新型组合墙体泡沫混凝土应变试验研究

刘殿忠，李红现，武丝莹

吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118

轻钢与泡沫混凝土组合墙体是一种新型组合墙体，冷弯薄壁C型钢属于轻型钢材[1]，泡沫混凝土为轻质混凝土，二者结合形成轻钢与轻质混凝土组合结构[2].轻钢与泡沫混凝土组合墙体一般作为剪力墙使用，具有良好的抗剪性能.开展组合墙体的抗剪试验，观测及分析不同密度下泡沫混凝土的应变变化规律[3]，分析组合墙体泡沫混凝土的力学性能，为轻钢与泡沫混凝土组合墙体受力全过程分析提供的基础数据.

1 试验设计

采用冷弯薄壁C型钢作为型钢骨架，设计了3组型钢间距，分别为150 mm，200 mm和300 mm；二组泡沫混凝土密度分别为1 000 kg/m3和1 600 kg/m3，其配合比相关参数如表1所示[4].

表1 两种不同密度下的泡沫混凝土配合比设计参数Table 1 Mixing ratio design parameters of foam concrete under two different densities

1.1 组合墙体试件设计

6片组合墙体试件的尺寸相同，其型钢骨架采用竖向布置冷弯薄壁C型钢，横向设置横拉条和斜拉条[5]，采用自攻螺钉将拉条与C型钢连接成组合墙体的型钢骨架；在型钢骨架上浇筑泡沫混凝土制成组合墙体试件.组合墙体试件高度为2 700 mm，宽度为700 mm，厚度为150 mm，组合墙体试件具体参数详见表2.

表2 各组合墙体的参数Table 2 Parameters of each combination wall

1.2 泡沫混凝土的力学性能

泡沫混凝土的材料力学性能参数如表3所示[6-7].

表3 两种密度下的泡沫混凝土试验参数Table 3 Test parameters of foam concrete under two densities

1.3 试件应变片布置

在组合墙体正、反面沿高度方向的上端、中央及下端部位布置测点，测量在加载过程中组合墙体表面泡沫混凝土应变变化情况[3].

1.4 加载装置

加载装置采用杭州邦威公司生产制造的液压加载系统，模拟剪力墙的实际受力状态施加荷载，对组合墙体分别施加竖向轴心压力和水平推力，竖向轴心压力的轴压比均为0.3，试验时先施加竖向荷载，后施加水平推力.试验加载装置及试件现场安装情况如图1所示[8].

图1 组合墙体加载装置及试件安装情况Fig.1 Composite wall loading device and installation of specimen

2 试验结果分析

2.1 泡沫混凝土密度不变时的应变对比分析

当泡沫混凝土密度为1 000 kg/m3时，C型钢间距不同，组合墙体下端部位泡沫混凝土竖向应变曲线如图2所示.

(a) PX-1泡沫混凝土下端部位竖向应变曲线(a) Vertical strain curves of PX-1 foam concrete lower part

(b) PX-2泡沫混凝土下端部位竖向应变曲线(b) Vertical strain curves in the lower part of PX-2 foam concrete

(c) PX-3泡沫混凝土下端部位竖向应变曲线(c) Vertical strain curves in the lower part of PX-3 foam concrete

(d) PX-4泡沫混凝土下端部位竖向应变曲线(d) Vertical strain curves in the lower part of PX-4 foam concrete

由图2可以看出，轴向压力对组合墙体下端部位的泡沫混凝土竖向应变几乎没有影响或影响很小，表明轴向压力主要由钢骨架承担；在水平推力作用下，当水平推力较小时，组合墙体下端部位泡沫混凝土的竖向应变呈线性增长，位于施加水平推力一侧的泡沫混凝土产生拉应变如图2(a)，对应另一侧的泡沫混凝土产生压应变如图2(b)和图2(c)；随着水平推力的增加，泡沫混凝土的竖向应变基本保持不变，图中曲线出现水平段；当水平推力增大到某一值时，泡沫混凝土的竖向应变急剧增加，此时组合墙体下端部位泡沫混凝土的裂缝迅速扩展.随着型钢间距变小，曲线的水平段变长了，同时水平推力达到最大值时，泡沫混凝土的竖向应变由缓慢增加变为瞬间剧增.

