冷弯薄壁型钢骨架粉煤灰陶粒混凝土墙板的抗压性能研究

武京，王庆华，李贝娜

（吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130061）

0 引言

随着我国建筑节能这一可持续发展战略要求的不断提高[1]，以及2016年出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》后国家对装配式建筑的大力倡导，新型节能建筑墙板不断发展完善，具有承重功能的轻质复合墙板便是其中一个重要分支，轻型钢骨架墙板通过对骨架进行优化设计和合理布置，能充分发挥其承载能力[2]，而且便于工业化生产，符合装配式建筑的要求。钢框架结构抗侧刚度低[3]，而填充混凝土的钢骨架能有效提高结构构件的刚度，本文研究一种冷弯薄壁型钢骨架粉煤灰陶粒混凝土墙板的抗压性能，为此类墙板的应用发展提供参考。

1 冷弯薄壁型钢骨架粉煤灰陶粒混凝土墙板的构造

墙板由冷弯薄壁型钢骨架和包裹骨架的轻骨料混凝土组成，墙板尺寸为1200 mm×600 mm×150 mm，型钢骨架尺寸为1000mm×500mm×50mm，型钢骨架组成包括：［50mm×25 mm×1 mm槽钢立柱、水平放置于骨架中部的［48 mm×25 mm×1 mm槽钢横撑、放置于型钢骨架上下两端的L25 mm×25 mm×1 mmL形钢横撑；布置于型钢骨架内部的Φ10带肋钢筋。轻骨料混凝土为掺加EPS颗粒的陶粒混凝土，强度等级为C25，配合比为m（水泥）∶m（水）∶m（粉煤灰）∶m（粉煤灰陶粒）∶m（EPS颗粒）∶m（砂）∶m（减水剂）=1∶0.3632∶0.3∶1.15∶0.0028∶1.22∶0.0055，导热系数为0.66 W/（m·K），干表观密度为1785 kg/m3，型钢骨架构造如图1所示，墙板构造如图2所示，墙板侧面标号包括两个I面（I1、I2面）和两个J面（J1、J2面）。

图1 型钢骨架构造

图2 墙板构造

2 冷弯薄壁型钢骨架粉煤灰陶粒混凝土墙板抗压试验

根据墙板构造制作相应尺寸的模具，然后在其中浇筑墙板试件，拆模后进行洒水养护，养护完成后将其表面刷白以便在试验中观察裂缝开展情况。

2.1 试验加载

抗压试验包括轴压和偏压2种试验，每种试验制作2块墙板，加载设备为JYW-2000型压力试验机。加载时，先预加载至10 kN，持荷2 min，使压力机、钢板（或刀铰）和墙板相互之间挤压密实，之后逐级加载，每级100 kN，持荷5 min，直至试件破坏。偏压加载试验中，加载位置距墙板I1面50 mm，试验加载如图3所示。

图3 墙板受压试验

2.2 墙板强度分析

根据墙板轴压、偏压试验数据得到荷载-位移曲线如图4所示，典型试验数据如表1所示，墙体加载破坏如图5所示。

图4 墙板荷载-位移曲线

表1 墙板抗压试验典型数据

由图4和表1可以看出，墙板在偏压试验时极限荷载Fu为1150.96 kN，较轴压时的极限荷载1419.06 kN降低18.9%，而二者极限荷载对应的位移十分接近。轴压和偏压的荷载-位移曲线变化趋势类似，都可分为以下5个阶段：

OA段：从开始加载到A点（大致0.45Fu），墙板表面未出现明显裂缝，荷载和位移成正比例关系，混凝土与型钢骨架均处于弹性变形阶段，此阶段墙板如图5（a）所示。

AB段：荷载继续增加至B点以前，墙板侧面上、下端开始出现裂缝并逐渐向墙板中部发展，荷载-位移曲线斜率减小，位移变化幅度增大，墙板产生塑性变形，此阶段墙板如图5（b）所示。

BC段：加载至B点，墙板试件达到其极限承载力Fu，轴压试件极限承载力为1419.06 kN，其对应位移为2.98 mm，偏压试件极限承载力为1150.96 kN，位移为3.00 mm，轴压墙板I1面和I2面混凝土竖向裂缝贯通，偏压墙板I1面混凝土竖向裂缝贯通。由于贯通裂缝的产生，部分混凝土退出工作，墙板变形不断加大，承载力开始下降，此阶段墙板如图5（c）所示。

图5 墙板加载破坏

CD段：至C点时，轴压荷载下降至0.94Fu，产生位移3.11 mm，偏压荷载下降至0.86Fu，产生位移3.45 mm，过C点后，墙板的承载力回升，但上升幅度不大，此阶段墙板表面裂缝发展减缓，此阶段墙板如图5（d）所示。

D点之后：到D点时，轴压荷载为极限荷载的97%，位移为3.46 mm，偏压荷载为极限荷载的95%，位移为4.05 mm，这一阶段承载力开始再次下降，墙板侧面表面裂缝扩展加快，I面产生水平裂缝并不断扩展最终和J面竖向裂缝连接，部分混凝土脱落，混凝土对型钢骨架的约束进一步减弱，墙板承载能力不断降低并最终破坏，此时轴压位移为4.51 mm，偏压位移为5.20 mm，此阶段墙板如图5（e）所示。

