不同加载方式SIP墙体的抗剪性能

王雪花 方露 吴智慧 倪骏 费本华

摘要：以3种不同的单向加载方式对以木质OSB覆面的SIP墙体进行侧向加载实验，对比分析3种加载方式下SIP墙体的破坏形式及这3种加载方式对墙体抗剪性能参数的影响，结果表明：3种加载方式得到的墙体的抗剪性能指标有所差异，其中，采用ISO22452加载协议，即对墙体施加持续增加载荷的加载方式所得到的极限承载力最大、极限位移和延性系数居中，分别为46.06 kN、71.83 mm、3.31；采用ASTM E72-05加载时极限承载力居中、极限位移及延性系数最大，分别为：40.66 kN、76.97 mm、4.07。采用ASTM E564-06加载，即对墙体施加阶段载荷并使阶段目标载荷持续作用一段时间的方式，所得到的极限承载力、极限位移及延性系数最小，分别为37.73 kN、54.92 mm、2.91；3种加载方式对墙体破坏形式的影响不大。

关键词：SIP墙体；静力单向加载协议；破坏形式；抗剪性能

中图分类号：TU531.11

文献标志码：A 文章编号：1674-4764（2016）03-0041-07

Abstract：Three different static loading protocols were used in the lateral loading experiment on SIP wall covering with oriented strand board （OSB）， and failure forms and shear performance of the SIP wall were recorded and analysed treated by three loading protocols： ISO 22452， ASTM E72-05 and ASTM E564-06. The results showed that shear performances of the SIP walls under the three loading protocols were different， ultimate bearing capacity and ultimate displacement were the largest one， and the ductility factor was the middle one which loaded by ISO 22452， the value were 46.06kN， 71.83mm， 3.31 respectively； while ultimate bearing capacity was the middle one， ultimate displacement and ductility factor were the largest one which loaded by ASTM E72-05， the datas were 40.66kN， 76.97 mm， 4.07 respectively； ultimate bearing capacity 37.73 kN， ultimate displacement 54.92 mm and ductility factor 2.91 were the smallest treated by ASTM E564-06 among the three loading protocols. Failure forms of the walls under the three loading protocols were similar， there were little influence on failure forms caused by the three loading protocols used in this research.

Keywords：SIP wall； static loading protocol； failure forms； shear performance

结构保温板，也称结构隔热板 （SIP，structural insulated panels），是以硬质发泡材料或其他保温材料为夹心层，外贴压型钢板、木板、水泥加压板等薄板的三明治型的复合板材，常见的芯材种类有：EPS、XPS、PU以及无机类保温材料等，贴面板有：压型钢板、欧松板、桔梗板等木质板材、水泥加压板、石膏板等无机板材。该结构类型的复合板材具有良好的保温隔热性能、抗震性能及轻质高强的特点[1-2]， 提高了木材利用率，创造出比传统木结构形式更加先进的SIP 住宅系统（structural insulated panel system，SIPs） [3-4]，在北美和欧洲等地，以SIP为基本单元的SIP住宅系统广泛用于民用和商用住宅，SIPs建造就像搭积木一样简单快捷，可大大节省建造时间和建造费用。

作为建筑物的重要组成部分，墙体在建筑中除实现围护、防火、隔音、保温等需求外，同时需要承受风载及地震等的作用，墙体需具有足够的承载能力，以便保证墙体的安全[5]。目前，关于SIP的试验数据和研究主要集中在近20年。在力学性能方面，Taylor等[6] 1997年进行SIP构件的试验研究，建立了定向刨花板面板、聚氨酯泡沫板和聚苯乙烯泡沫板芯的SIP的受弯蠕变模型，推导出SIP受弯构件挠度随时间变化的公式；Keith等[7]于2006年制备了4种厚度的SIP试件，并做了抗弯、轴压、剪切和测压试验，在APA发表了关于SIP标准化测试的报告，规定了对于SIP面板、芯材和胶粘剂的要求指标；Kermani[8-9]2006年对采用定向刨花板作为面板的SIP的抗弯、轴压、压弯和抗侧性能进行了测试，并总结了高度对轴向承载力的影响和开洞率对结构保温板抗侧力的影响。中国关于SIP墙体的研究较少，严帅[10]对SIP墙体的保温特性进行了专门研究，并推导了基于节能保温要求的最佳芯层厚度；对SIP抗弯试件进行4点弯曲试验，揭示了这类构件的破坏形态，并对其受力性能、破坏机理进行了探讨；对SIP抗侧试验进行研究，发现当采用杨木胶合板作为SIP面板时的侧向承载力大于定向刨花板。目前关于SIP板式结构抗震性能的研究极少。Jamison[11]于1997年对足尺SIP剪力墙进行低周反复载荷试验，并与轻型木结构墙体做了对比，发现SIP剪力墙在承受较大的载荷下变形比轻木结构胶合板剪力墙小50%。

