轻钢骨架发泡水泥粉煤灰墙板抗震性能试验研究*

蒋欣利 周立超 白羽 苏何先 柏文峰

（1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学建筑与城市规划学院，云南 昆明 650500）

0 引言

冷弯薄壁型钢结构体系因轻质高强、节能环保、施工方便等优点，被广泛运用到北美、欧洲和日本等国家［1-3］。近年来，为了有效节约资源、保护环境，我国村镇开始推广绿色农房建设，装配式轻钢房屋成为农房建设的优选，但该结构体系依旧存在保温差、隔音效果差等问题［4-6］。为了解决这一问题，通常将冷弯薄壁型钢作为墙体骨架与轻质保温隔音材料组合使用，形成的墙板能达到轻质高强和保温隔音的效果，具有较大的应用价值。目前已有学者针对此类墙板展开了相关研究［7-9］，但存在构造复杂、施工方式繁琐、工期较长等缺点。因此研究出一种构造简单、工厂预制生产、施工现场直接装配，实现工业化、产业化的新型预制墙板具有重要意义。王静峰等［10］研发了一种预制填充轻质聚合物浆料的冷弯薄壁型钢组合墙板，对其进行了抗剪性能和轴压性能研究，取得较好的成果，但未对此类墙板进行系统的抗震性能研究。

本文提出一种预制轻钢骨架发泡水泥粉煤灰墙板，轻钢骨架稀疏布置通过自攻螺钉连接形成整体，利用工厂灌浆设备在骨架内填充发泡水泥粉煤灰浆料，养护后形成轻质保温、隔音耐火、承重一体化的预制组合墙板。该墙板可以通过工厂批量生产，施工现场装配，可以缩短工期、节约成本，符合绿色建筑的“节能、节地、节水、节材、保护环境”的基本要求。通过对立柱数量不同的两片墙板进行抗震性能试验，分析墙板的破坏特征。研究墙板的滞回曲线、刚度、延性及耗能能力等性能，为预制类轻钢骨架组合墙板的抗震性能研究提供参考。

1 试验概述

1.1 试件设计

试验共设计和制作2个1∶1足尺模型试件，试件宽度为1.2 m，高度为2.75 m。墙板骨架由立柱、顶导轨和底导轨通过自攻螺钉ST4.2固定形成整体。立柱和导轨均采用规格为CN140mm×40mm×10mm×1mm的冷弯薄壁型钢。试件制作完成后沿着试件高度方向的三分点处各设一条钢拉带。两个试件立柱数量不同，其中试件YB-1设置了3根立柱，间距为0.6 m，试件YB-2设置了两根立柱，间距为1.2 m，如图1。

图1 墙板设计（单位：mm）

1.2 材料性能

试验所用钢材为550级镀铝锌薄壁钢板，钢板厚度为1.0 mm。根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》［11］进行材性试验，结果见表1。试验采用的填充浆料为水泥、粉煤灰、水和增稠剂通过发泡机物理发泡后形成发泡水泥粉煤灰浆料。根据GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法标准》进行材性试验［12］，试验结果如表2。

表1 钢材材性指标

表2发泡水泥粉煤灰材性指标

1.3 试验加载方案

试验装置主要由100 t电液伺服作动器（MTS）、60 t液压千斤顶、反力架、反力墙、顶梁和地梁组成。竖向荷载通过液压千斤顶施加，通过顶梁分配到墙顶。水平荷载通过MTS施加，对墙板施加水平反复力，试验在云南省抗震研究所进行。

先采用液压千斤顶施加54 kN的竖向荷载，竖向荷载需一次加载到位并保持不变。水平反复力加载全程采用位移控制的加载制度，如图2。通过作动器施加水平位移，初始位移为2 mm，并以2 mm的增量逐级加载，每级循环1圈；试件开裂后，每级循环3圈，当加载到20 mm时，以5 mm为增量逐级加载，每级循环3圈，直到试件破坏。试件荷载下降到峰值荷载的85%时视为破坏。

