新型节能墙板承载力研究*

刘 伟 张艺露 席 位

(吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118)

0 引言

我国是一个农业大国,农民主要以种植玉米、水稻、小麦等农作物为生.据统计,我国的农作物秸秆资源拥有量居世界首位.但对剩余秸秆处理难的问题也十分突出.为了方便第二年的耕种,农民往往将秸秆一烧了之,如此一来,既污染了环境,又浪费了资源.众所周知,目前，现有的墙体材料种类繁多,但真正能应用于钢结构住宅的却很少.现阶段能应用于钢结构住宅的墙体材料主要有蒸压轻质加气混凝土板(ALC板)、上海伊通板、加气混凝土砌块以及节能复合墙板等,但仍有许多问题值得深入研究[1-4].秸秆是一种保温性能非常好的材料,并且是一种每年可再生的资源,倘若把这种材料应用于建材领域,研究节能立废的新型墙体材料,这不仅促进钢结构建筑工业化快速发展,而且对节约能源、减少环境污染具有重要意义[5-7].为此,本文依据前期研究成果,利用秸秆混凝土制作墙板,对横向荷载作用下墙板表面的秸秆混凝土、板内钢筋的应变规律,墙板的挠度变化、破坏过程等进行了试验研究.

1 墙板设计及试验方案

1.1 墙板设计

本试验制作的试件与实际构件比例为1∶2,板内采用双侧配筋,墙板配筋及形状见图1.

图1 墙板配筋构造

墙板尺寸、钢筋型号及配筋间距等基本参数见表1.

表1中墙板的秸秆混凝土实测轴心抗压强度为8.59MPa,弹性模量为3 895MPa,泊松比为0.235;钢筋实测弹性模量为12.21GPa,抗拉极限强度为410.078MPa,屈服强度为264.325MPa.

表1 墙板的基本参数

1.2 试验方法

试验主要测定墙板的开裂荷载、极限荷载、裂缝特征及挠度变化等.在每块板底面每边跨中位置及板底中心位置均加设了位移计,墙板挠度测点分布图见图2(a).板面秸秆混凝土应变值和板内钢筋应变值采用60点应变测试仪采集数据,板面秸秆混凝土应变测点分布见图2(b),板内钢筋应变测点分布见图2(c).

(a) 挠度测点分布 (b) 秸秆混凝土应变测点分布 (c) 钢筋应变测点分布图2 测点分布

本试验墙板个角简支在支座上,采用单调加载方式,加载装置采用60t液压仪,通过放在板面上的型钢及钢板传递对墙板施加均布荷载,具体见图3.由于墙板自重的存在,且在加载前墙板已完成预加载，预加载的目的在于使构件各部位接触良好,荷载变形关系趋于稳定,以及观察全部仪表工作是否正常等.试验采用分级加载,每级加载10kN/m2,加载后停歇15min.

图3 墙板加载

2 试验结果及分析

2.1 破坏过程及破坏形态

1#墙板上下两层钢筋网为Φ6@160,当加载至70kN/m2时,墙板在每边跨中位置出现几道细小的裂缝,随着荷载的增加,细小的裂缝逐渐增多,最初的几道裂缝宽度逐渐变大,长度增加,最后形成贯穿整个板面的通缝,其破坏形态见图4(a).

2#墙板上下两层钢筋网为Φ6@120,当加载至80kN/m2时,其裂缝发展趋势与1#墙板一样,也是在每边跨中位置开始出现细小的裂缝,不同的是裂缝的发展速度相对缓慢,随着荷载的增加,板的底层形成贯穿整个板面的通缝,同时发现在支座处板的侧面出现斜裂缝，这是因为横向荷载的增加使支座处的秸秆混凝土承受的剪应力增大,导致其发生冲切破坏所致.其破坏形态见图4(b).

结果表明:两块墙板破坏时,裂缝细而密,延性较好,均属于延性破坏.随着钢筋间距的减小,墙板承压能力增强,缓解了板的裂缝发展速度.但是,随着荷载的继续增大,支座处的秸秆混凝土可能会发生冲切破坏.由此可说明,随着钢筋间距的增加,并不一定会显著增加墙板的承压能力.