从总体上看，尽管SIP板式结构体系作为建筑结构板材具有显著的优势，但国际上关于SIP作为墙体的研究是很少甚至是严重缺乏的，中国则更少关于SIP墙体的测试标准更是无从谈起。本研究选取了国外比较常见的关于木结构墙体的3种单向加载测试标准，以SIP墙体为测试对象，研究其破坏形式及抗剪性能，以期为SIP墙体的抗剪性能研究提供一些数据。

1 材料和方法

1.1 材料

实验所用墙体，墙体由两片SIP墙板构成，每片SIP板的尺寸为1 220 mm×2 440 mm，与加载设备的连接如图1。其中，顶梁板由两根长度相同但截面尺寸不同的SPF规格材构成，位于上部的称为上顶梁板，位于下部的称为下顶梁板；底梁板由两根长度相同但截面尺寸不同的SPF规格材构成，位于上部的称为上底梁板、位于下部的称为下底梁板（如图2）。墙体主要部件的基本参数见表1。

墙体连接及固定，覆面板与聚苯乙烯泡沫板之间通过聚氨酯胶合，覆面板与SPF之间、中间两根作为侧墙骨的SPF之间采用钉连接，墙体底部左右侧墙骨与底梁板之间各锚固一个L形抗倾覆连接件，底梁板与地梁之间、顶梁板与加载梁之间采用螺栓连接，各连接件规格尺寸见表2。

1.2 加载程序

采用3种加载方式（ISO 22452[12]、ASTM E564[13]、ASTM E72[14]）对墙体进行加载。

ISO 22452加载方案：采用力控制加载程序，载荷持续增加的加载方式。以6 kN/min的速度加载直至试件破坏。

ASTM E72加载方案：采用力控制加载程序分段加载，加载速度：1.5 kN/min。对试件施加3个阶段（3.5、7.0、10.5 kN）载荷并分别立即卸载后，再重新加载直至试件破坏。

ASTM E564加载方案中单向加载部分：采用力控制加载程序，分段加载，目标载荷保持一定作用时间，加载速度恒定为6 kN/min。首先对试件施加预估最大载荷10%左右的载荷，保持5 min，卸载，保持1 min，再重新加载。当加载到预估最大载荷的1/3和2/3时保持1 min后卸载，保持5 min，再继续加载，直至达到最大载荷。此方案中的预估最大载荷，参照ISO 22452加载方案中的破坏载荷。

1.3 数据记录及处理

实验过程中实时记录墙体的载荷和位移数据，包括：墙体底梁板中间部位的水平位移（图1测点2）、左右侧墙骨距底部150 mm处的垂直位移（图1测点1、测点3）、作动器作动筒的位移以及作动器载荷。以作动器载荷为墙体载荷，以测点2处的水平位移对作动器位移进行修正，作为墙体位移。

2 结果与分析

2.1 实验破坏现象

加载过程中，作动器施加给SIP墙体的侧向载荷，通过加载横梁传递给顶梁板，之后通过连接钉传到覆面板，然后通过胶层、连接钉传到侧墙骨、聚苯板芯层，再通过连接钉传到抗倾覆连接件以及底梁板，最后通过底梁板上的锚固螺栓传递给地梁。将墙体作为一个整体，作动器向墙体施加的侧向载荷，使墙体产生一个绕轴转动，转动轴即为作动器对角线处的墙角部位（图6）。在试验中所采用的3种加载协议下，墙体的破坏均是在作动器下方的墙角部位，也是墙体相对位移较大的部位开始，沿底梁板与覆面板之间的连接部位展开。位于作动器下方的抗倾覆连接件与墙体侧墙骨间的自攻螺钉在侧向载荷的作用下从侧墙骨中拔出（图3（a）），抗倾覆连接件变形其连接失效，墙体覆面板与底梁板之间只剩下钉连接，在作动器施加的侧向力作用下，作动器侧的墙骨逐渐抬升，底梁板与覆面板之间的钉连接失效，墙体承载力下降。

