新型夾芯板GSZ板墻體的抗震性能研究

殷 燕，熊 峰，黃群藝

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065)

1 夾心GSZ板簡介

鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)體系起源于20世紀(jì)60年代，為一種新型輕質(zhì)復(fù)合板材，且在90年代初就在國外廣泛應(yīng)用，其構(gòu)造形式見圖1。典型的鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板由鋼筋混凝土面層、連接器和芯層材料三部分組成。面層配有雙向鋼絲網(wǎng)，厚度在25～50 mm之間，具有較大的強(qiáng)度和剛度，能承受一定荷載。連接器一般為斜插的鋼絲，具有一定的剛度，連接上下混凝土面層內(nèi)部的鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)復(fù)合板的整體性。芯層材料擠壓填充在兩面層之間，可用保溫隔熱材料增強(qiáng)墻體的保溫隔熱性能。芯層可根據(jù)需要或情況選用不同的阻燃型硬質(zhì)泡沫材料，如聚氨酚、聚苯乙烯和巖棉等。

圖1 鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板一般構(gòu)造圖

國內(nèi)復(fù)合板主要運(yùn)用于框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)外填充墻，或者現(xiàn)有建筑的加層，也有房屋承重構(gòu)件的應(yīng)用，但是很少。為了將復(fù)合板廣泛用于承重構(gòu)件中，必須進(jìn)行各類復(fù)合板構(gòu)件的大量試驗(yàn)研究，才能為以后該類結(jié)構(gòu)編制設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考和依據(jù)。

鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板芯層可根據(jù)需要或資源情況選用。本次試驗(yàn)選用了成都龍郡節(jié)能建材有限公司生產(chǎn)的GSZ板，內(nèi)填膨脹珍珠巖加壓構(gòu)成的鋼絲網(wǎng)架芯板(簡稱GZ板)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝后，兩面抹水泥砂漿或者細(xì)石混凝土后形成完整的鋼絲網(wǎng)架珍珠巖水泥夾芯板。膨脹珍珠巖顆粒內(nèi)部是蜂窩狀結(jié)構(gòu)，無毒、無味、不腐、不燃、耐酸、耐堿，其特點(diǎn)是重量輕、絕熱及吸音性能好，并且原材料豐富、價(jià)格低廉、使用安全、施工方便。為擴(kuò)展GSZ板至承重墻體，本試驗(yàn)提高了GSZ板的配筋率。

2 GZS板抗側(cè)力試驗(yàn)

2.1 研究重點(diǎn)

為研究承重夾芯板(GSZ板)墻體在地震作用下的抗側(cè)力性能，采用水平側(cè)向加低周反復(fù)荷載對(duì)墻體進(jìn)行來回推拉作用，通過靜力的來回推拉作用來模擬墻體在地震作用下的受力情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3片GSZ板墻體試件，編號(hào)為Q1、Q2和Q3。試件尺寸考慮到GSZ板廠家的生產(chǎn)尺寸和實(shí)際墻體的合理高寬比，其尺寸見表1，Q1的配筋構(gòu)造如圖2。Q1、Q2和Q3主要變化參數(shù)為配筋率和鋼筋網(wǎng)格大小。試件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，實(shí)測(cè)150 mm立方體抗壓強(qiáng)度平均值24.9 MPa，鋼筋均采用HPB235。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)加載裝置示意圖如圖3所示。上部利用反力墻和反力架固定千斤頂，實(shí)現(xiàn)雙向水平加載。千斤頂前加傳感器以反應(yīng)和記錄力的大小。墻頂豎向荷載通過上下槽鋼間的豎向拉桿擰緊來實(shí)現(xiàn)，拉桿上連接有力傳感器，控制施加的豎向荷載。墻體底部設(shè)有槽鋼，槽鋼上均勻分布焊接鋼齒以加強(qiáng)槽鋼和底部墻體之間的整體性，槽鋼與實(shí)驗(yàn)室地槽之間用螺栓錨固，使墻體固定?，F(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4所示。

