现场发泡夹心墙平面内抗震性能模型试验与数值试验

张延年，汪青杰

（沈阳建筑大学a.土木工程学院；b.理学院，辽宁 沈阳 110168）

据统计，我国单位建筑面积采暖能耗是发达国家标准的3～5倍，但热舒适程度远不如人［1-2］.通过外墙造成的能耗占建筑总能耗的50%以上［3-4］，因而墙体保温是建筑节能的关键［5-7］.

节能墙体包括单一节能墙体和复合节能墙体.单一节能墙体以加气混凝土砌块为代表，空鼓、裂缝、剥落等质量问题阻碍其使用和发展［8］.复合节能墙体主要有外墙内保温、外墙外保温和夹心墙技术.外墙内保温由于难以避免热桥、裂缝等问题，将逐步被淘汰［9］.目前，国内外应用最广泛的节能墙体是外墙外保温体系［10］，但我国的外墙外保温工程的耐久性问题十分严重，无法保证在正确使用和正常维护条件下25年的使用年限，部分工程仅可使用3～5年［11-12］.外保温复合夹心墙是一种集承重、保温和装饰于一体、适于不同地区的耐久性节能墙体［13-17］.目前，夹心墙普遍采用填充苯板等方式，按“外叶墙-保温板-内叶墙-拉接筋”四道工序，施工较复杂、工期长，在实际施工中容易出现多种质量问题，已经影响了该技术的进一步推广应用.

提出一种新型节能墙体 现场发泡夹心墙.该墙体施工方便、经济、简单、快捷，并且接缝处缝隙大、贴和不严密、存在保温薄弱部位等问题得到有效解决.制作了13片现场发泡夹心墙和1片实心墙，进行了平面内抗震性能模型试验和数值试验研究.

1 模型试验概况

1.1 试件设计

试件宽为2 100mm，高为1 600mm，内叶墙厚为240mm，外叶墙厚为120mm，实心墙厚为370mm，试件顶部设有钢筋混凝土压梁，两端设构造柱，墙顶部净间距400mm设梁挑耳连接，施工图如图1所示.根据拉接件形状、间距，保温层厚度，竖向压应力进行参数分组，共设计13片现场发泡夹心墙试件，1片实心墙对比试件，主要参数分组见表1.

图1 现场发泡夹心墙试件施工图（WH84-1）Fig.1 Construction drawing of the test specimens of foam-in-place cavity wall（WH84-1）

1.2 试验加载装置

试验加载装置如图2所示.竖向用两个千斤顶在钢分配梁顶面滑板上按四分点施加竖向载荷，使用稳压器保持试验过程中竖向压力恒定，并使内叶墙均匀受压；滑板保证墙体在受荷时尽量无约束滑移；水平拉压往复载荷用美国MTS公司的液压伺服作动器施加，并联机实现加载控制和试验数据采集.为保证试件水平面平整，试件底座下面及压梁顶部与钢分配梁之间分别用厚约10mm细砂找平；为保证加载点正确，进行前后对中，使竖向载荷、水平载荷、墙体在同一铅垂面内.

1.3 加载方案与加载制度

首先进行预加反复载荷试验2次，取开裂载荷的20%，试验预估100kN.开始变力控制加载，一次性加载至墙体开裂，循环1次.墙体开裂后，以位移增量控制加载，以墙体开裂载荷对应的位移△c为控制位移，分别以1△c、2△c、3△c为级差控制加载，每级循环3次，以便判别强度、刚度退化情况；4△以上每级循环1次，以便研究恢复力模型（见图3）.

图2 试验加载装置Fig.2 Test equipments

图3 变力变位移加载程序图Fig.3 Procedure chart of transforming loading and displacement

1.4 测量内容及测点布置

测点布置图见图4.1-1，1-2为力-位移传感器，主要测量试件的滞回曲线.2-1～2-3为位移传感器，表架固定在试件底梁上，目的是消除底座移动的影响，所测位移为墙体相对底座的位移，主要测量不同高度处的水平位移.2-4～2-6为位移传感器，主要测量内、外叶墙相对侧移.3-1～3-8为电阻应变片，主要测量拉接件应变值.