2.3 墙板刚度的计算

2.3.1 轴压刚度计算公式

根据参考文献[1]，可得材料刚度计算公式为：

式中：K——材料刚度，kN/mm；

N——施加荷载，kN；

Δl——轴向变形，mm；

E——材料的弹性模量，MPa；

A——构件的截面面积，mm2；

l——构件轴向长度，mm。

本文研究的是嵌套型钢骨架的墙板，根据墙板构造，将其分为上、中、下3个部分，上、下为不含型钢骨架的素混凝土，高h1=100 mm，中间部分为型钢骨架和混凝土的联合体，高h2=1000 mm，总高度为h=2h1+h2。假设在弹性阶段型钢骨架和混凝土之间不发生相对滑动，根据式（1）可得该墙板的理论刚度计算公式为：

式中：K板0——墙板刚度，kN/mm；

Ec——墙板所用混凝土的弹性模量，MPa；

A——墙板轴压方向上的截面面积，mm2；

α——型钢骨架与混凝土刚度比，即为（ESAS）/（EcA），ES为钢材弹性模量（MPa），AS为型钢骨架轴向截面面积（mm2）。

计算中由于型钢骨架所占墙板面积比例不到0.34%，为计算方便，墙板中部联合体混凝土横截面面积大小近似看作墙板横截面面积，由于试验存在偶然性，数据离散性也较大，应对轴压刚度计算公式进行修正，乘以修正系数ξ后，应使计算结果偏于安全，由此该类墙板结构轴压刚度计算公式为：

2.3.2 偏压刚度计算公式

偏压刚度计算中墙板受力可看做为受一轴力和弯矩作用，而其刚度计算在本文中为墙板受力点处的荷载位移比值，与试验数据对应，便于理解分析。结合轴压刚度计算过程，在受弯矩作用时，墙板可看做一端固定一端自由的悬臂结构，该结构在受弯矩M作用时的顶端转角为：

式中：I——墙板截面惯性矩，mm4。

由式（2）可得本文中的型钢骨架墙板的弹性模量E为：

式中：η——素混凝土高度和墙板高度之比，即2h1/h。

设在受弯矩M作用时，墙板轴线的竖向变形值大小为0，构件轴向变形仅由轴力引起，由转角引起的墙板受力处竖向变形位移大小为：

式中：e——荷载在墙板上作用位置与中轴线的距离，因此，M=Ne，kN·mm。

轴向压力作用下墙板的位移大小为：

由式（6）、（7）可计算出墙板在偏心压力N作用下的位移值：

因此，偏心受压下墙板的理论刚度为：

式中：χ——墙板偏心矩和偏心矩方向上截面惯性半径的比值，即 e/i。

与轴压试验相同，可根据数据结果确定偏压刚度计算公式的修正系数ξ，因此该类墙板结构偏压刚度计算公式为：

2.3.3 墙板受压刚度的计算

墙板试件尺寸为1200 mm×600 mm×150 mm，试验测得混凝土弹性模量为1.2×104MPa，钢材弹性模量为2.06×105MPa，偏心加载试验时偏心矩大小为25 mm，轴压试验可看作偏心矩为0的偏压试验，利用式（2）和公式（9）计算出墙板刚度理论值以及根据试验数据计算出墙板刚度试验值，结果见表2。

表2 墙板刚度的计算值与试验值

由于实际情况中可能存在的系统误差、偶然误差等影响，根据表2对理论计算结果进行修正，修正后的墙板刚度如表3所示。

表3 修正后墙板刚度

由式（2）和式（9）可知，当式（9）中 e=0时，偏压刚度与轴压刚度计算结果相同，因此，在刚度计算中可将轴压看做偏心矩为0的偏压情况，结合修正系数后得到墙板刚度统一的计算公式为：

在轴压、偏压试验中唯一变量即为偏心矩e，且由表3可知修正系数变化不大，因此，在小偏心范围内，偏心矩与修正系数ξ之间存在相关关系，为保证量纲一致和公式通用性，可看做修正系数ξ和χ之间存在线性相关关系，由表3计算可知该相关关系为：

将式（12）代入式（11）中，最终得到型钢骨架墙板刚度计算公式：

3 结 论

（1）从墙板抗压试验可知，墙板偏压25 mm时的极限荷载较轴压时的极限荷载降低18.9%，二者极限荷载对应位移大小大致相同。

（2）墙板轴压和偏压时的荷载-位移曲线均可分为5个阶段，OA段（0~0.45Fu）墙板所受荷载和位移之间成正比例关系，为弹性阶段；AB段随荷载增加位移变化较弹性阶段要大，墙板产生塑性变形，裂缝在墙板侧面端部产生并逐渐向中部发展；BC段，加载到B点，轴压墙板侧面、偏压墙板距离荷载较近的侧面裂缝贯通，墙板达到极限承载力Fu，之后墙板承载力不断下降；CD段，加载到C点荷载下降到0.94Fu，之后墙板承载力回升，但上升幅度较小；D点之后，加载到D点荷载上升到0.97Fu，之后墙板承载能力下降直至破坏。

（3）提出此类型钢骨架墙板刚度的计算公式，该公式可为不同墙板尺寸、不同骨架构造以及不同偏心受压距离下的墙板刚度计算提供参考，并有助于该类型墙柱体系的轴向性能研究。