水泥膨脹珍珠巖外墻板抗彎性能試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

郭曉燕，方林

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司科創(chuàng)中心，上海 200011）

0 概 述

目前，國(guó)內(nèi)外輕質(zhì)混凝土外圍護(hù)墻板主要采用蒸壓加氣混凝土板[1-4]。針對(duì)水泥膨脹珍珠巖板的適用范圍及其受力性能、設(shè)計(jì)方法，相關(guān)的研究資料還十分有限。

本研究的水泥膨脹珍珠巖板的防火保溫基材采用硅酸鹽水泥、膨脹珍珠巖、抗裂玻璃纖維、聚乙烯醇、工業(yè)固體廢物、發(fā)泡劑和水按一定比例制備而成[5]。此水泥膨脹珍珠巖板具有輕質(zhì)高強(qiáng)、防火保溫、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)2 個(gè)帶窗洞的水泥膨脹珍珠巖外墻板試件平面外抗彎性能試驗(yàn)，研究新型墻板在預(yù)定的地震作用或風(fēng)荷載作用下的承載能力和剛度，為水泥膨脹珍珠巖復(fù)合外墻板在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件

本試驗(yàn)在專(zhuān)業(yè)工廠制作2 塊水泥膨脹珍珠巖外墻板（編號(hào)B1、B2），防火保溫基材采用硅酸鹽水泥、水、膨脹珍珠巖、抗裂玻璃纖維、多種添加劑等按一定比例制備而成，墻板表面粘貼裝飾面磚。試件尺寸均為2400 mm×3300 mm×200 mm（寬×高×厚），中部窗洞尺寸均為1500 mm×1800 mm。鋼筋采用HRB400 級(jí)，保護(hù)層厚度為15 mm。試件B1 采用200 mm厚水泥膨脹珍珠巖基材；試件B2 采用140 mm 厚水泥膨脹珍珠巖基材，兩側(cè)采用30 mm 厚C30 細(xì)石混凝土面層保護(hù)；2組試件配筋情況相同。試件截面尺寸及配筋如圖1 所示，制作完成的試件如圖2 所示。

圖1 試件配筋布置

圖2 制作完成的試件

1.2 試驗(yàn)裝置

試件采用四點(diǎn)鉸接支承，支承位置根據(jù)實(shí)際工程外掛墻板掛點(diǎn)位置確定，加載方案采用均布堆載法，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試件加載裝置

1.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用3 個(gè)位移計(jì)測(cè)量關(guān)鍵位置的豎向位移情況（見(jiàn)圖4），試驗(yàn)過(guò)程中記錄裂縫的發(fā)展規(guī)律。試驗(yàn)均布堆載考慮試件自重，一體化墻板試件B1 自重為1525 kg，試件B2 自重為2080 kg，窗洞位置加載鋼板自重800 kg，目標(biāo)附加試塊荷載為1.75 kN/m2，折算后試件B1 等效面荷載為4.67 kN/m2，試件B2 等效面荷載為5.73 kN/m2。目標(biāo)附加試塊荷載分兩步進(jìn)行，每級(jí)加載0.875 kN/m2。

圖4 位移計(jì)布置

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)加載現(xiàn)象（見(jiàn)圖5）

圖5 B1、B2 試驗(yàn)加載現(xiàn)象

由圖5 可見(jiàn)：（1）試件B1 開(kāi)始加載前，表面無(wú)裂縫；第1級(jí)加載完成，無(wú)裂縫產(chǎn)生；第2 級(jí)加載完成，試件板底兩側(cè)跨中部位出現(xiàn)細(xì)小裂縫，裂縫寬度約為0.1 mm。（2）試件B2 開(kāi)始加載前，表面無(wú)裂縫；第1 級(jí)加載完成，無(wú)裂縫產(chǎn)生；第2 級(jí)加載完成，亦無(wú)裂縫產(chǎn)生。對(duì)比可知，兩側(cè)采用30 cm 厚細(xì)石混凝土面層保護(hù)的試件承載力較高。

2.2 豎向位移

圖6 為B1、B2 試件的3 個(gè)豎向位移計(jì)豎向位移隨著加載過(guò)程的變化。

圖6 試件豎向變形情況

由圖6 可見(jiàn)，B1 試件豎向最大位移為2.1 mm，B2 試件豎向最大位移為0.25 mm，表明研發(fā)的水泥膨脹珍珠巖外墻板在預(yù)定平面外目標(biāo)荷載作用下具有良好的剛度。兩側(cè)采用30 mm 厚細(xì)石混凝土面層保護(hù)的試件剛度較大。

2.3 承載力分析

水泥膨脹珍珠巖板應(yīng)用于外墻板，需抵抗風(fēng)荷載和地震作用。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，外墻板的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：βgz——高度z 處的陣風(fēng)系數(shù)；

μsl——局部風(fēng)壓體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

ω0——基本風(fēng)壓，kN/m2。

以上海地區(qū)100 m 高度處C 類(lèi)地面粗糙度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，基本風(fēng)壓ω0=0.55 kN/m2，陣風(fēng)系數(shù)為1.69，局部風(fēng)壓體型系數(shù)為2.5（考慮最不利因素），風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.50，代入式（1）后得ωk=3.5 kN/m2，分別小于試件B1、B2 試驗(yàn)等效面荷載4.67、5.73 kN/m2。