图4 载荷与位移传感器布置图Fig.4 Layout diagram of loading and displacement sensors

2 数值试验建模

2.1 基本假定

（1）试件底梁在试验过程中无转角及位移；

（2）钢筋混凝土及砌体均为均质材料，且各向同性；

（3）砌体与钢筋混凝土构件之间紧密连接；拉接件与砌体之间紧密连接，破坏前无滑移.

2.2 模型参数选择

现场发泡夹心墙各构件材料参数按试验情况选取，各构件材料实测参数如表2.鉴于底梁和顶梁不是主要研究对象，且在试验中无明显破坏，因此假定底梁和顶梁始终处在弹性阶段.

表2 现场发泡夹心墙材料参数表Table 2 Material data sheet of foam-in-place cavity wall

2.3 整体建模过程

由于砌体墙体是由砖块和砂浆砌成的，而砖块的两面甚至三面都被砂浆包裹，为了方便建模，用ABAQUS中Cutting Cell命令剖分出砖块和砂浆并分别赋予不同的材料属性，此剖分就可省去INTERACTION步骤中砖与砂浆之间连接的定义，避免过于烦琐的面与面的接触定义，有效解决了后期的大量计算处理而造成计算无法进行的问题.

图5 整体模型单元划分Fig.5 Unit partition of the overall model

内外叶墙片、底梁、顶梁和构造柱的形状较规则，采用HEX形式进行单元划分，而拉接件由于形状相对不规则而采用TET进行单元划分（见图5）.

3 试验现象分析

从试件破坏形态来看，13片现场发泡夹心墙试件全部为剪切破坏，内叶墙裂缝呈“＞-＜”形或“X”形交叉斜裂缝.裂缝处多孔砖出现不同程度破坏.内叶墙受构造柱与压梁组成的钢筋混凝土边框的有效约束，改变了多孔砖墙体脆性性质，提高其变形能力，使内叶墙产生较大位移和开裂时始终保持裂而不倒.在构造柱开裂前，内叶墙裂缝闭合现象很明显，卸载后裂缝宽度减少70%左右.随构造柱裂缝开展，闭合作用有所下降，但构件破坏时裂缝宽仍可减少30%左右.外叶墙无构造柱时，裂缝闭合现象不明显（见图6）.

图6 墙体破坏Fig.6 Breakage of walls

4 现场发泡夹心墙数值试验云图分析

图7、图8分别为内外叶墙体应力-应变云图，内叶墙随着水平力的推拉作用即将破坏时沿墙体对角线方向出现应力集中，这与试验现象中墙片发生“X”型交叉斜裂缝的层间剪切破坏模式相一致.外叶墙由于不直接受力而主要在墙片顶部和底部的应力集中较严重，这与试验中外叶墙在底部和顶部出现大量水平通缝而失效相一致.图9为拉接件应力-应变云图，在墙体中间偏上部位的拉接件发生弯曲而屈服，而底部和顶部拉接件变形较小，这与试验中得到的墙体中部拉接件受力较大，应变较大的结论也较吻合.图10为构造柱应力-应变云图，构造柱底部受拉应力较大而呈现出应力集中即将破坏趋势，这与试验也相符.总之从墙体构件应力-应变云图上看，墙体应力集中的部位与试验中破坏较严重的部位较吻合.

图7 内叶墙体应力-应变云图Fig.7 Contours of stress and strain of the internal walls of foam-in-place cavity walls

图8 外叶墙体应力-应变云图Fig.8 Contours of stress and strain of the external walls of foam-in-place cavity walls

图9 拉接件应力-应变云图Fig.9 Contours of stress and strain of the ties

图10 构造柱应力-应变云图Fig.10 Contours of stress and strain of the constructional columns

5 数值试验结果与模型试验实测值对比分析

数值试验结果与模型试验实测值对比情况见表3.表中最大载荷采用正负方向最大载荷的平均值；内外叶墙位移分别选其正负方向最大载荷所对应位移的平均值；而模型试验值本文参照其极限载荷（Pu）和与之相对应的极限位移（Δu）.相同条件的试件，数值试验最大载荷的平均值比模型试验实测值增大7.6%.原因主要是各构件之间接触面的定义造成了墙体刚度的增大，而各构件的材料刚度又没有相应的降低来加以抵消，因此数值试验承载力偏大于模型试验实测承载力.

