基于不同保温形式装配式复合墙抗震性能试验研究

杨增科，黄 炜，张 敏

(1. 河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 454000；2. 西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

住宅建设作为我国的传统产业，由于长期处于粗放型的生产模式，属于高能源消耗产业，工业化程度较低，劳动生产力水平低下，结构形式相对单一，建筑质量较差，特别是住宅结构的抗震安全性及舒适性亟待提高[1-2].以西安建筑科技大学黄炜教授为首的课题组研发了装配式复合墙结构体系——一种耗能减震、生态环保、节能保温、快速建造、经济实用的装配式结构形式，其墙体力学性能及破坏形态也不同于常规的装配式剪力墙结构，如图所示[3-4].课题组针对墙体和结构两个层级已经做了很多批试验，但均没有涉及不同保温形式下墙体的工作性能.本文设计3种不同保温形式(保温砂浆外保温、XPS夹心保温、发泡水泥外保温)下装配式复合墙体试件和1榀作为对比的普通装配式复合墙体试件的拟静力试验，通过试验分析不同保温形式下墙体的破坏特征、承载能力、刚度、变形、延性、耗能等抗震性能指标，并与标准装配式复合墙体试件的抗震性能进行对比，为带保温功能的装配式复合墙体在实际工程中的应用提供依据[5-6].

图1 装配式复合墙结构示意图Fig.1 Schematic diagram of assembled composite wall structure

1 试验概况

1.1 试件设计

试件编号为HECW1、 HECW4、HECW5、HECW6，其中试件HECW1为普通装配式复合墙，作为本试验的对比试验；试件HECW4、HECW5、HECW6为带保温功能的装配式复合墙，试件设计详见表1.

4榀试件均由三部分组成——地梁、试验墙体和加载梁[5-8].地梁截面为500 mm×300 mm，长2 400 mm；墙体试件尺寸参照8度区、II类场地和地震分组第一组的12层住宅底层剪力墙体，原型层高3.0 m，楼板厚度100 mm，其中：暗梁200 mm×300 mm，墙板高2 700 mm，墙厚200 mm，墙长2 800 mm.试件墙体按照几何相似比例1/2进行设计.

表1 试件设计Tab.1 Design of specimen

1.2 试验方法

1.2.1 加载装置

加载装置示意图及试验现场照片如图2.试验采用2 000 kN液压千斤顶施加轴力，千斤顶可随试件水平位移而移动，保持轴力竖直向下；采用1 000 kN液压千斤顶施加往复水平力.

图2 试验加载装置示意图及现场照片Fig.2 Schematic diagram of test loading device and the field photo

1.2.2 加载方案

1)加载方法

(1)竖向加载：以实际工程12层住宅底层剪力墙体的压应力计算轴向压力，轴压比控制为0.3，并换算至试验墙体.模型竖向荷载取值350kN，一次施加分配于加载梁上，直至竖向荷载稳定.

(2)水平加载：待竖向荷载稳定后，液压作动器借助反力墙对墙体顶部逐级施加水平荷载.

2)加载制度

试件HECWI、HECW4、HECW5、HECW6采取低周反复加载，竖载通过千斤顶加在分配梁上，经二次分配后加在肋柱上；竖向稳定后加水平荷载，水平荷载通过反力墙,借助液压作动器对墙体顶部施加，水平荷载每级10 kN，每级循环一次,试件屈服后,以相同位移循环一次，进入位移控制阶段，每级递增2 mm，同位移下每级循环3次.当水平荷载下降到极限荷载的85%或试验不能继续承载时，认为试件已破坏，试验停止加载[8-10].

1.3 试验现象

以HECW1为标准试件，在试验过程中对比分析带保温功能的装配式复合墙，墙体极限状态时裂缝总结得出以下几点结论：

(1)4榀试件承重结构的破坏形态基本接近，均表现为墙体受弯、剪双重作用破坏，墙板以剪切破坏为主，框架柱呈弯曲破坏，复合墙体受力均经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段.

