装配式轻钢-尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:天津市科技计划项目()天津市教委科研计划项目()作者简介:边瑾靓()男工学博士讲师主要从事工程结构抗震研究:.通信作者:曹万林()男工学博士教授主要从事工程结构抗震研究:.文章编号:():./.装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究边瑾靓曹万林武争艳(.天津城建大学 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津 .北京工业大学 城市建设学部北京.中建六局建设发展有限公司天津)摘 要:研发了一种轻钢尾砂微晶发泡板组合墙为研究该组合墙抗震性能进行了 个足尺试件的低周反复荷载试验 分析了不同参数试件的破坏特征、承载力、滞回性能、刚度退化和耗能能力进行了有限元数值模拟计算结果与试验结果吻合较好 研究表明:轻钢尾砂微晶发泡板组合墙的轻钢龙骨、钢筋和尾砂微晶发泡板受力时协同工作 尾砂微晶发泡板强度的提升增强了对轻钢龙骨的约束作用提高了试件的抗震性能 在龙骨间填充粉煤灰砌块后增强了对龙骨的约束作用改变了组合墙破坏形态并显著提高了组合墙的抗震性能 当尾砂微晶发泡板采用拼板时由于拼板墙体整体性较差对轻钢龙骨约束能力减弱其承载力、刚度以及耗能能力均较大程度被减弱在考虑抗震设计时不宜采用拼板的构造形式关键词:装配式轻钢龙骨尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能中图分类号:.文献标识码:(.):().世 界 地 震 工 程第 卷:引言尾砂微晶发泡板是将尾砂配料后在特定热工艺条件下晶化、发泡以及烧结成型的无机发泡板体具有高强、轻质、耐火、保温和装饰等特点见图()国内外学者针对该类材料的制备进行了相关研究 等研究了制备温度、反应时间和发泡剂用量等因素对微晶泡沫玻璃密度、吸水率等性能的影响研究表明:微晶泡沫玻璃最大吸水率为.最小密度为./等将粉煤灰和页岩灰渣作为原料制备微晶玻璃 研究了两种材料不同配比和烧结温度等因素对微晶玻璃的晶相组成、显微结构、力学性能等特性的影响 等采用不同掺量发泡剂分别在、和 条件下使用凝胶法制备微晶泡沫玻璃 研究表明:发泡剂影响了材料的孔隙率、微观结构以及力学强度涂欣对泡沫玻璃和微晶泡沫玻璃的材料性能进行了研究试验发现废玻璃与硼泥最佳配比为 最佳掺量为 冯宗玉等利用油页岩渣通过烧结法制备微晶泡沫玻璃给出了材料制备所需的化学成分和温度综上所述国内外学者对微晶发泡板材料的制备进行了较为广泛的研究而针对该材料的应用研究较少 将尾砂微晶发泡板作为建筑外墙材料时可实现绿色、保温和装饰一体化墙体具有广阔的应用前景尾砂微晶发泡板自身具有脆性的特征课题组将钢筋、轻钢龙骨与微晶发泡板进行组合用以提高板材的受力性能提出了轻钢尾砂微晶发泡板组合墙(简称“轻钢发泡板组合墙”)轻钢发泡板组合墙主要受力构件为轻钢龙骨与上下圈梁进行连接后可实现快速装配施工形成轻钢尾砂微晶发泡板组合墙结构体系 轻钢发泡板组合墙具有围护、保温、装饰和隔音等功能组合墙和样板房如图()和图()所示 为研究轻钢发泡板组合墙的抗震性能对组合墙体进行了低周反复荷载试验并进行有限元模拟建模为其工程应用提供参考图 轻钢尾砂微晶发泡板组合墙结构.试验概况.