水泥膨胀珍珠岩外墙板抗弯性能试验及数值模拟研究

郭晓燕，方林

（华东建筑设计研究院有限公司科创中心，上海 200011）

0 概 述

目前，国内外轻质混凝土外围护墙板主要采用蒸压加气混凝土板[1-4]。针对水泥膨胀珍珠岩板的适用范围及其受力性能、设计方法，相关的研究资料还十分有限。

本研究的水泥膨胀珍珠岩板的防火保温基材采用硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩、抗裂玻璃纤维、聚乙烯醇、工业固体废物、发泡剂和水按一定比例制备而成[5]。此水泥膨胀珍珠岩板具有轻质高强、防火保温、绿色环保等优点。

通过2 个带窗洞的水泥膨胀珍珠岩外墙板试件平面外抗弯性能试验，研究新型墙板在预定的地震作用或风荷载作用下的承载能力和刚度，为水泥膨胀珍珠岩复合外墙板在实际工程中的应用提供试验依据和理论基础。

1 试验

1.1 试验试件

本试验在专业工厂制作2 块水泥膨胀珍珠岩外墙板（编号B1、B2），防火保温基材采用硅酸盐水泥、水、膨胀珍珠岩、抗裂玻璃纤维、多种添加剂等按一定比例制备而成，墙板表面粘贴装饰面砖。试件尺寸均为2400 mm×3300 mm×200 mm（宽×高×厚），中部窗洞尺寸均为1500 mm×1800 mm。钢筋采用HRB400 级，保护层厚度为15 mm。试件B1 采用200 mm厚水泥膨胀珍珠岩基材；试件B2 采用140 mm 厚水泥膨胀珍珠岩基材，两侧采用30 mm 厚C30 细石混凝土面层保护；2组试件配筋情况相同。试件截面尺寸及配筋如图1 所示，制作完成的试件如图2 所示。

图1 试件配筋布置

图2 制作完成的试件

1.2 试验装置

试件采用四点铰接支承，支承位置根据实际工程外挂墙板挂点位置确定，加载方案采用均布堆载法，试验装置如图3所示。

图3 试件加载装置

1.3 试验加载

试验采用3 个位移计测量关键位置的竖向位移情况（见图4），试验过程中记录裂缝的发展规律。试验均布堆载考虑试件自重，一体化墙板试件B1 自重为1525 kg，试件B2 自重为2080 kg，窗洞位置加载钢板自重800 kg，目标附加试块荷载为1.75 kN/m2，折算后试件B1 等效面荷载为4.67 kN/m2，试件B2 等效面荷载为5.73 kN/m2。目标附加试块荷载分两步进行，每级加载0.875 kN/m2。

图4 位移计布置

2 试验研究

2.1 试验加载现象（见图5）

图5 B1、B2 试验加载现象

由图5 可见：（1）试件B1 开始加载前，表面无裂缝；第1级加载完成，无裂缝产生；第2 级加载完成，试件板底两侧跨中部位出现细小裂缝，裂缝宽度约为0.1 mm。（2）试件B2 开始加载前，表面无裂缝；第1 级加载完成，无裂缝产生；第2 级加载完成，亦无裂缝产生。对比可知，两侧采用30 cm 厚细石混凝土面层保护的试件承载力较高。

2.2 竖向位移

图6 为B1、B2 试件的3 个竖向位移计竖向位移随着加载过程的变化。

图6 试件竖向变形情况

由图6 可见，B1 试件竖向最大位移为2.1 mm，B2 试件竖向最大位移为0.25 mm，表明研发的水泥膨胀珍珠岩外墙板在预定平面外目标荷载作用下具有良好的刚度。两侧采用30 mm 厚细石混凝土面层保护的试件刚度较大。

2.3 承载力分析

水泥膨胀珍珠岩板应用于外墙板，需抵抗风荷载和地震作用。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，外墙板的风荷载标准值ωk按式（1）进行计算：

式中：βgz——高度z 处的阵风系数；

μsl——局部风压体型系数；

μz——风压高度变化系数；

ω0——基本风压，kN/m2。

以上海地区100 m 高度处C 类地面粗糙度为基础进行计算，基本风压ω0=0.55 kN/m2，阵风系数为1.69，局部风压体型系数为2.5（考虑最不利因素），风压高度变化系数为1.50，代入式（1）后得ωk=3.5 kN/m2，分别小于试件B1、B2 试验等效面荷载4.67、5.73 kN/m2。

