泡沫混凝土复合板力学性能研究

金松梅 钱 坤

(1.延边职业技术学院,吉林 延边 133000; 2.吉林建筑大学,吉林 长春 130118)

0 引言

随着建筑技术的不断发展，传统的砌体填充墙因为砌筑耗费人力大、场地湿作业多、材料不环保等因素，其应用势必会被具有轻质高强、施工方便、节能环保且抗震性能良好的装配式泡沫混凝土墙板所代替。本文所研究的泡沫混凝土复合板通过在预制混凝土边框梁与边框柱中内嵌泡沫混凝土板，同时边框梁柱中的预埋件可以使墙板与主体框架连接稳固。在地震过程中，内嵌的泡沫混凝土通过其孔隙的张拉闭合消耗地震能量，同时边框在地震过程中也能约束泡沫混凝土板的变形，保持墙板良好的整体性，使墙板中的钢筋笼与泡沫混凝土能够充分参与受力，并且内嵌的泡沫混凝土板和边框梁柱分别是建筑抗震的前两道防线，在地震过程中充分参与消耗地震能并先于主体框架破坏，实现地震能量的分级释放[1]，以此减少主体框架在地震中的破损情况。

1 构件模型制作及加载方案

本文设计两种不同配筋形式的泡沫混凝土复合板PMQ-1和PMQ-2，并在低周往复加载试验中对两块墙板进行对比，其中PMQ-1为采用斜向钢筋笼的复合板，PMQ-2为采用斜向分布钢筋网的复合板，PMQ-1和PMQ-2的配筋形式如图1，图2所示。

本次试验的加载方式为低周往复加载，先用垫梁与栓钉将墙板固定，在墙板上端施加大小为140 kN的竖向荷载，竖向荷载保持不变，水平荷载以位移加载控制，以屈服位移Δy=5 mm为一级，屈服位移之前每级循环一次，屈服位移至18 mm每级循环两次，18 mm后每级循环一次直至试件破坏，试验材料见表1,表2。

表1 PMQ-1材料及尺寸表

表2 PMQ-2材料及尺寸表

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及分析

两墙板的加载过程均可分为三个阶段——弹性阶段，弹塑性阶段和破坏阶段，弹性阶段加载至3 mm时两墙板均出现轻微劈裂声但墙板表面并未出现裂缝，PMQ-1的第一条裂缝出现在-5 mm时墙板的左上角，此时的开裂荷载为-178.2 kN而PMQ-2墙板的第一条裂缝出现在加载至5 mm时墙板的中部，此时的开裂荷载为156.9 kN。PMQ-2在加载至7 mm时边框柱上出现裂缝，而PMQ-1则是加载至9 mm时边框梁柱才出现裂缝。加载至12 mm时两墙板均出现交叉斜裂缝，但PMQ-1的交叉裂缝明显比PMQ-2的交叉裂缝多。加载至18 mm时梁墙板均出现大量劈裂声，且原有裂缝变宽，墙板达到屈服点，此时PMQ-1的屈服荷载为417 kN，PMQ-2的屈服荷载为367.3 kN。加载至22 mm时原有裂缝加宽，并伴随大量新裂缝出现。加载至26 mm时两墙板均达到最大荷载，其中PMQ-1的最大荷载为499.1 kN，PMQ-2的最大荷载达到419 kN。加载至35 mm时PMQ-1的承载力为312.1 kN，达到最大荷载的85%以下，视为墙板破坏，试验终止，而PMQ-2则是在加载至38 mm时承载力为358.5 kN，达到最大荷载的85%，试验终止。墙板裂缝如图3所示。

从试验现象上看，PMQ-2墙板的裂缝出现虽然早，但裂缝分布更加均匀，证明斜向分布钢筋相比斜向钢筋笼，对裂缝有更强的把控，可以使墙板的裂缝分布更加均匀。而PMQ-1的开裂荷载，屈服荷载和极限荷载均要比PMQ-2大很多，且最终破坏时PMQ-1的极限位移也要大于PMQ-2,证明斜向钢筋笼对墙板各阶段刚度的贡献要优于斜向分布钢筋网，且其延性也要好于斜向分布钢筋网。

2.2 滞回曲线分析

PMQ-1和PMQ-2的滞回曲线如图4，图5所示。

PMQ-1的滞回曲线呈弓型，而PMQ-2的滞回曲线偏向反S型[2]，加载至开裂点之后，PMQ-1的刚度要大于PMQ-2，且PMQ-1的滞回环面积也要远远大于PMQ-2，但两墙板的滞回曲线仍有一些相同点：