2.2.3 量測(cè)和加載方案

本試驗(yàn)逐級(jí)施加水平荷載，根據(jù)墻體頂點(diǎn)水平側(cè)移，研究墻體的變形能力和滯回性能，并觀察墻體的破壞情況，得到墻體的極限荷載。水平荷載的加載采用荷載控制方式，正式加載前進(jìn)行預(yù)加載，然后再進(jìn)入正式加載，以20 kN的倍數(shù)施加。當(dāng)荷載不能加載到達(dá)前一個(gè)荷載級(jí)別(峰值荷載)的時(shí)候，就降一個(gè)級(jí)別進(jìn)行加載，直到荷載降到峰值荷載的85%，認(rèn)為構(gòu)件已破壞，停止試驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.1.1 Q1試件

當(dāng)水平荷載在0～60 kN的加載過程中，墻體底部槽鋼邊緣上有多處細(xì)微裂縫。隨著荷載的加大，細(xì)微裂縫不斷閉合和張開，寬度有所增加，范圍延長，有裂面效應(yīng)。當(dāng)加載到+100 kN時(shí)墻體表面混凝土壓碎剝落，集中在槽鋼上所焊的鋼齒處，說明鋼齒處有混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，鋼齒處裂縫發(fā)展如圖5所示。每一荷載級(jí)別加載時(shí)，墻體與槽鋼接觸處會(huì)有輕微脫裂，隨著荷載的增加，脫裂范圍和寬度不斷加大，最后導(dǎo)致墻體底部翹起并與槽鋼脫開。當(dāng)加載到140 kN荷載級(jí)別時(shí)，底部槽鋼由于剛度太弱，形成反拱，造成墻體不能完全固定，形成破壞機(jī)構(gòu)，停止加載。墻體底部破壞如圖6所示。

圖2 構(gòu)件Q1配筋圖

表1 試件尺寸一覽表

圖3 試件加載安裝示意

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置

3.1.2 Q2試件

吸取Q1試件破壞原因，考慮加大墻體上下槽鋼之間的擰緊作用，使墻體與上下槽鋼之間的整體作用增強(qiáng)。Q2加載方式與Q1相同。當(dāng)加載到160 kN荷載級(jí)別時(shí)，發(fā)現(xiàn)豎向拉桿出現(xiàn)了頸縮，證明拉桿所受應(yīng)力過大。為保證試驗(yàn)完成，用兩根φ20的鋼筋替換以前的M16的螺桿。加固后繼續(xù)從+160 kN開始加載，當(dāng)加載到+220 kN時(shí)，發(fā)生與Q1相同的破壞方式。墻底左右兩端槽鋼脫開，槽鋼底部輕微反拱，墻體已經(jīng)不能固定，于是停止加載。

3.1.3 Q3試件

Q3加載方式以及墻體破壞現(xiàn)象與前兩個(gè)試件相同，只是荷載級(jí)別有所提高，并且破壞狀態(tài)沒有前面兩個(gè)試件嚴(yán)重。當(dāng)加載到200 kN級(jí)別、負(fù)向加載－200 kN時(shí)，因反力架強(qiáng)度不足，出現(xiàn)位移。之后改為單向加載，由反力墻端千斤頂施加。加到+260 kN時(shí)，加載端槽鋼之間的拉結(jié)鋼筋固定裝置變形失效，停止加載。