图2 低周反复加载制度

2 试验现象及破坏特征

2.1 YB-1

水平位移加载到10 mm（水平荷载20 kN）时，墙板的右下角最先出现裂缝（图3（d）），加载到12 mm时，墙板的上部出现两条斜裂缝（图3（a）），当施加相反方向位移时，墙板右上角出现斜裂缝（图3（b））。随着水平位移的增加，上部裂缝斜向上延伸到墙顶，右下角裂缝延伸到墙底，部分裂缝与轻钢骨架的粘结面相互分离、两者粘结作用失效。在水平反复力作用下，裂缝不断张合，加载到40 mm（水平荷载31 kN）时，中间立柱左根部出现斜裂缝（图3（e））。水平位移加载到70 mm（水平荷载30 kN）时，左下部同时出现两条斜向大裂缝（图3（c）和3（f）），且在此裂缝处水泥板与左侧轻钢立柱分离。水平位移为85 mm（水平荷载为30 kN）时，墙板中间立柱根部水泥板破碎脱落（图3（h））。破坏后期，墙板顶部中间立柱两侧裂缝斜向上延伸，外形呈一个“Y”字（图3（g）），属于压剪破坏。试验结束观察墙板（图3（i）），墙板钢骨没有明显的弯曲现象，钢拉带、自攻螺钉以及中部水泥板基本完好。

图3 YB-1各种破坏状况

2.2 YB-2

当水平位移加载到8 mm（水平荷载28 kN）时，水泥板迅速出现几条斜裂缝，表现出明显的脆性。随着位移增大，裂缝也增大，几条裂缝交叉出现整体外形呈“X”型，属于典型的剪切破坏。加载到14 mm（水平荷载30 kN）时，裂缝已经贯穿墙板，此时墙板已经破坏。试验结束后，整体墙板钢骨完好，水泥板没有压碎。墙板破坏状况如下图4。

图4 “X”裂缝

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

根据试件的水平位移和荷载关系，绘制滞回曲线如图5和图6所示。对于YB-1试件，加载初期试件处于弹性阶段，滞回曲线呈梭形，随着位移增加，很快就进入弹塑性阶段。由于发泡水泥板开裂，引起部分水泥板和轻钢骨架粘接面失效，水泥板和轻钢骨架产生滑移，造成滞回曲线出现“捏拢”。上导轨和龙骨局部屈曲，试件进入塑性阶段，滞回曲线逐渐向反S形过渡。此时试件剪切破坏明显，导致试件达到峰值荷载后，承载力和刚度逐渐降低。墙板由弹性阶段过渡到弹塑性阶段时，墙板的承载力出现先下降再增长的现象，分析其原因是开始时水泥板和轻钢均在弹性范围，两者共同承担其荷载，承载力会随位移的增加而增大，当水泥板达到最大承载力时，水泥板开裂破坏导致墙板承载力突然降低，但由于水泥板具有一定压缩恢复力特性，且水泥板与轻钢骨架粘结完好，自攻螺钉完好，轻钢骨架处于弹性阶段继续持力，所以随着位移的增大，墙板的承载力又继续增大。

图5 YB-1滞回曲线

图6 YB-2滞回曲线

对于YB-2试件，加载初期就表现为明显的非线性特征，水泥板快速开裂，随着裂缝逐渐增大贯穿墙板，水泥板和轻钢骨架之间产生滑移，滞回曲线出现明显“捏拢”现象，滞回曲线由梭形变为弓形。墙板破坏时滞回曲线呈“Z”型，抗震性能较差。与YB-1对比，YB-2破坏较为突然，表现明显的脆性破坏。

3.2 骨架曲线

两个试件的骨架曲线如图7。根据《建筑抗震试验方法规程》［13］规定，可通过能量等效法确定两个墙板的屈服荷载Py和屈服位移，破坏荷载Pu及破坏位移取自峰值荷载后，荷载下降至85%时对应的荷载和位移。抗剪强度Ps为试验最大荷载Pm除以墙体宽度。墙板的承载力特征值见表3。

图7 骨架曲线对比

与YB-2相比，YB-1的屈服荷载由26.37 kN提高到28.87 kN，增长了9.5%，峰值荷载由31.98 kN提高到了33.55 kN，增长了4.6%，抗剪强度由26.65 kN增长到27.96 kN，增长了4.9%，说明多增加一根立柱可提高墙板的强度，但增加幅度较小。