图11为数值试验与模型试验实测承载力对比图，竖向压应力较小时数值试验结果与模型试验实测值有一定偏差.总体上看数值试验结果和模型试验实测值相差较小，表明数值试验与模型试验吻合较好.与模型试验实测位移值相比，数值试验现场发泡夹心墙的位移值较小，主要原因是现场发泡夹心墙各构件之间接触面的定义增大了墙体整体的刚度，导致数值试验试件刚度大于模型试验试件刚度而使数值试验位移较小.

表4为数值试验与模型试验实测相对位移差对比，拉接件构造形式对试件相对位移差的影响很小；试件随着竖向压力或空腔厚度的减小，试件相对位移差也相对减小.各试件数值试验相对位移差有一定差别，范围在0.23～0.53，与模型试验实测的相对位移差相比较小，平均值相差未超过9%，表明数值试验与模型试验吻合较好；也表明现场发泡夹心墙在拉接件、构造柱和圈梁的作用下，内外叶墙片的协调工作性能较好.

图12为数值试验与模型试验实测相对位移差对比折线图，可看出，数值试验的相对位移差与模型试验实测的相对位移差吻合较好.总体上看这13个试件模型不论数值试验还是模型试验实测，相对位移差都较小，表明内外叶墙体协同工作性能较好，外叶墙对保温材料有较好的围护作用.

表3 数值试验结果与模型试验值对比Table 3 The comparison of the results of the numerical tests and model tests

图11 数值试验与模型试验实测承载力对比图Fig.11 The comparison diagram of the carrying capacity of the numerical tests and model tests

图12 数值试验与模型试验实测相对位移差对比图Fig.12 The comparison diagram of the displacement difference of the numerical tests and model tests

表4 数值试验与模型试验实测相对位移差对比Table 4 The comparison of the displacement difference of the numerical tests and model tests

数值试验与模型试验的对比分析表明，现场发泡夹心墙的破坏形态、承载力、变形能力和协调变形能力等二者均较好吻合，相互验证了二者的有效性.

6 结 论

通过13片现场发泡夹心墙和1片实心墙的平面内抗震性能模型试验和数值试验研究，主要得出以下结论：

（1）模型试验现象和数值试验的应力-应变云图对比结果表明，内叶墙、外叶墙、拉接件和构造柱的应力集中的部位与试验中破坏较严重的部位较吻合.

（2）相同条件下试件，数值试验承载力平均值比模型试验实测平均值大7.6%，原因主要是各构件之间接触面的定义造成了墙体刚度的增大，总体上二者吻合较好.

（3）相同条件下试件，数值试验相对位移差平均值比模型试验相对位移差实测平均值减小8.6%，总体上二者吻合较好.

（4）模型试验与数值试验对比分析表明，现场发泡夹心墙的破坏形态、承载力和协调变形能力等二者均较好吻合，相互验证了二者的有效性.

（5）采用Cutting Cell命令剖分出砖块和砂浆并分别赋予不同的材料属性，不仅大量缩短计算时间，并能得到较为精确的计算结果.

（6）模型试验与数值试验结果均表明，现场发泡夹心墙具有较高的承载能力和较好的内外叶墙协同工作性能.

（7）构造柱、拉接件和钢筋混凝土梁挑耳在协同内外叶墙共同工作方面起到较好作用，内外叶墙协调性能较好.

（8）现场发泡夹心墙片比实心墙抗剪承载力相比降低不多，通过内外叶墙片位移差研究表明现场发泡夹心墙内外叶墙能够协同工作，具有较好的整体工作性能，因此承载力计算时应考虑外叶墙的有利影响.

（9）钢筋混凝土梁挑耳有效地加强内外叶墙连接、可靠地传递内力；拉接件也具有一定的作用，并在现场发泡夹心墙体大变形的情况下，对保证开裂墙体不致脱落、倒塌起到有效作用.

［1］ Fong K F，Hanby V I，Chow T T.HVAC System Optimization for Energy Management by Evolutionary Programming［J］.Energy and Buildings，2006，38（3）：220-231.