试件设计为研究不同微晶发泡板强度、不同截面构造和不同微晶发泡板构造对组合墙抗震性能的影响共设计了 个足尺组合墙试件 试件设计参数包括:)不同微晶发泡板强度 分别设计了发泡板强度为 和 两种不同材料强度的 和 试件)不同截面构造 将粉煤灰砌块作为填充物嵌入两个轻钢龙骨之间形成 试件 采用砂浆将粉煤灰砌块与微晶发泡板进行黏结形成轻钢龙骨、微晶发泡板和粉煤灰砌块共同工作的组合墙体目的旨在增加组合墙保温性能的同时提高组合墙的抗震性能)不同微晶发泡板构造 设计拼板试件 拼板是指尾砂微晶发泡板由多块小尺寸发泡板拼接而成 试件 采用 块 和一块 尾砂微晶发泡板组成如图()所示 拼板相对于整板更加适用于工业化生产能根据不同需求拼接成所需尺寸的板材 个试件尺寸均设计为 龙骨厚度均为.钢筋直径均为 试第 期边瑾靓等:装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究件详细设计参数见表 试件编号规则示例如下:(拟静力试验组合墙)(微晶发泡板出厂设计强度)(填充粉煤灰砌块)(拼板)表 试件设计参数 试件编号/发泡板强度粉煤灰砌块是否拼板.否否.否否.是否.是是试件详细尺寸如图 所示 图():代表轻钢龙骨 代表横向钢筋 代表纵向钢筋 图()为组合墙截面图微晶发泡板厚度为 龙骨截面高度为 龙骨嵌入微晶发泡板 外露截面高度为 轻钢发泡板组合墙制作过程为:)将微晶发泡板进行开槽包括龙骨槽()横向钢筋槽()纵向钢筋槽()将纵向钢筋与轻钢龙骨嵌入微晶发泡板再将横向钢筋嵌入微晶发泡板并穿过轻钢龙骨上预留的圆孔)将板上凹槽使用砂浆进行灌浆形成钢筋、轻钢龙骨与尾砂微晶发泡板共同工作的连接构造 实测微晶发泡板和粉煤灰砌块力学性能见表 钢材力学性能见表 图 构件尺寸及截面图.表 尾砂微晶发泡板及粉煤灰砌块的力学性能 分组立方体强度/棱柱体强度/弹性模量/尾砂微晶发泡板.尾砂微晶发泡板.粉煤灰.表 实测钢材的力学性能 材料屈服强度/极限强度/弹性模量/延伸率/轻钢龙骨.钢筋.加载装置和测试方案轻钢尾砂微晶发泡板组合墙结构中墙体通过轻钢龙骨与上下圈梁进行装配安装微晶发泡板与上下圈梁预留有 装配缝竖向荷载通过轻钢龙骨进行传递 为模拟组合墙实际受力状态试验将竖向荷载通过加载梁施加于轻钢龙骨上 加载梁为钢板焊接而成的箱体在龙骨位置掏洞并焊接略大于龙骨截面尺寸的小箱体 通过对龙骨长度进行设计加载梁可避免与微晶发泡板接触将试验荷载作用于轻钢龙骨上 竖向千斤顶安装在反力架上并对轻钢发泡板组合墙龙骨施加 竖向荷载并保持恒定 在反力墙上安装水平推拉千斤顶并作用在加载梁中心处用于水平往复荷载的施加 竖向千斤顶和水平推拉千斤顶均设置力传感器用以记录试验荷载 组合墙下部龙骨跟基础梁进行螺栓连接并通过紧固装置将基础梁固定使基础梁在试验中不出现滑移和倾覆 设置水平侧向限位装置以防止试件出现平面外失稳加载装置如图 所示世 界 地 震 工 程第 卷图 加载装置.参考建筑抗震试验规程(/)采用荷载变形加载制度如图 所示 试件加载屈服前采用荷载控制并分级加载 试件屈服后采用变形控制变形值取试件屈服最大位移值并以该位移值的倍数为级差进行控制加载 尾砂微晶发泡材料强度较低为观察组合墙大变形时破坏形态每级荷载往复加载一次防止尾砂微晶发泡板组合墙过早出现疲劳破坏图 加载制度 图 加载装置及位移计布置图.