(2)相比标准试件，试件HECW4的开裂荷载提高了2.2倍，极限荷载提高了20%，试件HECW5的开裂荷载提高了1.4倍，极限荷载提高了15%，试件HECW6的开裂荷载提高了1.8倍，极限荷载提高了15%，说明外墙保温层能够影响装配式复合墙的承载能力；试验现象表明，带保温的装配式复合墙的墙身裂缝宽度均小于装配式复合墙的裂缝宽度，说明由于蒙皮效应保温层对墙身裂缝开展具有一定程度的抑制作用，结构层和保温层整体性良好，能够很好协同工作.

(3)不同保温形式的保温面层裂缝开展情况不同，保温砂浆保温面层裂缝开展均匀，有大量的交叉斜裂缝，破坏时，耐碱网格布撕裂，整个面层有整体脱落的趋势；夹心保温面层沿45度的斜对角线上出现交叉斜裂缝，破坏时，裂缝宽度达5 mm；发泡水泥保温面层有少量的细小裂缝产生，破坏时，整个面层与基体的裂缝宽度达4 mm.

2 抗震性能分析

2.1 滞回曲线

图3 试验墙体滞回曲线Fig.3 Hysteresis curve of test wall

4榀试件的滞回曲线如图3所示.从4榀试件的滞回曲线对比分析可以得出以下特征：

(1)加载的初始阶段，试件整体好，滞回曲线基本上是线性的，刚度值基本一致.随着荷载的增大，滞回曲线逐渐呈现梭形，滞回环的面积逐渐增加，有一定的残余变形，随着荷载的增加，滞回曲线拱起，呈现“捏拢”.在弹塑性阶段，滞回环逐渐拱起，随着位移控制的增加，滞回曲线逐渐向反“S”形过渡，各个墙体的滞回曲线表现的“捏拢”现象各有不同，试件HECW4和HECW5更为明显的反映抗剪应力的作用及锚固滑移.

(2)试件在达到极限荷载后，四片墙体的承载力均下降较快，但到一定程度后,趋于稳定，位移增长巨大，表现出良好的延性；此后以大位移循环时，由于砌块和混凝土的剥落、钢筋的屈服，刚度衰减较快，滑移现象已非常突出，卸载刚度的退化较快，滞回环中部的捏缩现象越来越明显.

(3)试件HECW6的滞回曲线与试件HECW1的相比略显饱满，可见经过发泡水泥处理的外保温装配式复合墙其耗能能力较HECW1提高，发泡水泥面层可以起到提高抗剪、延缓开裂、提升构件整体耗能能力的作用.

(4)试件HECW4和HECW5滞回曲线与试件HECW1相比滞回曲线的饱满程度明显下降，说明试件HECW4和HECW5的耗能能力有所下降.

2.2 骨架曲线

4榀墙体的骨架曲线如图4所示.从4榀试件的骨架曲线对比分析可以得出以下特征：

(1)在低周反复荷载作用下，图示骨架曲线上具有明显的开裂点、屈服点、最大荷载点和极限位移点，墙体的受力经历了弹性、弹塑性和极限三个破坏阶段.

(2)4榀试件的骨架曲线整体形状接近，水平承载力达到峰值荷载后，试件HECW4-HECW6和试件HECW1相比有比较平缓的下降段，水平承载力均下降不大，最后试验结束均为试件严重破坏，位移角接近1/60不能继续加载而结束；

(3)在试件开裂前骨架曲线基本上呈直线段上升，达到极限荷载后下降比较缓慢，说明试件均具有较好的变形和耗能能力.

通过对比可看出，保温承重一体化复合墙体的极限承载力与普通装配式复合墙体相比提高了许多，特别是试件HECW4提高了20%，与普通装配式复合墙相比，达到极限荷载后其骨架曲线下降相对比较平缓.

图4 试件骨架曲线对比Fig.4 Comparison of the skeleton curves of the specimens

2.3 特征荷载及特征位移

4榀墙体的开裂点、屈服点、峰值荷载点和极限荷载点的特征荷载及相应特征位移[12-13]如表2所示.