3.3 延性

表3 墙板试验结果

3.4 耗能能力

能量耗散系数和累积耗能是衡量构件耗能性能优劣的重要指标，取荷载达到峰值时的滞回环，由图8和式（1）计算得到能量耗散系数E［13］，YB-1的能量耗散系数E为0.51，YB-2的能量耗系数E为0.48。试件的累计耗能为依次累加每级第一圈滞回环面积计算所得，用表示，滞回环包络面积越大，试件耗能能力越强。图9给出了YB-1和YB-2的累积耗能对比，随着位移加载，试件的耗能逐渐增加，YB-2的耗能速度比YB-1快。YB-1的最终累积耗散能量为14.76 kN·m，YB-2的最终累积耗散能量为2.01 kN·m，YB-1约比YB-2提升了365%。

图8 滞回曲线

图9 累计耗能对比

多增加一根立柱对墙板耗能能力影响较大，YB-1的耗能能力明显优于YB-2，其中能量耗散系数提高了6%，累积耗能提高了365%。

3.5 刚度退化

墙体的刚度退化曲线以墙体位移角 为自变量，割线刚度为应变量，见图10。YB-1试件刚度退化整体上稳定，加载初期刚度退化较快，加载后期退化较慢。因为加载初期，随着水泥板裂缝出现和裂缝快速开展，局部水泥板迅速被剪坏，导致墙体刚度退化加快。当加载位移达到25 mm时，虽然局部水泥板破坏，但整体上水泥板与轻钢骨架贴合较好，并没有出现大块水泥板脱落，整体性能一直维持较好，对骨架仍能保持较强的支持作用，此时主要由轻钢骨架持力，墙板刚度退化速率变得均匀且平缓。YB-2与YB-1对比，YB-2的初始刚度较大，相同位移角时YB-2的刚度较大，墙板破坏时刚度依然较大，加载全程试件刚度退化较快，说明YB-2抵抗变形的能力较强，不易变形。

图10 刚度退化对比

3.6 强度退化

强度退化系数为每级循环加载时的第2次循环峰值点的荷载值与第1次循环峰值点的荷载值的比值。如图11，取墙体的位移角 为自变量，YB-1的强度退化系数在0.87～0.92之间波动，YB-2的强度退化系数在0.75～0.98之间波动，YB-1的强度退化较YB-2的强度退化缓慢且稳定。根据墙板破坏情况可以看出墙板主要破坏原因是水泥板开裂，YB-1比YB-2多增加了1根立柱，能预制裂缝开展、提高承载力，同时承载力退化速度也相对减慢。

图11 强度退化对比

4 结论

通过对2块不同立柱数量的轻钢骨架发泡水泥粉煤灰组合墙板进行抗震性能试验研究，得出以下结论：

1）轻钢骨架发泡水泥粉煤灰墙板主要破坏模式为墙体上部和下部发泡水泥板开裂，部分发泡水泥板与轻钢骨架分离，而连接轻钢骨架的自攻螺钉、轻钢骨架、钢拉带以及中部发泡水泥板完好，墙板能保证较好的整体性，满足安全性要求。

2）两根立柱的轻钢骨架发泡水泥粉煤灰墙板的破坏属于脆性破坏，轻钢和发泡水泥板协同工作较差，其抗震性能较差；3根立柱的墙板破坏只是局部水泥板压碎，整体性能较好。

3）墙板中部多设置1根立柱的轻钢骨架发泡水泥粉煤灰墙板的延性和抗震性能得到明显提高。与两根立柱墙板对比，延性系数由2.86增长到6.99，提高了144%；抗剪强度由26.65 MPa增长到了27.96 MPa，提高了4.9%；最终累积耗散能量由2.01 kN·m增长到14.76 kN·m，提高了365%。

4）轻钢骨架发泡水泥粉煤灰墙板中部多设置1根立柱阻断发泡水泥粉煤灰裂缝开展，提高了墙板的延性，改变了墙体的受力机理，从而提高了墙板的抗震性能。