测点布置)位移计布置共布置 个位移计用于记录试件位移变化()在加载梁中部布置位移计 用于记录试件水平加载位移变化基础梁垂直方向布置 和 位移计用于记录基础梁的竖向位移变化基础梁水平方向布置位移计 用于记录基础梁在加载过程中的滑动在尾砂微晶发泡板中部布置位移计 用于记录试件平面外变形试件位移计布置如图 所示)应变片布置应变片主要布置于轻钢龙骨和纵向钢筋上龙骨上共布置 个应变片如图()所示 组合墙纵向钢筋共布置 个应变片()横向钢筋上布置 个应变片()钢筋应变布置如图()所示 后文中轻钢龙骨选取柱脚应变片、和 进行分析纵向钢筋应变片选取、和 进行分析横向钢筋应变片选取 和 进行分析试验现象及破坏形态试件 加载初期无明显现象 当水平荷载加载到 时微晶发泡板出现轻微响声 随着荷载的增加微晶发泡板响声逐渐明显 当加载到 时微晶发泡板底部在龙骨嵌入处出现裂缝如图()所示 随着水平荷载的增加龙骨嵌入处裂缝逐渐开展如图()所示 当达到峰值荷载时微晶发泡板出现竖向通缝微晶发泡板与龙骨出现剥离如图()和图()所示第 期边瑾靓等:装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究图 试件应变测点.图 试件破坏现象.试件 加载初期无明显损伤现象 当水平荷载为 时微晶发泡板出现轻微的响声 当水平荷载为 时微晶发泡板底部龙骨嵌入处出现裂缝如图()所示 随着水平荷载的增加微晶发泡板破坏声响逐渐增大嵌入处裂缝逐渐开展如图()所示 当水平荷载到达峰值荷载时微晶发泡板两侧龙骨嵌入处墙体开裂贯通轻钢龙骨与微晶发泡板出现剥离试件承载力下降如图()和图()所示 试件 破坏过程与 相似但是由于微晶发泡板强度的提高开裂荷载高于 图 试件破坏现象.世 界 地 震 工 程第 卷试件 加载初期无明显的损伤现象 当水平荷载为 时微晶发泡板出现轻微的响声 随着水平荷载的增加微晶发泡板损伤声响逐渐增大 当水平荷载为 时微晶发泡板上部龙骨嵌入处出现裂缝如图()所示 当水平荷载为 时微晶发泡板逐渐由上向下出现剪切斜裂缝如图()所示随着荷载的增加斜裂缝逐渐开展 当达到峰值荷载时试件出现剪切裂缝破坏试件承载力下降如图()和图()所示图 试件破坏现象.试件 加载初期无明显损伤现象 当水平荷载为 时微晶发泡板出现轻微的响声 当水平荷载为 时微晶发泡板上部龙骨嵌入处出现裂缝如图()所示 随着荷载增加裂缝向下发展 当水平荷载为 时裂缝由竖向裂缝向斜裂缝发展如图()所示 随着水平荷载的增加竖向裂缝继续向下发展剪切斜裂缝也逐渐增多 当达到峰值荷载时微晶发泡板在龙骨嵌入处出现贯通竖向裂缝试件承载力下降如图()和图()所示图 试件破坏现象.试验结果及分析.荷载位移曲线实测 个轻钢尾砂微晶发泡板组合墙试件的“荷载 水平位移”滞回曲线和骨架曲线如图 所示图中:为水平荷载 为水平位移 为位移角加载点距离基础高度为 由图 可知:当尾砂微晶发泡板强度提高时对轻钢龙骨的约束作用增强有益于组合墙承载力以及滞回性能 滞回曲线较 滞回曲线饱满当尾砂微晶发泡板附加粉煤灰砌块后粉煤灰砌块、尾砂微晶发泡板和轻钢龙骨协同工作性能较好粉第 期边瑾靓等:装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究煤灰砌块增加了对轻钢龙骨的约束显著提升了组合墙的试件承载力滞回曲线较为饱满 试件破坏现象由尾砂微晶发泡板竖向开裂破坏转变为剪切斜裂缝破坏图 滞回曲线和骨架曲线.