3种加载方式墙体的破坏情况相似，破坏部位集中在作动器侧抗倾覆连接件（图3（b））以及覆面板与底梁板之间的钉连接部位（图4（a）），而远离作动器侧的抗倾覆连接件（图3（a））、顶梁板和覆面板之间（图4（b））、侧墙骨和覆面板之间则基本保持未加载前的完好状态，两片SIP墙板之间表现出一定的整体性（图4a），但也出现较小幅度的相对错位（图5a）。墙体受力时发生破坏的部位，满足两点：1）在墙体转动时产生相对位移；2）连接薄弱，容易破坏。针对墙体受力集中的部位进行局部加固，比如，在墙体受力时容易发生位移的部位采用强度更高的规格材、减小连接钉间距等，将可有效提高墙体抵抗侧向载荷的能力。

2.2 不同加载协议下的抗侧性能

图7为3种加载协议下墙体的载荷位移曲线。可以看到，不同加载方式下墙体的极限承载力及相应位移存在明显的差别。其中，采用ISO22452加载协议时墙体的极限承载力最大，载荷位移曲线的斜率也较其他两种加载方式稍大，说明其刚度较大，在达到极限承载力后随载荷增加墙体载荷也减小最快；采用E564加载协议时墙体的极限承载力及相应位移最小，在达到极限承载力之后随位移增加墙体载荷下降较慢。

3种测试协议中，一种载荷单调增加直至试件破坏（ISO22452），一种分段对墙体进行加/卸载（E72），一种分段加/卸载，同时使各阶段目标载荷持续一定时间（E564），从表3可以看出，这3种加载方式对墙体的抗剪性能指标有较大的影响。与ISO22452加载协议下墙体的抗剪性能相比，E72协议加载墙体的初始刚度稍提高2.5%，E564协议加载墙体的初始刚度降低16.7%，这说明阶段载荷不持续作用的加卸载对墙体初始刚度的影响不大，但阶段载荷持续作用时则会造成墙体蠕变而使初始刚度下降；E72及E564加载时的极限承载力分别降低11.7%、18.8%，说明随加卸载次数增多，由于内部能耗，墙体极限承载力下降； E72加载时墙体的延性系数提高22.9%，但E564加载墙体的延性系数则降低12.1%，这说明当加卸载次数较少时可使延性系数增大，但当加卸载次数较多时，已造成墙体内部损伤而使其位移较小时就破坏。

承载能力和延性系数是结构抗震性能和安全性能的两个重要指标。极限承载力是结构或构件所能承受的最大载荷，与结构所承受的载荷形式有关。采用反复加卸载的方式对墙体施加载荷，在墙体达到极限载荷前造成了较大的内部耗能，随加卸载次数增多以及阶段载荷作用时间的延长，墙体的极限承载能力下降，故试验中采用E564协议加载墙体的极限承载力及延性系数均较采用ISO22452及E72协议加载时小。

在抗震设计中，延性系数是一个重要的指标，结构在遭受地震作用时，延性系数大的材料可以依靠自身的弹塑性变形来消耗地震能，避免结构倒塌。与单调增加的载荷作用（ISO22452）相比，多次加卸载且目标载荷不持续的加载方式（E72）所得到的延性系数较大，这是由于采用E72协议加载时，在50%载荷以上加卸载时，由于载荷较大且又反复作用，使墙体的刚度遭到破坏，从而使墙体产生较单调增加载荷作用时更大的位移，即墙体进行加卸载会使其抵抗侧向位移的能力减小，位移增大，而造成其延性系数增大；而采用多次加卸载同时目标载荷持续的加载方式（E564）的延性系数减小，这是由于在这种加载方式下，即便受到较小的载荷作用，由于阶段性目标载荷持续作用，墙体在载荷作用下已反生了部分不可恢复的位移，位移变形恢复能力变差，从而造成载荷达到50%时的位移已经较大，当载荷在50%以上继续增大，由于加载过程中墙体内部损伤累积，随位移增大及反复加卸载作用，使墙体容易出现疲劳破坏，从而造成延性系数减小。

3 结 论

采用3种不同的静力加载协议对木质OSB覆面的SIP墙体进行抗剪性能测试，墙体在不同测试协议下的破坏形式相似，但抗剪性能参数因加载协议的不同而有所区别。采用持续加载方式较反复加卸载方式得到的墙体的极限承载力大，屈服位移也大，延性系数居中。墙体测试过程中随阶段目标载荷所保持的时间越长，墙体所产生的蠕变效应增大，其极限承载力变小，极限位移也小，延性系数最小。

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（编辑 胡 玲）