计算水平地震作用标准值时，可采用等效侧力法，根据JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》规定，按式（2）进行计算：

式中：FEhk——施加于外挂墙板重心处的水平地震作用标准值，kN；

βE——动力放大系数，可取5；

αmax——水平地震作用影响系数最大值；

Gk——外挂墙板的重力荷载标准值，kN。

考虑抗震设防烈度8 度（0.3 g），求得试件B1、B2 的水平地震作用标准值FEhk分别为18.3、24.96 kN，换算得到的等效面荷载分别为2.31、3.15 kN/m2，分别小于试件B1、B2 试验等效面荷载4.67、5.73 kN/m2。

分析结果表明，研发的水泥膨胀珍珠岩外墙板具有较好的抵抗风荷载及地震作用能力，安全储备较高，可应用于实际工程中。

3 有限元分析

3.1 单元选取与参数设置

采用Von Mises 屈服准则、相关联流动法则、等向强化模型描述钢材的塑性变形。钢筋的单轴应力-应变曲线采用理想弹塑性本构关系；钢丝的单轴应力-应变曲线采用双斜线模型，硬化段斜率取0.1 倍弹性模量。试件B2 外覆C30 细石混凝土保护层采用混凝土塑性损伤模型。

水泥膨胀珍珠岩外墙板模型选取ABAQUS 中给出的混凝土塑性损伤模型。该模型采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论表征非弹性行为。单轴受拉的应力-应变曲线采用考虑受拉刚化的双直线型，单轴受压的应力-应变曲线按式（3）确定[6]：

式中：fc——棱柱体轴心抗压强度标准值，kPa；

ε0——与fc相应的峰值压应变；

Ec——材料弹性模量，kPa。

水泥膨胀珍珠岩外墙板、混凝土、加载制作采用8 节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R）、钢筋和钢丝采用2 节点的三维桁架单元（T3D2）。不考虑钢筋及钢丝和外墙板之间的黏结滑移，钢筋和钢丝采用“Embedded”命令嵌入到外墙板中。分2 阶段在模型上表面施加均布荷载，有限元计算模型如图7 所示。

图7 有限元计算模型

3.2 有限元与试验结果分析对比

对测点1、2 位移随加载过程变化进行整理，结果如图8所示。

由图8 可见，2 组试件加载过程中模拟计算的位移发展趋势与试验基本相符。对试件B1，第2 级加载模拟位移为1.47 mm，与试验值相差19.7%；对试件B2，第2 级加载模拟位移为0.25 mm，与试验值相差3%。分析模拟曲线与试验曲线出现差异的原因主要有：

图8 试件B1 和B2 模拟与试验曲线对比

（1）试验中加载是分为钢板和附加试块共同模拟均布荷载效果，数值模拟中则将之简化为墙体上表面均布荷载，二者存在一定差异。

（2）实际试件制备工艺与数值模拟略有差异。

（3）模拟中不考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移，与实际情况略有差异。

有限元计算结果与试验结果存在一定偏差，有限元结果偏刚。

3.2 有限元结果分析

为了解试验墙板在允许变形范围内（1/250 板跨）钢筋应力水平，对有限元加载过程中的钢筋应力进行提取，试件B1板在最大位移为4.0、8.0、12.0 mm 的钢筋应力分布如图9 所示。

图9 试件B1 加载后钢筋应力分布

由图9 可见，试件B1 墙板在加载位移达到12 mm 时，试件B1 受拉区钢筋拉应力达到134.1 MPa，受压区钢筋拉应力达到128.4 MPa，钢筋强度并未得到充分利用。分析结果表明，在达到允许变形的情况下，试件承载力有较大的富余量，钢筋应力水平较低。

4 结语

（1）研发的水泥膨胀珍珠岩外墙板具有较好的抵抗风荷载及地震作用能力，安全储备较高，可应用于实际工程中。

（2）研发的水泥膨胀珍珠岩外墙板在预定平面外目标荷载作用下具有良好的刚度。

（3）两侧采用30 mm 厚细石混凝土面层保护的水泥膨胀珍珠岩外墙板，较采用水泥膨胀珍珠岩基材的墙板，承载力和刚度都有所提高。

（4）在达到允许变形的情况下，试件承载力有较大的富余量，钢筋应力水平较低。