輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰墻板抗震性能試驗(yàn)研究*

蔣欣利 周立超 白羽 蘇何先 柏文峰

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系因輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到北美、歐洲和日本等國家［1-3］。近年來，為了有效節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，我國村鎮(zhèn)開始推廣綠色農(nóng)房建設(shè)，裝配式輕鋼房屋成為農(nóng)房建設(shè)的優(yōu)選，但該結(jié)構(gòu)體系依舊存在保溫差、隔音效果差等問題［4-6］。為了解決這一問題，通常將冷彎薄壁型鋼作為墻體骨架與輕質(zhì)保溫隔音材料組合使用，形成的墻板能達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)和保溫隔音的效果，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。目前已有學(xué)者針對(duì)此類墻板展開了相關(guān)研究［7-9］，但存在構(gòu)造復(fù)雜、施工方式繁瑣、工期較長等缺點(diǎn)。因此研究出一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、工廠預(yù)制生產(chǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)直接裝配，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的新型預(yù)制墻板具有重要意義。王靜峰等［10］研發(fā)了一種預(yù)制填充輕質(zhì)聚合物漿料的冷彎薄壁型鋼組合墻板，對(duì)其進(jìn)行了抗剪性能和軸壓性能研究，取得較好的成果，但未對(duì)此類墻板進(jìn)行系統(tǒng)的抗震性能研究。

本文提出一種預(yù)制輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰墻板，輕鋼骨架稀疏布置通過自攻螺釘連接形成整體，利用工廠灌漿設(shè)備在骨架內(nèi)填充發(fā)泡水泥粉煤灰漿料，養(yǎng)護(hù)后形成輕質(zhì)保溫、隔音耐火、承重一體化的預(yù)制組合墻板。該墻板可以通過工廠批量生產(chǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)裝配，可以縮短工期、節(jié)約成本，符合綠色建筑的“節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境”的基本要求。通過對(duì)立柱數(shù)量不同的兩片墻板進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)，分析墻板的破壞特征。研究墻板的滯回曲線、剛度、延性及耗能能力等性能，為預(yù)制類輕鋼骨架組合墻板的抗震性能研究提供參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)和制作2個(gè)1∶1足尺模型試件，試件寬度為1.2 m，高度為2.75 m。墻板骨架由立柱、頂導(dǎo)軌和底導(dǎo)軌通過自攻螺釘ST4.2固定形成整體。立柱和導(dǎo)軌均采用規(guī)格為CN140mm×40mm×10mm×1mm的冷彎薄壁型鋼。試件制作完成后沿著試件高度方向的三分點(diǎn)處各設(shè)一條鋼拉帶。兩個(gè)試件立柱數(shù)量不同，其中試件YB-1設(shè)置了3根立柱，間距為0.6 m，試件YB-2設(shè)置了兩根立柱，間距為1.2 m，如圖1。

圖1 墻板設(shè)計(jì)（單位：mm）

1.2 材料性能

試驗(yàn)所用鋼材為550級(jí)鍍鋁鋅薄壁鋼板，鋼板厚度為1.0 mm。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》［11］進(jìn)行材性試驗(yàn)，結(jié)果見表1。試驗(yàn)采用的填充漿料為水泥、粉煤灰、水和增稠劑通過發(fā)泡機(jī)物理發(fā)泡后形成發(fā)泡水泥粉煤灰漿料。根據(jù)GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行材性試驗(yàn)［12］，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表1 鋼材材性指標(biāo)

表2發(fā)泡水泥粉煤灰材性指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)裝置主要由100 t電液伺服作動(dòng)器（MTS）、60 t液壓千斤頂、反力架、反力墻、頂梁和地梁組成。豎向荷載通過液壓千斤頂施加，通過頂梁分配到墻頂。水平荷載通過MTS施加，對(duì)墻板施加水平反復(fù)力，試驗(yàn)在云南省抗震研究所進(jìn)行。

先采用液壓千斤頂施加54 kN的豎向荷載，豎向荷載需一次加載到位并保持不變。水平反復(fù)力加載全程采用位移控制的加載制度，如圖2。通過作動(dòng)器施加水平位移，初始位移為2 mm，并以2 mm的增量逐級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)1圈；試件開裂后，每級(jí)循環(huán)3圈，當(dāng)加載到20 mm時(shí)，以5 mm為增量逐級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)3圈，直到試件破壞。試件荷載下降到峰值荷載的85%時(shí)視為破壞。