(a) 1#板破坏形态 (b) 2#板破坏形态图4 墙板破坏形态

2.2 秸秆混凝土荷载-应变曲线结果分析

图5所示为1#，2#墙板表面秸秆混凝土在图示测点处的荷载-应变曲线.由图可知,在加载过程中,由于1#墙板钢筋布置间距较大,即配筋率较小,其几何中心处及墙板一边跨中的秸秆混凝土变形较大,且在一边跨中位置增大现象比较显著.结果表明,在相同荷载作用下,配筋率增加会增加墙板承压能力,这是因为变形较大的板将先进入弹塑性阶段,随着荷载继续增加,先达到极限状态,而变形较小的板将承受更大的荷载作用.但对于应力较大的区域这种增加现象不明显.

图5 秸秆混凝土的荷载-应变曲线

图6 钢筋的荷载-应变曲线

2.3 钢筋荷载-应变曲线结果分析

图6所示为1#,2#墙板内部钢筋在图示测点处的荷载-应变曲线.由图6可知,在试验加载过程中,同一块墙板内上下两部分钢筋的荷载-应变曲线基本一致,表明上下两层钢筋网的相对位置几乎没有变化,变形较为一致.这是因为在板受弯过程中,钢筋具有足够的刚度和强度,使上下两层的钢筋能协同一致地工作.通过两块墙板对比分析,说明在受压荷载较小时,钢筋间距对其应变值变化影响不大,这是因为在初加载时对墙板承载力起主要作用的是秸秆混凝土,随着荷载继续增大,墙板出现裂缝后,钢筋逐渐对墙板的承压能力起主导作用.

2.4 墙板荷载-挠度曲线

图7所示为1#,2#墙板的荷载-挠度曲线.由图7可知,两块墙板的变形能力均较好,其荷载-挠度曲线变化趋势基本一致,均有明显的拐点和延伸,墙板在达到开裂荷载时的变形较明显,延性较好,均属于延性破坏.

由于墙板几何中心处的应力最大,所以相应的挠度变化也最大.结果表明:当荷载较小时,荷载和挠度呈现直线变化,墙板处于弹性工作阶段,变形较小;随着裂缝的不断出现与扩展,挠度的增长速度较开裂前加快,墙板底层进入弹塑性阶段,曲线有明显的拐点,破坏时变形较大,裂缝细而密,延性较好,有明显预兆,属于延性破坏，且配筋率的增加并没有显著提高墙板的开裂荷载,但延缓了裂缝发展趋势,显著提高了墙板的抗弯极限承载力.

图7 墙板的荷载-挠度曲线

3 结论

(1) 与传统的钢筋混凝土墙板相比,这种秸秆混凝土墙板具有自重轻、保温性能好的优点,可广泛应用于装配式建筑;

(2) 秸秆混凝土墙板充分发挥了秸秆的优点,在混凝土的包裹下增大了墙板抗拉、抗折强度,变形特征和破坏机理类似于传统墙板;

(3) 配筋率对秸秆节能墙板开裂荷载的影响不是特别明显,但对其抗弯极限承载力的影响非常显著;

(4) 随着墙板配筋率的增加,对墙板连接处要求就越高,否则连接处会发生冲切破坏,并不能起到增加墙板承压能力的作用;

(5) 在横向均布荷载作用下,墙板上下两层钢筋网具有足够的刚度和强度,使得上下两层面板协同一致地工作.

参 考 文 献

[1] 侯和涛,钟华东,李良慧.钢结构住宅复合墙板存在的问题与建议[J].新型建筑材料,2006(11):24-26.

[2] 李国强,方明霁,刘宜靖,陆 烨.钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2005,38(10):27-31.

[3] 李国强,方明霁,陆 烨.钢结构建筑轻质砂砌块墙体的抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动,2005,25(2):82-87.

[4] 李升才.复合墙板轴心受压试验研究[J].华侨大学学报(自然科学版),2006,27(4):384-387.

[5] 李 峥,郝翠丽.秸秆墙体材料的发展现状以及前景展望[J].河南建材,2011(1):97-99.

[6] 李国忠.新型墙体材料应用现状与发展趋势[J].21世纪建筑材料,2011,22(3):1-15.

[7] 肖立光,李景辉,周宝玉,邵东林.秸秆环保节能材料性能的研究[J].吉林建筑工程学院学报,2008,22(2):1-6.