［2］ 江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径［J］.暖通空调，2005，35（5）：76-86.（Jiang Yi.Current Building Energy Consumption in China and Effective Energy Efficiency Measures［J］.Journal of Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2005，35（5）：76-86.）

［3］ 顾天舒，谢连玉，陈革.建筑节能与墙体保温［J］.工程力学，2006，23（S2）：167-184.（Gu Tiansu，Xie Lianyu，Chen Ge.Building Energy Conservation and Wall Thermal Insulation ［J］.Engineering Mechanics，2006，23（S2）：167-184.

［4］ Poel B，van C G，Balaras C A.Energy Performance Assessment of Existing Dwellings［J］. Energy and Buildings，2007，39（4）：393-403.

［5］ 陶有生.干粉砂浆在加气混凝土建筑中的应用［J］.墙材革新与建筑节能，2007，13（3）：53-56.（Tao Yousheng.Application of Dry Dust Mortar in Aerated Concrete Building［J］.Wall Materials Innovation and Energy Saving in Buildings，2007，13（3）：53-56.）

［6］ Danny Harvey.Reducing Energy Use in the Buildings Sector：Measures，Costs，and Examples［J］.Energy Efficiency，2009，2（2）：139-163.

［7］ Ari Seppälä，Mamdouh El Haj Assad，Tero Kapanen.Optimal Structure for Heat and Cold Protection Under Transient heat Conduction ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization，2008，36（4）：355-363.

［8］ 顾同曾.积极推广外墙外保温技术［J］.墙材革新与建筑节能，2000，6（2）：13-15.（Gu Tongzeng. Technology of Outer Insulation for Exterior Wall［J］.Wall Materials Innovation and Energy Saving in Buildings，2000，6（2）：13-15.

［9］ 张芳，周汉万.冬冷夏热地区内外综合保温复合墙体的应用探讨［J］.施工技术，2007，52（10）：62-64.（Zhang Fang，Zhou Hanwan.Application of the Inside and Outside Insulating Compound Wall in Cold Winter and Hot Summer Regions ［J］.Construction Technology，2007，52（10）：62-64.）

［10］ Marcelo I，Maria V，Jose D M，et al.Life Cycle and Optimum Thickness of Thermal Insulator for Housing in Madrid［A］.The 2005World Sustainable Building Conference［C］.Tokyo，2005：418-425.

［11］ 顾道金，朱颖心，谷立静.中国建筑环境影响的生命周期评价［J］.清华大学学报：自然科学版，2006，46（12）：1953-1956.（Gu Daojin， Zhu Yingxin， Gu Lijing. Life Cycle Assessment for China Building Environment Impacts［J］.Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2006，46（12）：1953-1956.）

［12］ 李珠，张泽平，刘元珍.建筑节能的重要性及一项新技术［J］.工程力学，2006，23（S2）：141-149.（Li Zhu，Zhang Zeping，Liu Yuanzhen.The Importance of Energy Efficiency in Buildings and Introduction of a New Technique［J］.Engineering Mechanics，2006，23（S2）：141-149.）

［13］ 李宏男，张景玮，刘莉.多孔砖保温现场发泡夹心墙体抗震性能试验与分析［J］.建筑结构学报，2001，22（6）：73-80.（Li Hongnan，Zhang Jingwei，Liu Li.Experiment and Analysis of Seismic Behavior of Hollow Brick Insulating Cavity Walls［J］.Journal of Building Structures，2001，22（6）：73-80.）

［14］ 张延年，张洵，刘明.现场发泡夹心墙用环型塑料钢筋拉接件锚固性能试验研究［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2008，24（4）：543-546.（Zhang Yannian，Zhang Xun，Liu Ming.Experimental Study on Anchorage Performance of Ring Shaped Plastics Steel tie for Cavity wall［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2008，24（4）：543-546.）

［15］ Kumari M，Nath G.Unsteady Natural Convection Flow in a Square Cavity Filled with a Porous Medium Due to Impulsive Change in Wall Temperature［J］.Transport in Porous Media，2009，77（3）：463-474.

［16］ Hens H，Janssens A，Depraetere W.Brick Cavity Walls：A Performance Analysis based on Measurements and Simulations［j］.Journal of Building Physics，2007，31（2）：95-124.

［17］ MU Lu，Arturo E Schultz，Henryk K.Stolarski.Influence of Cavity Dimension on the Stability of Eccentrically Loaded Slender Unreinforced Masonry Hollow Walls［J］.Construction and Building Materials，2011，25（12）：4444-4453.