水泥聚苯模殼格構(gòu)式混凝土墻體抗震性能的芯孔尺寸影響試驗研究

李小軍 曹鑫雨 唐柏贊

摘要：為研究芯孔尺寸對傳統(tǒng)型水泥聚苯模殼（EPSC）格構(gòu)式混凝土墻體抗震性能的影響，對2個傳統(tǒng)型EPSC格構(gòu)式混凝土墻體原型試件進行低周往復(fù)荷載試驗，2個試件芯孔直徑分別為160 mm和120 mm;對比分析了2個試件的破壞特征和承載力、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化等抗震性能。結(jié)果表明：芯孔直徑大的復(fù)合墻體具有更優(yōu)良的抗震性能;芯孔直徑增加，復(fù)合墻體的承載力、抗側(cè)剛度和耗能能力均有不同程度的提高。

關(guān)鍵詞：芯孔尺寸;水泥聚苯模殼（EPSC）;格構(gòu)式混凝土墻體;擬靜力試驗;抗震性能

中圖分類號：P315.924;TU398 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2022）01-0001-07doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2022.0001

0 引言

水泥聚苯模殼（EPSC）格構(gòu)式混凝土墻體是一種保溫結(jié)構(gòu)一體化免拆模墻體。EPSC是以廢棄聚苯顆粒為基礎(chǔ)，按一定比例加入外加劑、水泥和水，由工業(yè)化生產(chǎn)制作而成。EPSC規(guī)格多樣，不僅滿足實際工程施工需要，也符合國家建筑節(jié)能的不同要求。國家大力提倡農(nóng)村危房改造，推進村鎮(zhèn)建筑節(jié)能（國務(wù)院，2017;宗邊，2018;馬勀，2021）。EPSC格構(gòu)式混凝土墻體集保溫、承重、耐火、環(huán)保等優(yōu)點于一體（CECS 173：2004），在村鎮(zhèn)低層和多層建筑中具有廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外學(xué)者已對格構(gòu)式混凝土墻體的抗震性能進行了一些研究。如Dusicka和Kay（2011）對芯孔直徑約160 mm，格構(gòu)梁（水平向構(gòu)件）、格構(gòu)柱（豎向構(gòu)件）間距約400 mm的格構(gòu)式混凝土墻體進行水平往復(fù)荷載試驗，探究其失效模式和抗震性能。孫建超等（2002）、王奇等（2004）分別對混凝土墻厚120 mm和150 mm的保溫砌模混凝土墻抗震性能進行擬靜力試驗研究，對此類墻體抗剪承載力計算方法進行探究;張微敬等（2011）調(diào)整墻體網(wǎng)格尺寸為400 mm×400 mm，研發(fā)了適用于低多層住宅建筑的大網(wǎng)格混凝土剪力墻。曹萬林等（2015a，b）、張勇波等（2015）、周中一等（2016）提出了混凝土墻厚為130 mm的異形邊框保溫模塊單排配筋再生混凝土剪力墻體系，并進行了一系列水平往復(fù)荷載試驗，為該墻體在村鎮(zhèn)低多層建筑中的應(yīng)用提供支撐。曹啟坤等（2018）使用ANSYS軟件建立了芯孔直徑分別為140、160、180和200 mm的格構(gòu)式墻體結(jié)構(gòu)，研究芯孔直徑對高層結(jié)構(gòu)加速度、位移響應(yīng)的影響，拓寬了格構(gòu)式墻體的芯孔直徑限值、適用性以及建筑高度。韓文龍等（2020）采用水平往復(fù)荷載試驗方式對3片預(yù)制空心板剪力墻的抗震性能進行研究，發(fā)現(xiàn)該墻體彈塑性變形滿足剪力墻罕遇地震作用下的規(guī)定。Tang等（2017，2019）、唐柏贊等（2020）使用芯孔直徑為160 mm的EPSC格構(gòu)式混凝土墻體，進行了EPSC格構(gòu)式混凝土填充墻-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，發(fā)現(xiàn)此類墻體做填充墻使用時，整體結(jié)構(gòu)抗震性能良好。李振寶等（2021）通過試驗研究預(yù)制立群混凝土空心墻板軸心受壓性能，發(fā)現(xiàn)其受壓承載力高達6 000 kN左右。

