泡沫混凝土-挤塑板复合墙板的抗震性能研究

Study on Seismic Performance of Foam Concrete-Extruded Plastic Board Composite Wall Panel

摘要

文章提出了1种新型泡沫混凝土-挤塑聚苯板复合墙板（FCPW）。为了研究这些墙板对地震事件中可能发生的加载条件的响应，共设计了3种试件，分别对不同尺寸的墙板施加循环荷载研究其抗震性能。通过分析墙板滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度退化系数等抗震参数，认为墙板抗震性能良好。试验现象和破坏机理均表明：剪切破坏是试件的破坏形式。对比试件可以看出：高宽比和试件本身强度对抗震性能影响明显，高宽比越大，延性越大，抗震性能越好；混凝土厚度越小，延性越小，抗震性能越差。研究有助于挤塑板与混凝土组成复合墙板的更新迭代，为后续研究提供参考。

关键词

挤塑板 / 复合墙板 / 抗震性能 / 拟静力试验

Key words

Extruded plastic board / Composite wall panel / Seismic performance / Pseudo-static testing

复合墙板与普通墙板不同，它通常由高强度的面板与厚得多、密度小、强度弱的芯材结合而成^[1]。复合墙板具有质量轻、成本低、保温性能好、隔音隔热等诸多优点^[2]。近年来，在复合墙板设计中出现了相当大的创新，使用新型高性能混凝土^[3]，采用新颖的加固方法^[4]，在满足力学性能的同时兼顾环保^[5]，新型材料的剪切连接件^[6-7]，使混凝土更轻更薄。本实验提出了1种新型泡沫混凝土-挤塑聚苯板复合墙板，它轻质、隔音、保温、整体性较强。

挤塑聚苯乙烯板简称挤塑聚苯板(XPS)具有超低密度、防水、导热系数低[低于0.05 W/（m·K）]等特点^[8-9]。另外，挤塑聚苯乙烯材料具有高热性能与和易性，是保温混凝土复合墙板系统中常用的材料^[10]。而且，在保证相同热工性能的情况下，挤塑聚苯乙烯材料施工成本低于岩棉^[11]。为了提高复合板的力学性能、耐火性能和保温性能，墙板复合被广泛采用^[12-14]。以上研究，均为XPS在混凝土复合墙板的实际应用提供依据。

泡沫混凝土作为1种建筑保温复合材料，具有质量轻、吸能减震、保温、自密实等优点，在建筑、岩土等工程领域被广泛应用^[15]。泡沫混凝土在减轻质量、提高建筑结构的抗震和承载能力方面表现出良好的性能^[16]，所以在复合墙板中被广泛应用。近年来，研究人员分别从配合比^[17-18]、力学性能^[19-20]、抗震性能^[21-23]等方面展开分析。研究表明：泡沫混凝土夹芯板已经可以作为普通混凝土墙板的替代品。虽然泡沫混凝土复合墙板技术已经成熟，但对泡沫混凝土-挤塑聚苯板复合墙板(FCPW)的抗震性能研究较少。本实验分别对不同尺寸的墙板施加循环荷载研究其抗震性能，为新型泡沫混凝土复合墙板在实际施工中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

泡沫混凝土-挤塑聚苯板复合墙板(FCPW)，其中泡沫混凝土干密度等级为A10，钢筋采用5 mm带肋钢筋，中间保温层采用B1级阻燃挤塑板，本钢集团有限公司。表1为复合墙板中泡沫混凝土配合比。

1.2 仪器与设备

土木结构加载试验及地震模拟系统，竖向执行器最大荷载为500 kN，横向执行器最大荷载为200 kN，长春科新试验仪器有限公司；动态采集仪，DH3820N，江苏东华测试技术股份有限公司。

1.3 加载方式

根据JGJ/T 101—2015^[24]，通过上部竖向液压千斤顶对墙板施加5 kN的恒压荷载，检查仪器连接是否稳定，仪器各部分是否能正常工作，然后逐步加载至15 kN。在正式加载之前需进行预加载，然后再逐步进行加载。加载方式采用循环荷载控制方式，试验开始时，首先施加3 kN的荷载，加载速度为500 N/min，然后每步幅增加500 N，试件发生开裂后，降低加载速度采用250 N/min直至试件完全破坏。图1为循环载荷加载曲线。