1)两墙板的开裂刚度相似，开裂前荷载与位移呈线性关系，此时墙板处于弹性阶段，滞回环呈细长状，包裹面积小，荷载增减对墙板刚度无影响。

2)墙板开裂后进入弹塑性阶段，此时墙板的刚度减小，且滞回曲线加宽，包裹面积增大，荷载卸载至零时墙板有残余变形。

3)在荷载达到最大承载力之后，随着控制位移的增大荷载不断下降，滞回环面积不断扩大，可以说明墙板的耗能能力与变形能力良好。

由滞回曲线可以看出PMQ-1的耗能能力要好于PMQ-2，且PMQ-1的残余变形大于PMQ-2的残余变形，说明在低周往复加载过程中斜向钢筋笼充分发挥了作用,同时说明斜向钢筋笼对墙板耗能能力以及延性的贡献要优于斜向分布钢筋网。

2.3 骨架曲线分析

PMQ-1和PMQ-2的骨架曲线对比图如图6所示。从骨架曲线对比图可以看出，在开裂之前PMQ-1和PMQ-2拥有相近的刚度，骨架曲线呈直线，此时墙板处于弹性阶段。而开裂之后骨架曲线出现弯曲，且PMQ-1与PMQ-2的刚度差距逐渐扩大，自始至终PMQ-2的骨架曲线一直包络在PMQ-1之中，说明PMQ-1的承载力要高于PMQ-2，也说明了斜向钢筋笼对墙板承载力的贡献要好于斜向分布钢筋网。

2.4 刚度退化系数分析

因为墙板在开裂点之前处于弹性阶段，此时控制位移的增减对墙板刚度并无影响，因此可以确定墙板的刚度退化是在墙板加载至开裂点之后发生的，本节通过探讨墙板的刚度退化系数并做出刚度退化系数与墙板层间位移角的曲线来确定墙板力学性能的优劣，刚度退化系数为墙板各阶段刚度与开裂刚度的比值，墙板层间位移角为各峰值荷载所对应的控制位移与墙高的比，PMQ-1与PMQ-2的刚度退化系数对比如图7所示。

如图8所示，PMQ-1和PMQ-2的层间位移角与刚度退化系数曲线走向一致，但最初PMQ-1的曲线要比PMQ-2的曲线斜率大，说明开裂点之后的最初一段加载过程中PMQ-1的刚度退化速度要比PMQ-2快，但随着试验加载位移的增大，PMQ-2的曲线斜率逐渐超过PMQ-1，说明PMQ-1在地震过程中能够参与消耗更多的地震能且保持刚度稳定退化。当试验加载至后期，PMQ-2的曲线急剧下降，而PMQ-1的曲线下降相对缓慢，是因为PMQ-1的延性要比PMQ-2更好，进一步说明斜向钢筋笼对墙板延性的贡献要好于斜向分布钢筋网。

3 恢复力模型的建立

3.1 骨架曲线模型

恢复力模型是通过处理试验所得数据，得出相比于原始数据更能精准分析结构在往复荷载下受力性能的模型[3]，包括骨架曲线模型和滞回规则，按照模型形态主要分为曲线型和折线型，因曲线型恢复力模型的刚度确定和计算方法难以确定，且考虑到泡沫混凝土复合板在开裂后墙板刚度会有所降低，本文采用四折线骨架曲线模型，以泡沫混凝土复合板PMQ-1和PMQ-2的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和破坏荷载作为特征值，将这四个特征值与开裂荷载做比以此将曲线无量纲化PMQ-1和PMQ-2各特征值如表3所示，无量纲化骨架曲线如图8，图9所示。

表3 特征值表

从图8和图9可以看出骨架曲线模型与试验结果的骨架曲线走向一致，吻合度较高，说明四折线骨架曲线模型能够较好的反映墙板在低周往复加载试验中的力学性能。根据无量纲化骨架曲线四段折线的斜率，可以推导出PMQ-1和PMQ-2各阶段斜率K1,K2,K3,K4之间的关系如式(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 标准滞回环

将试验数据进行处理，得出PMQ-1和PMQ-2的标准屈服滞回环和标准极限滞回环[4]，如图10～图13所示。

4 结语

1)PMQ-1与PMQ-2在低周往复加载下均发生剪切破坏，试验终止时PMQ-1中间混凝土完全压碎，露出里面屈服的钢筋，而PMQ-2只有角部的泡沫混凝土压碎。2)斜向钢筋笼配筋的PMQ-1的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和破坏荷载分别比斜向分布钢筋配筋的PMQ-2高出14%，13.5%，16%和14.8%。3)PMQ-1的屈强比要比PMQ-2的屈强比大4.9%，相对于PMQ-2，PMQ-1有更多的强度安全储备，进一步证明斜向钢筋笼配筋方式对墙板强度安全储备的提升要优于斜向分布钢筋。4)根据滞回曲线的包裹面积以及墙板的延性系数，斜向钢筋笼配筋的PMQ-1的耗能能力和延性要高于斜向分布钢筋配筋的PMQ-2。5)位移加载超过开裂点之后，在初期PMQ-1的刚度退化速率要高于PMQ-2，但随着控制位移的增大，PMQ-2的刚度急剧退化，而PMQ-1的刚度退化相对较平稳，证明斜向钢筋笼的配筋形式比斜向分布钢筋网的配筋形式更有利于墙体的抗震性能。