為拓展EPSC格構(gòu)式混凝土墻體在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用，本文分別對芯孔直徑分別為120 mm和160 mm的原型EPSC格構(gòu)式墻體試件進行低周往復(fù)荷載試驗，對比分析芯孔直徑對EPSC格構(gòu)式墻體破壞模式及滯回性能、承載力、剛度退化、耗能等抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗共設(shè)計了2個芯孔直徑不同的傳統(tǒng)EPSC格構(gòu)式混凝土墻體原型試件，試件編號分別為W1、W2，墻體試件變化參數(shù)為芯孔直徑。EPSC單元及其尺寸如圖1所示，試件詳細(xì)尺寸和配筋如圖2所示，墻體厚度由墻體骨架（格構(gòu)梁柱）厚度和具有保溫模板功能的EPSC厚度共同構(gòu)成，如圖3所示。如厚度為210 mm的墻體試件W1，其芯孔直徑為120 mm、兩側(cè)EPSC厚度均為45 mm;厚度為250 mm的墻體試件W2，其芯孔直徑為160 mm、兩側(cè)EPSC厚度均為45 mm。兩試件格構(gòu)梁（柱）中心間距均為300 mm，試件主要參數(shù)見表1。EPSC格構(gòu)式混凝土墻體所用混凝土設(shè)計等級均為C20，試驗前室內(nèi)實測混凝土立方體抗壓強度fcu為20.8 MPa（表1）。EPSC材料性能見表2，墻體鋼筋均采用HRB335級，鋼筋力學(xué)性能見表3。

1.2 加載裝置

試驗加載裝置如圖4所示，主要包括加載鋼架、千斤頂、油壓控制系統(tǒng)等水平向加載裝置和豎向加載裝置。水平向加載裝置用以模擬地震作用，水平荷載通過作動器施加到加載梁橫截面形心處。豎向加載裝置用以模擬結(jié)構(gòu)上部荷載，通過1個液壓千斤頂將豎向荷載垂直施加到試件加載梁頂?shù)姆峙淞荷?，并在試驗過程中保持軸壓比0.1不變。通過高強地錨螺栓將試件基礎(chǔ)梁與試驗裝置基礎(chǔ)相連，防止試件在加載過程中剪切滑移。在基礎(chǔ)梁上布置水平向位移計用以監(jiān)測加載過程中基礎(chǔ)梁滑移。

1.3 加載制度

試驗采用擬靜力試驗方法，保持豎向荷載恒定，水平往復(fù)荷載作用于加載梁一端。按照《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）的建議，水平荷載采用力-位移混合控制加載。試件屈服前采用荷載控制方式進行加載，以10 kN為級差，每級荷載循環(huán)1次;試件屈服后，采用位移控制方式進行加載，加載步距為屈服荷載的倍數(shù)。水平荷載降至試件峰值荷載的85%或試件無法安全加載時，停止加載。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)與裂縫分布

試件W1加載至30 kN時，墻體中下部首先出現(xiàn)水平向短裂縫;加載至50 kN時可聽到墻體有“沙沙”聲。隨加載進行，墻體角部出現(xiàn)斜裂縫并向墻體中間延伸，交叉裂縫數(shù)量增加，裂縫位置由墻體中下部逐漸向墻體中上部移動。當(dāng)位移δ達到10.18 mm（θ=0.727%）時，墻面沿墻體對角方向突然形成多條斜裂縫，墻體上中下部均有分布。當(dāng)位移δ達到11.17 mm（θ=0.798%）時，邊柱根部小塊EPSC因受擠壓邊緣破碎。試件最終破壞形態(tài)如圖5a所示，表現(xiàn)出剪切型破壞特征。gzslib202204012136

試件W2加載至40 kN時，墻體中下部首先出現(xiàn)水平向裂縫，裂縫出現(xiàn)時間較試件W1的延后，說明芯孔直徑增加，可延緩墻面裂縫的出現(xiàn);加載至70 kN時才聽到墻體有“沙沙”聲，說明芯孔直徑增加，可延緩EPSC損傷發(fā)展。隨加載的進行，試件W2墻面裂縫發(fā)展與W1的具有一致性規(guī)律，由墻體中下部向中上部發(fā)展，且斜裂縫逐漸增加。當(dāng)位移δ達到11.04 mm（θ=0.789 %）時，墻面中部有數(shù)條斜裂縫產(chǎn)生，已有裂縫寬度增加，墻體側(cè)面根部有小塊EPSC因受擠壓邊緣破碎。試件最終破壞形態(tài)如圖5b所示，同樣表現(xiàn)為剪切型破壞特征。

2.2 滯回曲線

試件W1、W2加載點處水平荷載-位移（F-δ）滯回曲線如圖6所示，2個試件滯回曲線對稱性良好。2個試件開裂前荷載-位移曲線均基本為直線，加載和卸載曲線基本重合。隨水平荷載增加，墻面裂縫延伸，鋼筋屈服，試件滯回環(huán)面積逐漸增加。隨加載不斷進行，裂縫充分開展，墻面形成數(shù)個“X”型裂縫，試件剛度退化明顯，滯回環(huán)殘余變形增加，滯回曲線“捏攏”現(xiàn)象在加載后期逐漸嚴(yán)重。試件W2較W1芯孔直徑增加，裂縫出現(xiàn)延緩且墻體EPSC損傷進程延緩。

