(yīng)變均為壓應(yīng)變。由于加強(qiáng)龍骨具有較大的剛度,試件LSP-D被分割,豎向荷載主要由加強(qiáng)龍骨及上部墻板承擔(dān),洞口變形較小,而試件LSP-C洞口上部墻板變形較大,豎向荷載主要由洞口兩側(cè)的墻板承擔(dān)。因此,對于洞口上部同一位置的測點(diǎn),試件LSP-D的豎向壓應(yīng)變大于試件LSP-C,試件LSP-C的橫向拉應(yīng)變大于試件LSP-D,對于洞口兩側(cè)同一位置的測點(diǎn),試件LSP-C的豎向壓應(yīng)變大于試件LSP-D。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)嵌加強(qiáng)龍骨LSP板裝配式墻體與普通輕鋼龍骨LSP板裝配式墻體的平面內(nèi)抗側(cè)剛度基本相同,加強(qiáng)龍骨構(gòu)造對LSP板裝配式墻體平面內(nèi)水平承載性能影響較小。

(2)普通輕鋼龍骨LSP板裝配式開洞墻體在豎向荷載作用下變形較大。內(nèi)嵌加強(qiáng)龍骨比普通輕鋼龍骨LSP板裝配式開洞墻體的平面內(nèi)豎向承載力提高25.9%,且洞口具有較大的剛度。

(3)普通輕鋼龍骨LSP板裝配式墻體在基本風(fēng)壓荷載時,面外變形較大。內(nèi)嵌加強(qiáng)龍骨比普通輕鋼龍骨LSP板裝配式墻體的平面外承載力提高166.9%。

(4)加強(qiáng)龍骨構(gòu)造可以提高LSP板裝配式墻體的承載性能和面外穩(wěn)定性,使LSP板裝配式墻體滿足變電站廠房的應(yīng)用要求。