泡沫混凝土復合板力學性能研究

金松梅 錢 坤

(1.延邊職業技術學院,吉林 延邊 133000; 2.吉林建筑大學,吉林 長春 130118)

0 引言

隨著建筑技術的不斷發展，傳統的砌體填充墻因為砌筑耗費人力大、場地濕作業多、材料不環保等因素，其應用勢必會被具有輕質高強、施工方便、節能環保且抗震性能良好的裝配式泡沫混凝土墻板所代替。本文所研究的泡沫混凝土復合板通過在預制混凝土邊框梁與邊框柱中內嵌泡沫混凝土板，同時邊框梁柱中的預埋件可以使墻板與主體框架連接穩固。在地震過程中，內嵌的泡沫混凝土通過其孔隙的張拉閉合消耗地震能量，同時邊框在地震過程中也能約束泡沫混凝土板的變形，保持墻板良好的整體性，使墻板中的鋼筋籠與泡沫混凝土能夠充分參與受力，并且內嵌的泡沫混凝土板和邊框梁柱分別是建筑抗震的前兩道防線，在地震過程中充分參與消耗地震能并先于主體框架破壞，實現地震能量的分級釋放[1]，以此減少主體框架在地震中的破損情況。

1 構件模型制作及加載方案

本文設計兩種不同配筋形式的泡沫混凝土復合板PMQ-1和PMQ-2，并在低周往復加載試驗中對兩塊墻板進行對比，其中PMQ-1為采用斜向鋼筋籠的復合板，PMQ-2為采用斜向分布鋼筋網的復合板，PMQ-1和PMQ-2的配筋形式如圖1，圖2所示。

本次試驗的加載方式為低周往復加載，先用墊梁與栓釘將墻板固定，在墻板上端施加大小為140 kN的豎向荷載，豎向荷載保持不變，水平荷載以位移加載控制，以屈服位移Δy=5 mm為一級，屈服位移之前每級循環一次，屈服位移至18 mm每級循環兩次，18 mm后每級循環一次直至試件破壞，試驗材料見表1,表2。

表1 PMQ-1材料及尺寸表

表2 PMQ-2材料及尺寸表

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象及分析

兩墻板的加載過程均可分為三個階段——彈性階段，彈塑性階段和破壞階段，彈性階段加載至3 mm時兩墻板均出現輕微劈裂聲但墻板表面并未出現裂縫，PMQ-1的第一條裂縫出現在-5 mm時墻板的左上角，此時的開裂荷載為-178.2 kN而PMQ-2墻板的第一條裂縫出現在加載至5 mm時墻板的中部，此時的開裂荷載為156.9 kN。PMQ-2在加載至7 mm時邊框柱上出現裂縫，而PMQ-1則是加載至9 mm時邊框梁柱才出現裂縫。加載至12 mm時兩墻板均出現交叉斜裂縫，但PMQ-1的交叉裂縫明顯比PMQ-2的交叉裂縫多。加載至18 mm時梁墻板均出現大量劈裂聲，且原有裂縫變寬，墻板達到屈服點，此時PMQ-1的屈服荷載為417 kN，PMQ-2的屈服荷載為367.3 kN。加載至22 mm時原有裂縫加寬，并伴隨大量新裂縫出現。加載至26 mm時兩墻板均達到最大荷載，其中PMQ-1的最大荷載為499.1 kN，PMQ-2的最大荷載達到419 kN。加載至35 mm時PMQ-1的承載力為312.1 kN，達到最大荷載的85%以下，視為墻板破壞，試驗終止，而PMQ-2則是在加載至38 mm時承載力為358.5 kN，達到最大荷載的85%，試驗終止。墻板裂縫如圖3所示。

從試驗現象上看，PMQ-2墻板的裂縫出現雖然早，但裂縫分布更加均勻，證明斜向分布鋼筋相比斜向鋼筋籠，對裂縫有更強的把控，可以使墻板的裂縫分布更加均勻。而PMQ-1的開裂荷載，屈服荷載和極限荷載均要比PMQ-2大很多，且最終破壞時PMQ-1的極限位移也要大于PMQ-2,證明斜向鋼筋籠對墻板各階段剛度的貢獻要優于斜向分布鋼筋網，且其延性也要好于斜向分布鋼筋網。

2.2 滯回曲線分析

PMQ-1和PMQ-2的滯回曲線如圖4，圖5所示。

PMQ-1的滯回曲線呈弓型，而PMQ-2的滯回曲線偏向反S型[2]，加載至開裂點之后，PMQ-1的剛度要大于PMQ-2，且PMQ-1的滯回環面積也要遠遠大于PMQ-2，但兩墻板的滯回曲線仍有一些相同點：

1)兩墻板的開裂剛度相似，開裂前荷載與位移呈線性關系，此時墻板處于彈性階段，滯回環呈細長狀，包裹面積小，荷載增減對墻板剛度無影響。

2)墻板開裂后進入彈塑性階段，此時墻板的剛度減小，且滯回曲線加寬，包裹面積增大，荷載卸載至零時墻板有殘余變形。

3)在荷載達到最大承載力之后，隨著控制位移的增大荷載不斷下降，滯回環面積不斷擴大，可以說明墻板的耗能能力與變形能力良好。

由滯回曲線可以看出PMQ-1的耗能能力要好于PMQ-2，且PMQ-1的殘余變形大于PMQ-2的殘余變形，說明在低周往復加載過程中斜向鋼筋籠充分發揮了作用,同時說明斜向鋼筋籠對墻板耗能能力以及延性的貢獻要優于斜向分布鋼筋網。