圖2 低周反復(fù)加載制度

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞特征

2.1 YB-1

水平位移加載到10 mm（水平荷載20 kN）時(shí)，墻板的右下角最先出現(xiàn)裂縫（圖3（d）），加載到12 mm時(shí)，墻板的上部出現(xiàn)兩條斜裂縫（圖3（a）），當(dāng)施加相反方向位移時(shí)，墻板右上角出現(xiàn)斜裂縫（圖3（b））。隨著水平位移的增加，上部裂縫斜向上延伸到墻頂，右下角裂縫延伸到墻底，部分裂縫與輕鋼骨架的粘結(jié)面相互分離、兩者粘結(jié)作用失效。在水平反復(fù)力作用下，裂縫不斷張合，加載到40 mm（水平荷載31 kN）時(shí)，中間立柱左根部出現(xiàn)斜裂縫（圖3（e））。水平位移加載到70 mm（水平荷載30 kN）時(shí)，左下部同時(shí)出現(xiàn)兩條斜向大裂縫（圖3（c）和3（f）），且在此裂縫處水泥板與左側(cè)輕鋼立柱分離。水平位移為85 mm（水平荷載為30 kN）時(shí)，墻板中間立柱根部水泥板破碎脫落（圖3（h））。破壞后期，墻板頂部中間立柱兩側(cè)裂縫斜向上延伸，外形呈一個(gè)“Y”字（圖3（g）），屬于壓剪破壞。試驗(yàn)結(jié)束觀察墻板（圖3（i）），墻板鋼骨沒有明顯的彎曲現(xiàn)象，鋼拉帶、自攻螺釘以及中部水泥板基本完好。

圖3 YB-1各種破壞狀況

2.2 YB-2

當(dāng)水平位移加載到8 mm（水平荷載28 kN）時(shí)，水泥板迅速出現(xiàn)幾條斜裂縫，表現(xiàn)出明顯的脆性。隨著位移增大，裂縫也增大，幾條裂縫交叉出現(xiàn)整體外形呈“X”型，屬于典型的剪切破壞。加載到14 mm（水平荷載30 kN）時(shí)，裂縫已經(jīng)貫穿墻板，此時(shí)墻板已經(jīng)破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，整體墻板鋼骨完好，水泥板沒有壓碎。墻板破壞狀況如下圖4。

圖4 “X”裂縫

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

根據(jù)試件的水平位移和荷載關(guān)系，繪制滯回曲線如圖5和圖6所示。對(duì)于YB-1試件，加載初期試件處于彈性階段，滯回曲線呈梭形，隨著位移增加，很快就進(jìn)入彈塑性階段。由于發(fā)泡水泥板開裂，引起部分水泥板和輕鋼骨架粘接面失效，水泥板和輕鋼骨架產(chǎn)生滑移，造成滯回曲線出現(xiàn)“捏攏”。上導(dǎo)軌和龍骨局部屈曲，試件進(jìn)入塑性階段，滯回曲線逐漸向反S形過渡。此時(shí)試件剪切破壞明顯，導(dǎo)致試件達(dá)到峰值荷載后，承載力和剛度逐漸降低。墻板由彈性階段過渡到彈塑性階段時(shí)，墻板的承載力出現(xiàn)先下降再增長的現(xiàn)象，分析其原因是開始時(shí)水泥板和輕鋼均在彈性范圍，兩者共同承擔(dān)其荷載，承載力會(huì)隨位移的增加而增大，當(dāng)水泥板達(dá)到最大承載力時(shí)，水泥板開裂破壞導(dǎo)致墻板承載力突然降低，但由于水泥板具有一定壓縮恢復(fù)力特性，且水泥板與輕鋼骨架粘結(jié)完好，自攻螺釘完好，輕鋼骨架處于彈性階段繼續(xù)持力，所以隨著位移的增大，墻板的承載力又繼續(xù)增大。

圖5 YB-1滯回曲線

圖6 YB-2滯回曲線

對(duì)于YB-2試件，加載初期就表現(xiàn)為明顯的非線性特征，水泥板快速開裂，隨著裂縫逐漸增大貫穿墻板，水泥板和輕鋼骨架之間產(chǎn)生滑移，滯回曲線出現(xiàn)明顯“捏攏”現(xiàn)象，滯回曲線由梭形變?yōu)楣?。墻板破壞時(shí)滯回曲線呈“Z”型，抗震性能較差。與YB-1對(duì)比，YB-2破壞較為突然，表現(xiàn)明顯的脆性破壞。

3.2 骨架曲線

兩個(gè)試件的骨架曲線如圖7。根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》［13］規(guī)定，可通過能量等效法確定兩個(gè)墻板的屈服荷載Py和屈服位移，破壞荷載Pu及破壞位移取自峰值荷載后，荷載下降至85%時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載和位移。抗剪強(qiáng)度Ps為試驗(yàn)最大荷載Pm除以墻體寬度。墻板的承載力特征值見表3。

圖7 骨架曲線對(duì)比

與YB-2相比，YB-1的屈服荷載由26.37 kN提高到28.87 kN，增長了9.5%，峰值荷載由31.98 kN提高到了33.55 kN，增長了4.6%，抗剪強(qiáng)度由26.65 kN增長到27.96 kN，增長了4.9%，說明多增加一根立柱可提高墻板的強(qiáng)度，但增加幅度較小。