圖5 鋼齒處裂縫發(fā)展圖

3.2 頂點(diǎn)滯回曲線

根據(jù)墻體上邊緣正向加載端頂點(diǎn)的水平位移繪制三個(gè)試件的頂點(diǎn)力－位移曲線(滯回曲線)如圖7所示。

圖6 墻體底部破壞

從以上三個(gè)試件的頂點(diǎn)滯回曲線可以看出，在循環(huán)反復(fù)加載過程中的初始加載階段，試件處于彈性階段，曲線基本上都是靠近原點(diǎn)的直線，滯回環(huán)面積基本為零;進(jìn)入非彈性階段后，滯回曲線斜率變小，剛度退化，滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大。加載終止后，試件Q1的滯回曲線呈倒S形，存在嚴(yán)重的捏縮現(xiàn)象，即存在較大的剪力滑移影響，且強(qiáng)度和剛度都有明顯退化，所以Q1墻體的延性和吸收地震能量的能力較差。試件Q2的滯回曲線呈弓形，有捏縮現(xiàn)象，受到了一定的滑移影響，曲線較Q1飽滿，表明Q2墻體的塑性變形能力和吸收地震能量的能力比Q1強(qiáng)。試件Q3的滯回曲線也呈弓形，有捏縮現(xiàn)象，但更趨飽滿，說明塑性變形能力和抗震耗能能力比Q2強(qiáng)。試驗(yàn)最終加載的最大荷載和對(duì)應(yīng)的位移見表2。

表2 試驗(yàn)最后結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)上來看，試件Q2和Q3的抗震性能比Q1好得多，Q3比Q2更好一些。Q2、Q3表現(xiàn)比Q1好，這是由于Q2、Q3的墻體配筋率都是Q1的兩倍左右，且試驗(yàn)裝置也比Q1穩(wěn)定得多，所以表現(xiàn)好。Q3表現(xiàn)比Q2好，是由于在相差不大的配筋率情況下，Q3的鋼筋網(wǎng)更密，且Q3試驗(yàn)裝置比Q2穩(wěn)定，所以Q3變現(xiàn)更好。

4 結(jié)論及建議

本次試驗(yàn)因墻體在起連接固定的的底部槽鋼上部破壞而終止，是局部破壞，沒有取得預(yù)期的墻體本身的極限破壞。但從試驗(yàn)進(jìn)行過程、試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，依然可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

圖7 三個(gè)試件的頂點(diǎn)滯回曲線

(1)三個(gè)構(gòu)件從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束，沒有觀察到夾芯層與混凝土之間的分離，說明該類鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板結(jié)構(gòu)的墻體整體性很好。

(2)在試驗(yàn)過程中，墻體構(gòu)件除了底部固定薄弱連接部位出現(xiàn)裂縫外，主體部分和墻體上部槽鋼固定處基本上未出現(xiàn)裂縫，證明該墻體材料本身強(qiáng)度較大。

(3)從三個(gè)試件的表現(xiàn)看來，鋼筋率和鋼筋網(wǎng)格的大小對(duì)墻體的表現(xiàn)是起促進(jìn)作用的。如Q1和Q2，在相同鋼筋網(wǎng)格大小的情況下，配筋率越大，墻體表現(xiàn)更好;Q2和Q3，在配筋率相差不大的情況下，鋼筋網(wǎng)格直徑明顯偏小、間距偏密的墻體Q3表現(xiàn)更佳。

(4)表2數(shù)據(jù)顯示，從本次試驗(yàn)過程中對(duì)基礎(chǔ)的加固措施來看，墻體連接固定的好壞對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力有很大的提高作用，是墻體發(fā)揮抗震性能的重要保證。

［1］WAIEL MOWRTAGE，F(xiàn)ARUK KARADOGAN. Behavior of single－story lightweight panel building under lateral loads［J］.Journal of Earthquake Engineering，2009，13:100－107

［2］李宏男，李兵.鋼筋混凝土剪力墻抗震恢復(fù)力模型及試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(5):35－42

［3］陳國棟，郭彥林，范珍，等.鋼板剪力墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(2):19－38

［4］張新培.鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)非線性分析［M］.北京:科學(xué)出版社，2003

［5］劉玉鳳.CS板式結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)研究［D］.天津大學(xué)，2009

［6］GB 50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［7］清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院.墻體受力性能試驗(yàn)報(bào)告［R］