当尾砂微晶发泡板采用拼板时试件 的尾砂微晶发泡板整体性较差受力后各拼板在轻钢龙骨嵌入处逐渐受力破坏破坏处粉煤灰与尾砂微晶发泡板协同工作性能减弱试件滞回曲线捏拢现象较其他试件明显 试件出现竖向裂缝并最终破坏由竖向裂缝控制承载力远低于整板试件()可见尾砂微晶发泡板整体性对于组合墙抗震性能影响较大.承载力将试验承载力特征值进行分析包括试件屈服荷载 屈服位移角 极限荷载 极限位移角 破坏荷载 破坏位移角 见表 试件屈服荷载 采用能量等值法进行计算计算方法如图 所示 当面积时 点垂线与骨架曲线相交点为屈服荷载 表 中:为试件延性系数计算公式如式()所示世 界 地 震 工 程第 卷 ()式中:为正向破坏荷载所对应的破坏位移 为负向破坏荷载所对应的破坏位移为正向屈服荷载所对应的屈服位移为负向屈服荷载所对应的屈服位移表 试验特征荷载 试件编号屈服荷载点/极限荷载点/破坏荷载点/.由表 可知:尾砂微晶发泡板强度的提升提高了组合墙承载力极限荷载提高约为.当组合墙附加粉煤灰砌块后组合墙承载力提高较为显著 的极限荷载较 试件提高约为.但试件延性系数小于 尾砂微晶发泡板采用拼板时由于微晶发泡板整体性减弱对轻钢龙骨约束能力减弱组合墙承载力降低 的极限承载力较 试件下降.图 名义屈服位移计算示意 图 刚度退化 .刚度退化采用平均割线刚度对试件刚度退化进行分析如图 所示 平均割线刚度计算公式如式()所示(/)()式中:为不同位移角对应的平均割线刚度 为正向第 加载级最大峰值荷载 为负向第 加载级最大峰值荷载 为正向第 加载级最大峰值位移 为负向第 加载级最大峰值位移、以及 初始刚度分别为./、./、./及./尾砂微晶发泡板强度的增大可以提高试件的初始刚度减缓其刚度退化 当组合墙轻钢龙骨间填充粉煤灰砌块后试件初始刚度得到明显提升刚度退化得到较大改善其初始刚度分别为、和 的.、.以及.倍 拼缝影响尾砂微晶发泡板整体性减弱了尾砂微晶发泡对轻钢龙骨的约束能力降低了组合墙的初始刚度.耗能采用等效黏滞阻尼系数 和累计耗能值 对试验试件耗能能力进行分析 等效黏滞阻尼系数 计算公式如式()和图 所示对试件极限荷载点时的等效黏滞阻尼系数 进行对比分析 累计耗能值 是由每一循环滞回环的包络面积进行叠加计算对试件最终累计耗能进行计算并绘制 随位移角的变化曲线见图 各试件等效黏滞阻尼系数 和累计耗能值 的对比分析见表 表 中 相对值和 相对值分第 期边瑾靓等:装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究别是其他试件与 试件的比值()()()图 等效黏滞阻尼系数计算方法 图 曲线.表 耗能分析 试件编号相对值/()相对值.由表 和图 可知:、以及 最终累计耗能分别为.、.、.和.等效黏滞阻尼系数分别为.、.、.和.尾砂微晶发泡板强度的提高增加了板体对轻钢龙骨的约束作用提高了组合墙的抗震耗能能力 试件累计耗能约为 试件的.倍等效黏滞阻尼系数为 的.倍 当组合墙附加粉煤灰砌块后尾砂微晶发泡板、轻钢龙骨和粉煤灰砌块协同工作较好显著提高了组合墙的耗能能力 耗能能力约为 试件的.倍 但附加粉煤灰砌块后组合墙破坏形态转变峰值荷载时 的等效黏滞阻尼系数约为 试件的.倍 试件虽然附加了粉煤灰砌块但尾砂微晶发泡板采用拼板组成整体性能差对轻钢龙骨约束效果差耗能能力低于整板试件累计耗能值约为 的.倍等效黏滞阻尼系数约为.倍.