計(jì)算水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可采用等效側(cè)力法，根據(jù)JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：FEhk——施加于外掛墻板重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

βE——?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)，可取5；

αmax——水平地震作用影響系數(shù)最大值；

Gk——外掛墻板的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

考慮抗震設(shè)防烈度8 度（0.3 g），求得試件B1、B2 的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEhk分別為18.3、24.96 kN，換算得到的等效面荷載分別為2.31、3.15 kN/m2，分別小于試件B1、B2 試驗(yàn)等效面荷載4.67、5.73 kN/m2。

分析結(jié)果表明，研發(fā)的水泥膨脹珍珠巖外墻板具有較好的抵抗風(fēng)荷載及地震作用能力，安全儲(chǔ)備較高，可應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3 有限元分析

3.1 單元選取與參數(shù)設(shè)置

采用Von Mises 屈服準(zhǔn)則、相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則、等向強(qiáng)化模型描述鋼材的塑性變形。鋼筋的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系；鋼絲的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用雙斜線模型，硬化段斜率取0.1 倍彈性模量。試件B2 外覆C30 細(xì)石混凝土保護(hù)層采用混凝土塑性損傷模型。

水泥膨脹珍珠巖外墻板模型選取ABAQUS 中給出的混凝土塑性損傷模型。該模型采用各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性理論表征非彈性行為。單軸受拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用考慮受拉剛化的雙直線型，單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線按式（3）確定[6]：

式中：fc——棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

ε0——與fc相應(yīng)的峰值壓應(yīng)變；

Ec——材料彈性模量，kPa。

水泥膨脹珍珠巖外墻板、混凝土、加載制作采用8 節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R）、鋼筋和鋼絲采用2 節(jié)點(diǎn)的三維桁架單元（T3D2）。不考慮鋼筋及鋼絲和外墻板之間的黏結(jié)滑移，鋼筋和鋼絲采用“Embedded”命令嵌入到外墻板中。分2 階段在模型上表面施加均布荷載，有限元計(jì)算模型如圖7 所示。

圖7 有限元計(jì)算模型

3.2 有限元與試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

對(duì)測(cè)點(diǎn)1、2 位移隨加載過(guò)程變化進(jìn)行整理，結(jié)果如圖8所示。

由圖8 可見(jiàn)，2 組試件加載過(guò)程中模擬計(jì)算的位移發(fā)展趨勢(shì)與試驗(yàn)基本相符。對(duì)試件B1，第2 級(jí)加載模擬位移為1.47 mm，與試驗(yàn)值相差19.7%；對(duì)試件B2，第2 級(jí)加載模擬位移為0.25 mm，與試驗(yàn)值相差3%。分析模擬曲線與試驗(yàn)曲線出現(xiàn)差異的原因主要有：

圖8 試件B1 和B2 模擬與試驗(yàn)曲線對(duì)比

（1）試驗(yàn)中加載是分為鋼板和附加試塊共同模擬均布荷載效果，數(shù)值模擬中則將之簡(jiǎn)化為墻體上表面均布荷載，二者存在一定差異。

（2）實(shí)際試件制備工藝與數(shù)值模擬略有差異。

（3）模擬中不考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，與實(shí)際情況略有差異。

有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，有限元結(jié)果偏剛。

3.2 有限元結(jié)果分析

為了解試驗(yàn)墻板在允許變形范圍內(nèi)（1/250 板跨）鋼筋應(yīng)力水平，對(duì)有限元加載過(guò)程中的鋼筋應(yīng)力進(jìn)行提取，試件B1板在最大位移為4.0、8.0、12.0 mm 的鋼筋應(yīng)力分布如圖9 所示。

圖9 試件B1 加載后鋼筋應(yīng)力分布

由圖9 可見(jiàn)，試件B1 墻板在加載位移達(dá)到12 mm 時(shí)，試件B1 受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力達(dá)到134.1 MPa，受壓區(qū)鋼筋拉應(yīng)力達(dá)到128.4 MPa，鋼筋強(qiáng)度并未得到充分利用。分析結(jié)果表明，在達(dá)到允許變形的情況下，試件承載力有較大的富余量，鋼筋應(yīng)力水平較低。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）研發(fā)的水泥膨脹珍珠巖外墻板具有較好的抵抗風(fēng)荷載及地震作用能力，安全儲(chǔ)備較高，可應(yīng)用于實(shí)際工程中。

（2）研發(fā)的水泥膨脹珍珠巖外墻板在預(yù)定平面外目標(biāo)荷載作用下具有良好的剛度。

（3）兩側(cè)采用30 mm 厚細(xì)石混凝土面層保護(hù)的水泥膨脹珍珠巖外墻板，較采用水泥膨脹珍珠巖基材的墻板，承載力和剛度都有所提高。

（4）在達(dá)到允許變形的情況下，試件承載力有較大的富余量，鋼筋應(yīng)力水平較低。