1.4 样品制备

根据JGJ/T101—2015^[24]中3.1.2的要求，本试验制作3种不同尺寸的试件，分别命名为FCPW-1、FCPW-2、FCPW-3，表2为试件尺寸。两侧均采用轻骨料泡沫混凝土，中间保温层结构是直径为5 mm的带肋钢筋组成以200 mm的间距横向布置与间距为100 mm纵向布置的钢筋骨架，中间包裹100 mm厚的挤塑板。四角用钢制连接件进行固定，保证其整体性。

复合墙板制作流程：绑扎钢筋骨架→浇筑底层混凝土→放置钢筋骨架、挤塑板和针式连接件→放置上层钢筋骨架及预埋件→浇筑上层混凝土和拆模。

1.5 性能测试与表征

滞回曲线测试：滞回曲线是诠释件在循环加载过程中的重要参数，是试验过程中加载力与之产生位移的具象化表达。在本次以循环加载为主的抗震试验中，滞回曲线直观反映试件在3个阶段的状态。

骨架曲线测试：骨架曲线是每个滞回环最大加载力与之对应的位移点。对骨架曲线进行测试，可以直观反映试件从弹性阶段到屈服阶段再到破坏阶段的过程。

延性性能测试：延性系数是指试验过程中极限位移与屈服位移的比值。延性系数越大表示试件从屈服位移到极限位移的距离越大，在地震过程能够承受更大的位移，抗震性能越好。试件的延性性能通过延性系数衡量，延性系数(μ)计算公式为：

\mu = \frac{X_{\mathrm{u}}}{X_{\mathrm{y}}} (1)

式(1)中： X_{\mathrm{u}}为试件的极限位移； X_{\mathrm{y}}为试件的屈服位移。

割线刚度测试：割线刚度是指峰点时荷载值与位移值的比值。在循环荷载作用下，随着荷载的增加，试件受拉区表面出现裂纹。在不同的加载阶段，试件内部存在不同程度的损伤。随着损伤的不断累积，试件的刚度逐渐退化。试件的刚度通过割线刚度衡量，割线刚度 K_i的计算公式为：

K_i = \frac{\left|+F_i+\left|-F_i\right.\right.}{\left|+X{}_i{}^{}+\left|-X_i\right.\right.} (2)

式(2)中： F_i为第 i次峰点荷载值； X_i为第 i次峰点位移值。

2 结果与讨论

2.1 破坏形态分析

对3种不同尺寸的FCPW试件进行抗震试验，图2为3种试件的最终破坏形态。

从图2可以看出，试件破坏形式相似，都是属于剪切破坏，首先，墙板从墙角开始开裂，然后，裂缝逐渐向上延伸。观察试验现象可以看出，FCPW首先产生水平裂缝，然后产生斜裂缝。这说明试件的弯曲变形早于剪切变形，这与预期的变形特征基本一致。试件最终破坏形态为表面出现约45°斜交叉主裂缝，角部混凝土被压碎。试验加载初期，试件表面无明显现象。荷载-位移曲线呈线性变化，试件工作性能良好。当FCPW-3进行第3次循环时，FCPW-1和FCPW-2进行第4次循环时进入开裂阶段，此时，试样表面开始出现细小裂纹。当FCPW-2进行到第九次循环，FCPW-1和FCPW-3进行到第10次循环时，试件进入屈服阶段，此时随着位移的增加荷载降低，但是裂缝延伸，裂缝宽度增大。与FCPW-1相比，FCPW-2在试验过程中裂缝发展更为充分。

从图2b可以看出，FCPW-2的最终破坏形态为中部发生剪切破坏，发生这种现象的原因是由于墙板混凝土太薄，导致其弯曲强度小于剪切强度。相对而言，FCPW-3的裂纹发展较差，可以得出，当试件高宽比大时，试件的延性性能最好。