应变分析采用应变加载历程曲线对组合墙中轻钢龙骨以及钢筋受力状态进行分析轻钢龙骨主要对柱脚应变、和 进行分析 纵向钢筋对、和 进行分析横向钢筋对 和 进行分析应变片分布位置如图 所示试件轻钢龙骨以及钢筋应变分析如图()图()所示图中纵轴为试件应变值横轴为试件加载级红色虚线分别为钢筋与轻钢龙骨屈服应变值由图 可知:轻钢龙骨作为主要受力构件、以及 的柱脚应变、和 均达到了屈服应变 试件为拼板试件由于微晶发泡板整体性不好拼板逐一出现破坏并退出工作组合墙试件应力进行重分配因此 轻钢龙骨应变相较于其他试件存在应力突变现象 和 试件轻钢龙骨嵌入处微晶发泡板出现破坏后微晶发泡板外侧纵筋 由于应力重分配应变存在突变并均较快达到了屈服应变 试件轻钢龙骨间未形成剪切斜裂缝因此中部纵向钢筋受力较小 和 并未达到屈服应变 试件提高了尾砂微晶发泡板的强度板材参与受力程度高于 试件 在加载后期接近屈服应变 未达到屈服应变 和 试件破坏均为竖向裂缝贯通破坏横向钢筋参与受力较小因此 和 均未达到屈服应变 试件轻钢龙骨间填充了粉煤灰砌块增强了对轻钢龙骨的约束其主要破坏形式为剪切斜裂缝破坏轻钢龙骨之间钢筋参与受力较为充分、和 加载后期均达到了屈服状态 由于剪切破坏为脆性破坏微晶发泡板较快退出工作横向钢筋 和 应变在加载后期存在突变现象 试件破坏时主要以竖向裂缝破坏为主外侧底部纵筋 加载后期达到屈服状态 由于试件填充了粉煤灰砌块加载过程中出现剪切斜裂缝轻钢龙骨间钢筋参与受力、和 达到屈服应变世 界 地 震 工 程第 卷图 应变分析.数值模拟运用 有限元软件对轻钢发泡板组合墙进行数值模拟为组合墙建模、弹塑性分析和工程应用提第 期边瑾靓等:装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究供参考 有限元模型采用推覆分析由于拼板试件 不利于组合墙抗震有限元分析中不包括 试件.单元选取和网格划分有限元模型中尾砂微晶发泡板以及粉煤灰砌块选用 实体单元建模轻钢龙骨采用 壳单元建立并参照实际模型进行开孔钢筋选用 三维桁架单元进行建立 轻钢发泡板组合墙各部件网格划分如图 所示图 部件网格划分.材料本构模型()尾砂微晶发泡板材料本构关系基于尾砂微晶发泡板受压应力应变关系以及三折线模型对有限元模型中尾砂微晶发泡板受压材料属性进行设置尾砂微晶发泡板材料受压本构模型如图()所示图 材料本构关系.尾砂微晶发泡板材料受拉强度较低破坏呈脆性性质轴心抗拉强度较难通过试验得到 尾砂微晶发泡板材料受拉破坏特性与混凝土和砌块等脆性材料破坏特性相近本文参考郑妮娜提出的修正模型并根据尾砂微晶发泡板材料劈裂抗拉强度对模型进行修改模型公式如式()所示材料本构模型如图()所示 /(/)./()式中:为受拉应力值 为受拉应变值 为尾砂微晶泡沫玻璃劈裂抗拉强度 为 对应的应变)粉煤灰砌块材料本构关系粉煤灰砌块材料受压本构模型采用杨卫忠砌体受压本构模型材料本构模型如图()所示 该模型应力应变关系表达式如式()所示 ()(/)/()()式中:取.为应力值 为应变值 为砌体轴心受压强度 为 对应的应变粉煤灰砌块材料受拉本构模型采用郑妮娜提出的修正模型该本构模型表达公式如式()所示材料本世 界 地 震 工 程第 卷构模型如图()所示 /(/)./()式中:为应力值 为应变值 为粉煤灰轴心抗拉强度 .为 对应的应变)钢材材料本构关系钢材本构模型采用二折线的弹性强化模型如图()所示弹性强化模型中.