2.3 骨架曲線分析

PMQ-1和PMQ-2的骨架曲線對比圖如圖6所示。從骨架曲線對比圖可以看出，在開裂之前PMQ-1和PMQ-2擁有相近的剛度，骨架曲線呈直線，此時墻板處于彈性階段。而開裂之后骨架曲線出現彎曲，且PMQ-1與PMQ-2的剛度差距逐漸擴大，自始至終PMQ-2的骨架曲線一直包絡在PMQ-1之中，說明PMQ-1的承載力要高于PMQ-2，也說明了斜向鋼筋籠對墻板承載力的貢獻要好于斜向分布鋼筋網。

2.4 剛度退化系數分析

因為墻板在開裂點之前處于彈性階段，此時控制位移的增減對墻板剛度并無影響，因此可以確定墻板的剛度退化是在墻板加載至開裂點之后發生的，本節通過探討墻板的剛度退化系數并做出剛度退化系數與墻板層間位移角的曲線來確定墻板力學性能的優劣，剛度退化系數為墻板各階段剛度與開裂剛度的比值，墻板層間位移角為各峰值荷載所對應的控制位移與墻高的比，PMQ-1與PMQ-2的剛度退化系數對比如圖7所示。

如圖8所示，PMQ-1和PMQ-2的層間位移角與剛度退化系數曲線走向一致，但最初PMQ-1的曲線要比PMQ-2的曲線斜率大，說明開裂點之后的最初一段加載過程中PMQ-1的剛度退化速度要比PMQ-2快，但隨著試驗加載位移的增大，PMQ-2的曲線斜率逐漸超過PMQ-1，說明PMQ-1在地震過程中能夠參與消耗更多的地震能且保持剛度穩定退化。當試驗加載至后期，PMQ-2的曲線急劇下降，而PMQ-1的曲線下降相對緩慢，是因為PMQ-1的延性要比PMQ-2更好，進一步說明斜向鋼筋籠對墻板延性的貢獻要好于斜向分布鋼筋網。

3 恢復力模型的建立

3.1 骨架曲線模型

恢復力模型是通過處理試驗所得數據，得出相比于原始數據更能精準分析結構在往復荷載下受力性能的模型[3]，包括骨架曲線模型和滯回規則，按照模型形態主要分為曲線型和折線型，因曲線型恢復力模型的剛度確定和計算方法難以確定，且考慮到泡沫混凝土復合板在開裂后墻板剛度會有所降低，本文采用四折線骨架曲線模型，以泡沫混凝土復合板PMQ-1和PMQ-2的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和破壞荷載作為特征值，將這四個特征值與開裂荷載做比以此將曲線無量綱化PMQ-1和PMQ-2各特征值如表3所示，無量綱化骨架曲線如圖8，圖9所示。

表3 特征值表

從圖8和圖9可以看出骨架曲線模型與試驗結果的骨架曲線走向一致，吻合度較高，說明四折線骨架曲線模型能夠較好的反映墻板在低周往復加載試驗中的力學性能。根據無量綱化骨架曲線四段折線的斜率，可以推導出PMQ-1和PMQ-2各階段斜率K1,K2,K3,K4之間的關系如式(1)，式(2)所示。

K2=0.594K1
K3=0.187K1
K4=-0.366K1

(1)

K2=0.616K1
K3=0.208K1
K4=-0.274K1

(2)

3.2 標準滯回環

將試驗數據進行處理，得出PMQ-1和PMQ-2的標準屈服滯回環和標準極限滯回環[4]，如圖10～圖13所示。

4 結語

1)PMQ-1與PMQ-2在低周往復加載下均發生剪切破壞，試驗終止時PMQ-1中間混凝土完全壓碎，露出里面屈服的鋼筋，而PMQ-2只有角部的泡沫混凝土壓碎。2)斜向鋼筋籠配筋的PMQ-1的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和破壞荷載分別比斜向分布鋼筋配筋的PMQ-2高出14%，13.5%，16%和14.8%。3)PMQ-1的屈強比要比PMQ-2的屈強比大4.9%，相對于PMQ-2，PMQ-1有更多的強度安全儲備，進一步證明斜向鋼筋籠配筋方式對墻板強度安全儲備的提升要優于斜向分布鋼筋。4)根據滯回曲線的包裹面積以及墻板的延性系數，斜向鋼筋籠配筋的PMQ-1的耗能能力和延性要高于斜向分布鋼筋配筋的PMQ-2。5)位移加載超過開裂點之后，在初期PMQ-1的剛度退化速率要高于PMQ-2，但隨著控制位移的增大，PMQ-2的剛度急劇退化，而PMQ-1的剛度退化相對較平穩，證明斜向鋼筋籠的配筋形式比斜向分布鋼筋網的配筋形式更有利于墻體的抗震性能。