3.3 延性

表3 墻板試驗(yàn)結(jié)果

3.4 耗能能力

能量耗散系數(shù)和累積耗能是衡量構(gòu)件耗能性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，取荷載達(dá)到峰值時(shí)的滯回環(huán)，由圖8和式（1）計(jì)算得到能量耗散系數(shù)E［13］，YB-1的能量耗散系數(shù)E為0.51，YB-2的能量耗系數(shù)E為0.48。試件的累計(jì)耗能為依次累加每級(jí)第一圈滯回環(huán)面積計(jì)算所得，用表示，滯回環(huán)包絡(luò)面積越大，試件耗能能力越強(qiáng)。圖9給出了YB-1和YB-2的累積耗能對(duì)比，隨著位移加載，試件的耗能逐漸增加，YB-2的耗能速度比YB-1快。YB-1的最終累積耗散能量為14.76 kN·m，YB-2的最終累積耗散能量為2.01 kN·m，YB-1約比YB-2提升了365%。

圖8 滯回曲線

圖9 累計(jì)耗能對(duì)比

多增加一根立柱對(duì)墻板耗能能力影響較大，YB-1的耗能能力明顯優(yōu)于YB-2，其中能量耗散系數(shù)提高了6%，累積耗能提高了365%。

3.5 剛度退化

墻體的剛度退化曲線以墻體位移角 為自變量，割線剛度為應(yīng)變量，見圖10。YB-1試件剛度退化整體上穩(wěn)定，加載初期剛度退化較快，加載后期退化較慢。因?yàn)榧虞d初期，隨著水泥板裂縫出現(xiàn)和裂縫快速開展，局部水泥板迅速被剪壞，導(dǎo)致墻體剛度退化加快。當(dāng)加載位移達(dá)到25 mm時(shí)，雖然局部水泥板破壞，但整體上水泥板與輕鋼骨架貼合較好，并沒有出現(xiàn)大塊水泥板脫落，整體性能一直維持較好，對(duì)骨架仍能保持較強(qiáng)的支持作用，此時(shí)主要由輕鋼骨架持力，墻板剛度退化速率變得均勻且平緩。YB-2與YB-1對(duì)比，YB-2的初始剛度較大，相同位移角時(shí)YB-2的剛度較大，墻板破壞時(shí)剛度依然較大，加載全程試件剛度退化較快，說明YB-2抵抗變形的能力較強(qiáng)，不易變形。

圖10 剛度退化對(duì)比

3.6 強(qiáng)度退化

強(qiáng)度退化系數(shù)為每級(jí)循環(huán)加載時(shí)的第2次循環(huán)峰值點(diǎn)的荷載值與第1次循環(huán)峰值點(diǎn)的荷載值的比值。如圖11，取墻體的位移角 為自變量，YB-1的強(qiáng)度退化系數(shù)在0.87～0.92之間波動(dòng)，YB-2的強(qiáng)度退化系數(shù)在0.75～0.98之間波動(dòng)，YB-1的強(qiáng)度退化較YB-2的強(qiáng)度退化緩慢且穩(wěn)定。根據(jù)墻板破壞情況可以看出墻板主要破壞原因是水泥板開裂，YB-1比YB-2多增加了1根立柱，能預(yù)制裂縫開展、提高承載力，同時(shí)承載力退化速度也相對(duì)減慢。

圖11 強(qiáng)度退化對(duì)比

4 結(jié)論

通過對(duì)2塊不同立柱數(shù)量的輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰組合墻板進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰墻板主要破壞模式為墻體上部和下部發(fā)泡水泥板開裂，部分發(fā)泡水泥板與輕鋼骨架分離，而連接輕鋼骨架的自攻螺釘、輕鋼骨架、鋼拉帶以及中部發(fā)泡水泥板完好，墻板能保證較好的整體性，滿足安全性要求。

2）兩根立柱的輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰墻板的破壞屬于脆性破壞，輕鋼和發(fā)泡水泥板協(xié)同工作較差，其抗震性能較差；3根立柱的墻板破壞只是局部水泥板壓碎，整體性能較好。

3）墻板中部多設(shè)置1根立柱的輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰墻板的延性和抗震性能得到明顯提高。與兩根立柱墻板對(duì)比，延性系數(shù)由2.86增長到6.99，提高了144%；抗剪強(qiáng)度由26.65 MPa增長到了27.96 MPa，提高了4.9%；最終累積耗散能量由2.01 kN·m增長到14.76 kN·m，提高了365%。

4）輕鋼骨架發(fā)泡水泥粉煤灰墻板中部多設(shè)置1根立柱阻斷發(fā)泡水泥粉煤灰裂縫開展，提高了墻板的延性，改變了墻體的受力機(jī)理，從而提高了墻板的抗震性能。