当泡沫混凝土密度为1 600 kg/m3时，C型钢间距不同，组合墙体下端部位泡沫混凝土竖向应变曲线如图3所示.由图3可以知，泡沫混凝土密度的改变对组合墙体下端部位泡沫混凝土竖向应变变化规律的影响有限，在曲线出现水平段之后，当水平推力增大到某一值时，泡沫混凝土的竖向应变逐渐增大，不像上述曲线发展的那么快，表明泡沫混凝土的密度增加下端部位泡沫混凝土的裂缝适当放缓了扩展速度.而随着型钢间距变小以及水平推力达到最大值时，泡沫混凝土竖向应变的增加逐渐平缓，与泡沫混凝土密度为 1 000 kg/m3时变化有明显不同.

(a) PX-5泡沫混凝土下端部位竖向应变曲线(a) Vertical strain curves in the lower part of PX-5 foam concrete

(b) PX-6泡沫混凝土下端部位竖向应变曲线(b) Vertical strain curves in the lower part of PX-6 foam concrete

2.2 型钢间距不变时的应变对比分析

当型钢间距为300 mm时，泡沫混凝土的密度不同，组合墙体中央和下端部位泡沫混凝土的水平应变曲线如图4所示.

(a) PX-1泡沫混凝土中央部位水平应变曲线(a) Horizontal strain curves in the middle of PX-1 foam concrete

(b) PX-4泡沫混凝土中央部位水平应变曲线(b) Horizontal strain curves in the middle of PX-4 foam concrete

(c) PX-1泡沫混凝土下端部位水平应变曲线(c) Horizontal strain curves in the lower part of PX-4 foam concrete

(d) PX-4泡沫混凝土下端部位水平应变曲线(d) Horizontal strain curves in the lower part of PX-4 foam concrete

由图4可知，无论中央部位的水平应变还是下端部位的水平应变，变化规律基本一致，水平推力较小时，其应变基本呈直线变化；水平推力逐渐增大后，曲线出现水平段,即水平推力增加水平应变基本保持不变；水平推力达到某一值时，水平应变迅速增大，表明裂缝迅速开展直至破坏,表明泡沫混凝土的密度增大对其水平应变变化基本没有影响.

当型钢间距为150 mm时，泡沫混凝土的密度不同，组合墙体中央部位泡沫混凝土的水平应变曲线如图5所示.由图5可以看出，当型钢间距由300 mm变为150 mm时，其泡沫混凝土水平应变的变化规律没有改变.

(a) PX-3泡沫混凝土中央部位水平应变曲线(a) Horizontal strain curves in the middle of PX-3 foam concrete

(b) PX-6泡沫混凝土中央部位水平应变曲线(b) Horizontal strain curves in the middle of PX-6 foam concrete

2.3 忽略间距及密度变化时的应变对比分析

将不同泡沫混凝土密度和不同型钢间距的组合墙体泡沫混凝土中央部位竖向应变曲线进行对比，如图6所示.

由图6可知，在型钢间距不同和泡沫混凝土密度也不同的情况下，泡沫混凝土竖向应变的变化规律与上述曲线变化规律是一致的，表明型钢间距的改变以及泡沫混凝土密度的变化对泡沫混凝土竖向应变变化影响较小.

(a) PX-2泡沫混凝土中央部位竖向应变曲线(a) Vertical strain curves in the middle of PX-2 foam concrete

(b) PX-4泡沫混凝土中央部位竖向应变曲线(b) Vertical strain curves in the middle of PX-4 foam concrete

(c) PX-6泡沫混凝土中央部位竖向应变曲线(c) Vertical strain curves in the middle of PX-6 foam concrete

3 结论

利用液压加载系统对C型钢骨架间距为300 mm,200 mm和150 mm与泡沫混凝土密度 1 000 kg/m3和1 600 kg/m3的6片组合墙体进行了拟静力试验研究，探讨不同型钢间距与泡沫混凝土密度下的组合墙体泡沫混凝土应变(竖向和水平)变化规律，得出以下结论：

(1) 当泡沫混凝土密度不变时，在密度为1 000 kg/m3情况下，型钢间距越小，泡沫混凝土的竖向应变增速越大；在密度为1 600 kg/m3情况下，随着型钢间距变小，泡沫混凝土竖向应变的增加逐渐放缓.

(2) 当型钢间距不变时，泡沫混凝土的密度增大对其水平应变变化基本没有影响.

(3) 在型钢间距和泡沫混凝土密度都改变时，泡沫混凝土竖向应变的变化规律同密度不变时的应变变化规律一致，表明型钢间距的改变以及泡沫混凝土密度的变化对泡沫混凝土竖向应变变化影响较小.