2.2 滞回曲线分析

图3为3个FPCW试件经反复低周加载后的滞回曲线。

从图3可以看出：在试件开裂之前，滞回曲线不是很饱满，只包裹一小块区域。此时，墙体处于弹性阶段，荷载和位移呈线性增加，卸荷后基本无残余变形。试件一旦开裂，即进入弹塑性阶段。此时，滞回曲线对角线向位移轴倾斜，载荷与位移不再保持线性关系。滞回曲线逐渐丰满，滞回曲线对角线斜率逐渐变小，说明试件刚度正在减小。同时，即使去除所有载荷，位移也不能达到0，这意味着构件发生残余变形。随着荷载的增大，试件达到屈服。此时的载荷增量越来越小，相反，位移增量却越来越大。试件刚度降低，卸荷后残余变形较大，迟滞回线呈倒S形，均表明试件受到剪切作用的一定影响。在水平作用下，FPCW试件的位移表现出非对称，原因在于左侧和右侧的裂缝位置不同。另外，试件的滞回曲线饱满，表明试件能量耗散能力良好。

2.3 骨架曲线分析

试件骨架曲线能很好地反映构件的强度和变形情况，以及加载过程中荷载与变形的关系^[25]。图4为3个试件的骨架曲线及其骨架曲线对比。

从图4a~图4c可以看出，各试件的骨架曲线拟合良好。3个试件的位移变化趋势基本一致。墙体开裂前弹性阶段，骨架曲线几乎是一条直线，这表明此时试件正处于弹性阶段，荷载与位移呈线性关系。随着荷载的不断增加，试件逐渐开裂，骨架曲线的斜率开始发生偏移，与此同时，刚度随位移和荷载的增加略有降低。直至试件屈服，骨架曲线趋于平缓，刚度进一步降低，导致变形加速。构件在达到峰值荷载后试件发生破坏，荷载随位移的增加逐渐减小。从图4d可以看出，不同高宽比下FCPW-1和FCPW-3相比较，FCPW-1承载能力最大，这说明高宽比越小，试件的承载能力越大。对比曲线位移增量来看，高宽比大的，FCPW-3位移变化更明显。不同墙板厚度下FCPW-1和FCPW-2相比较，可以发现厚度越大，承载能力越高，但位移增量更小。

2.4 延性性能

结构的延性越大，其变形能力越强，抗震性能越好^[26]。设计延性结构，在地震发生时，地震能量可以被大量抵消，降低对结构承载力要求。结构的屈服荷载点，采用“通用屈服弯矩法”设计方法确定^[27-28]。表3为3个试件承载力情况。

从表3可以看出，高宽比越大，延性越大；混凝土厚度越小，延性越小。这表明，高宽比越大，抗震性能越好，混凝土厚度越大，即强度越高，抗震性能越好。

2.5 割线刚度

图5为3个试件的割线刚度曲线及割线刚度曲线对比。

从图5a~图5c可以看出，3种类型墙板的刚度退化趋势相似：在弹性阶段，试件刚度退化相对较快。屈服后，刚度退化速度逐渐减慢；进入失效阶段时，近似转为直线。这说明在刚度退化过程中，试件的抗变形能力逐渐减弱。构件早期产生大量裂纹，刚度迅速降低；在后期，裂纹趋于稳定发展，不再产生新的裂纹，刚度下降速度减慢。从图5d可以看出，不同混凝土高宽比情况下，高宽比越小，初始刚度越大，刚度曲线越陡，刚度的衰减速率越大。不同混凝土厚度情况下，混凝土厚度越小，初始刚度越小，其刚度曲线越平缓，刚度衰减率越小，墙板的受力性能越稳定。

3 结论

FCPW在低循环反向荷载试验作用下出现剪切破坏。破坏部分位于墙板中部，以及角部。因此，在实际工程应用中，在转角部位设置转角结构是有必要的。试件刚度在初期迅速退化，后期逐渐减缓，表现出较好的结构稳定性。通过对比试件可知，高宽比越大，墙板的受力性能越稳定。混凝土厚度越小，其刚度曲线越平缓，刚度衰减率越小。

对比试件可以看出，高宽比和试件本身强度对抗震性能影响明显，高宽比越大，延性越大，抗震性能越好；混凝土厚度越小，延性越小，抗震性能越差。

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基金资助

锦州水务（集团）有限公司研究生联合培养基地(YJD202204)