边界条件、加载方式和相互作用图 有限元模型.在初始分析步中将基础施加完全固定的边界条件如图 所示 第一个分析步用于施加竖向荷载将竖向荷载 施加于加载梁竖向控制点 第二个分析步用于施加水平荷载加载梁水平控制点 采用位移控制轻钢龙骨与尾砂微晶发泡板之间通过内置进行相互作用 钢筋内置于尾砂微晶发泡板中并与轻钢龙骨进行绑定约束 粉煤灰砌块与尾砂微晶发泡板进行绑定约束 加载梁、基础和尾砂微晶发泡板之间存在装配缝尾砂微晶发泡板上、下面与加载梁和基础的相互作用采用接触进行模拟接触定义为表面接触法向行为采用硬接触切向行为的摩擦公式采用罚函数摩擦系数设置为.有限元模拟结果将有限元模拟所得水平荷载()位移()曲线与试验曲线进行比较如图 所示 模拟结果与试验结果的比较见表 表中:为试验峰值荷载为模拟峰值荷载 图 荷载位移曲线比较 .表 数值模拟结果与试验结果对比 试件编号/误差绝对值/.平均误差.由图 和表 可以看出:有限元软件模拟结果与试件结果吻合较好模拟峰值荷载误差介于.平均误差为.验证了建模的合理性文中建模方式可用于轻钢发泡板组合墙推覆分析结论轻钢尾砂微晶发泡板组合墙是集装配、绿色、保温和装饰一体化高性能外墙结构体系受力明确施工便捷具有较为广阔的市场前景 对不同参数轻钢发泡板组合墙进行了低周反复荷载试验研究其抗震性能主要结论如下:第 期边瑾靓等:装配式轻钢尾砂微晶发泡板组合墙抗震性能试验研究)轻钢尾砂微晶发泡板组合墙中轻钢龙骨、钢筋和尾砂微晶发泡板具有良好的共同工作性能轻钢龙骨与尾砂微晶发泡板相互作用破坏发生在轻钢龙骨嵌入微晶发泡板的竖向缝槽位置 尾砂微晶发泡板强度的提升增强了对轻钢龙骨的约束作用提高了组合墙承载力、刚度以及耗能能力 的极限荷载、初始刚度以及累计耗能分别是 试件的.倍、.倍以及.倍)在龙骨间填充粉煤灰砌块后粉煤灰砌块增强了对龙骨的约束作用破坏形态由竖向贯通裂缝破坏转变为剪切斜裂缝破坏 组合墙填充粉煤灰砌块后粉煤灰砌块、轻钢龙骨和尾砂微晶发泡板协同工作增强了对轻钢龙骨的约束作用显著提高了试件承载力、刚度以及耗能能力 的极限荷载、初始刚度以及累计耗能分别是 试件的.倍、.倍以及.倍)当尾砂微晶发泡板采用拼板时微晶发泡板整体性较差对轻钢龙骨约束能力减弱组合墙承载力、刚度以及耗能能力均较其他试件减弱 的极限荷载、初始刚度以及累计耗能分别是 试件的.倍、.倍以及.倍 拼板构造形式不利于组合墙的抗震性能当组合墙作为受力构件参与抗震设计时不宜采用拼板的构造形式)有限元数模拟荷载位移曲线与试验曲线吻合较好平均误差为.文中有限元建模方式可用于轻钢尾砂微晶发泡板组合墙推覆分析参考文献:/尾砂微晶发泡板材及砌块.北京:中国标准出版社./.:.().():.():.王立久 王伟 曹明莉.泡沫玻璃微晶化研究进展.玻璃与搪瓷 ():.():.().():.():.:.涂欣.硼硅酸盐泡沫玻璃和微晶泡沫玻璃的研究.沈阳:沈阳建筑大学.:.()冯宗玉 薛向欣 李勇.利用油页岩渣制备微晶泡沫玻璃的研究.材料导报 ():.():.()边瑾靓 曹万林 熊存强 等.轻钢尾砂微晶发泡板组合墙受压性能试验.哈尔滨工业大学学报 ():.():.().():./建筑抗震试验规程.北京:中国建筑工业出版社./.:.().:.郑妮娜.装配式构造柱约束砌体结构抗震性能研究.重庆:重庆大学.:.()杨卫忠.砌体受压本构关系模型.建筑结构 ():.():.().:.