2.3 骨架曲線

試件加載點處水平荷載-位移（F-δ）骨架曲線如圖7所示。加載初期，試件W2的初始剛度高于W1，表明芯孔直徑增加可提高復(fù)合墻體的初始剛度。隨著荷載增加，各試件墻面出現(xiàn)裂縫，試件剛度逐漸退化，2個試件的骨架曲線逐漸分開。在相同位移作用下，試件W2的骨架曲線位于W1骨架曲線上側(cè)，表明芯孔直徑增加對試件剛度退化起到延緩作用并提高了復(fù)合墻體的承載力。

本文采用能量法（Guo，2014）計算試件屈服荷載Fy。2個試件骨架曲線上各特征點荷載值見表4。其中，相對值為某一階段下各試件特征點荷載值與試件W1特征點荷載值的比值。與試件W1相比，W2各特征點荷載值均有不同程度的提高：試件W2的相對值在開裂荷載階段為1.331，在屈服荷載階段為1.135，在破壞荷載階段為1.143。以上表明配筋不變的情況下，芯孔直徑增加可以抑制EPSC格構(gòu)式混凝土墻體的開裂，延緩此類復(fù)合墻體損傷破壞發(fā)展。

2.4 剛度退化

本文以試件平均割線剛度隨加載點位移變化曲線表征試件在水平往復(fù)荷載作用下的剛度退化規(guī)律。試件平均割線剛度-加載點位移（K-δ）曲線如圖8a所示。由圖可知：加載初期，試件W2初始剛度大于W1，是其1.39倍，表明芯孔直徑由120 mm增加到160 mm，可明顯提高此類復(fù)合墻體的初始剛度。隨試件水平位移增加，墻體裂縫產(chǎn)生、延伸，墻體出現(xiàn)損傷，各試件剛度退化明顯并最終趨于穩(wěn)定。試件W2比W1具有更高的割線剛度。試驗結(jié)果表明，芯孔直徑增加，可使試件剛度退化減緩，使復(fù)合墻體的損傷破壞延緩。

2.5 耗能能力

以累積滯回耗能為標(biāo)準(zhǔn)，對比分析各試件耗能能力。試件累積滯回耗能-加載點位移（E-δ）曲線如圖8b所示，試件破壞前一級荷載作用下各試件累積耗能值列于表5。由圖8b和表5可知：①相同位移作用下，試件W2的累積滯回耗能大于W1;②試件W2的累積滯回耗能是W1的1.14倍，表明增加芯孔直徑可提高復(fù)合墻體的耗能能力。

3 結(jié)論

為拓展EPSC格構(gòu)式混凝土墻體在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用，本文開展了芯孔直徑分別為160 mm和120 mm的2個傳統(tǒng)型EPSC格構(gòu)式混凝土墻體原型試件的抗震性能試驗，基于試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析，得到了以下結(jié)論：

（1）不同芯孔直徑的試件裂縫發(fā)展和損傷破壞規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為剪切型破壞特征。芯孔直徑增加，EPSC格構(gòu)式混凝土損傷破壞進程延緩。

（2）配筋不變，芯孔直徑增加，EPSC格構(gòu)式混凝土墻體的承載力、初始剛度、耗能能力均有不同程度的提高。由于芯孔直徑增加導(dǎo)致試驗?zāi)Ｐ团浣盥实慕档?，對墻體抗震性能將存在一定的影響，這一問題有待進一步研究。由本文分析可以推測，如果保持相同配筋率，芯孔直徑增加會進一步提高墻體的抗震性能。

（3）復(fù)合墻體的初始抗側(cè)剛度和承載力主要由芯孔內(nèi)的鋼筋混凝土骨架承擔(dān);復(fù)合墻體的耗能由EPSC和芯孔內(nèi)鋼筋混凝土骨架共同完成。

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Experimental Study on the Influence of Core Hole Size on theSeismic Performance of Expansive PolystyreneGranule Cement Latticed Concrete Wall

LI Xiaojun1，2，CAO Xinyu1，TANG Baizan3

（1.Faculty of Architecture，Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

（2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

（3.Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

Abstract

In order to study the influence of the core-hole size on the seismic performance of the traditional expansive polystyrene granule cement（EPSC）latticed concrete walls，two traditional EPSC latticed concrete walls are subjected to lateral cyclic loading.The core-hole diameters of the specimens are 160 mm and 120 mm respectively.By the test，the failure mode and bearing capacity，hysteresis curve，skeleton curve，stiffness degradation and other seismic performance of each specimen were compared.The results show that the composite wall with a large core-hole diameter has better seismic performance;as the core-hole diameter increases，the bearing capacity，lateral stiffness and energy dissipation capacity of the composite wall improve to some degree.