表2 特征荷载及特征位移Tab.2 Characteristic load and characteristic displacement

HECW4、HECW5、HECW6试件的各阶段标志性荷载较HECW-1均有所提高，其中HECW4开裂荷载增幅达48.1%，屈服荷载增幅为21.2%，峰值荷载增幅为19.1%，极限荷载增幅为19.5%；HECW5开裂荷载增幅达15.1%，屈服荷载增幅为11.2%，峰值荷载增幅为18.6%，极限荷载增幅为18.3%；HECW6开裂荷载增幅为29.7%，屈服荷载增幅为7.5%，但峰值荷载增幅为18.1%，极限荷载增幅为18.3%.结果表明，本文所采用的保温砂浆外保温、夹心保温、发泡水泥外保温做法，对墙板的极限荷载影响不大，但能够延迟墙体开裂和提高墙体防抗倒塌能力.

2.4 位移延性和相对变形值

相对变形值[13-14]定义为Δ/H，其中Δ是墙体顶端的侧向位移，H为混凝土墙体的高度，当位移角接近1/60时，试件虽然没有完全破坏，但是平面外有出现失稳现象，为安全考虑，判定试验结束.延性系数和相对变形值如表3.

表3 延性系数和相对变形值Tab.3 Ductility coefficient and relative deformation value

(1)延性系数从大到小分别是HECW4、HECW6、HECW1、HECW5，保温砂浆外保温墙体HECW4的延性最优，夹心保温HECW5的延性系数较HECW1略低因此保温形式对墙体延性产生影响.

(2)开裂时，HECW4的相对变形值近似1/900，其余3榀墙体的相对变形值在1/755～1/600之间，试件在后期以较大位移循环加载过程中，填充砌块出现表皮大面积剥落、灰缝大量破坏，当加强肋钢筋屈服时，仍能继续承担大部分竖向荷载，直到加载结束时，4榀墙体均未出现整体倒塌现象，可见试件墙体具有较好的弹塑性变形能力以及良好的抗倒塌能力.

2.5 刚度退化

4榀墙体的平均刚度退化曲线如图5所示，图中的横坐标为混凝土墙体的顶点平均位移，纵坐标为平均刚度[13-15].

图5 试件刚度退化图Fig.5 Stiffness degradation of specimen

对比退化曲线图可知：

(1)与HECW1(标准墙体)相比，HECW4(保温砂浆)、HECW5(夹心保温)、HECW6(发泡水泥)的初始刚度分别为标准墙体初始刚度的2.06倍、1.6倍、1.3倍,由此可见墙体的初始刚度与保温材料的性能、保温构造形式都相关.

(2)与HECW1相比，HECW4(保温砂浆)、HECW5(夹心保温)、HECW6(发泡水泥)的刚度衰减曲线相差不大,总体趋势是开始刚度衰减很快,后来随着位移的增大逐步减缓,最后趋于平缓.

2.6 耗能能力

4榀墙体的等效粘滞阻尼系数见表4.可以看出：

(1)在开裂阶段，由于4榀墙体处于弹性工作状态，力和位移之间基本呈线性变化，滞回环包围的面积很小，普通装配式复合墙体等效粘滞阻尼系数略微大于带保温的装配式复合墙体.

(2)从开裂阶段到峰值阶段，由于构件损伤的累积，等效粘滞阻尼系数均有不同程度的增大，耗能能力也逐渐上升，带保温的装配式复合墙有更强的耗能能力，尤其是发泡水泥处理的外墙保温；但从峰值阶段到破坏阶段，带保温的装配式等效粘滞阻尼系数有减小的趋势，耗能能力减弱，XPS夹心保温尤为明显.

表4 延性系数和相对变形值Tab.4 Ductility coefficient and relative deformation value

3 结语

通过对3榀保温承重一体化复合墙体(纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温、XPS夹芯保温、发泡水泥外保温)与1榀普通装配式复合墙体进行1/2比例模型同尺寸拟静力试验，研究保温承重一体化复合墙体的受力特点及破坏机制，对比不同保温材料的保温承重一体化复合墙体的承载力、滞回特性、延性、刚度退化和耗能等抗震性能指标.试验结果表明：4榀墙体在破坏阶段具有较强的抗倒塌性，破坏形式均为弯剪型破坏，保温承重一体化复合墙体有更强的耗能能力，尤其是纤维增强EPS保温砂浆夹芯保温复合墙体，其标志性荷载值明显高于其他墙体，夹芯保温层对墙身裂缝开展具有一定程度的抑制作用，内叶墙板与保温层系统能够相互作用，整体性能良好.

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