水泥聚苯模壳格构式混凝土墙体抗震性能的芯孔尺寸影响试验研究

李小军 曹鑫雨 唐柏赞

摘要：为研究芯孔尺寸对传统型水泥聚苯模壳（EPSC）格构式混凝土墙体抗震性能的影响，对2个传统型EPSC格构式混凝土墙体原型试件进行低周往复荷载试验，2个试件芯孔直径分别为160 mm和120 mm;对比分析了2个试件的破坏特征和承载力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化等抗震性能。结果表明：芯孔直径大的复合墙体具有更优良的抗震性能;芯孔直径增加，复合墙体的承载力、抗侧刚度和耗能能力均有不同程度的提高。

关键词：芯孔尺寸;水泥聚苯模壳（EPSC）;格构式混凝土墙体;拟静力试验;抗震性能

中图分类号：P315.924;TU398 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2022）01-0001-07doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2022.0001

0 引言

水泥聚苯模殼（EPSC）格构式混凝土墙体是一种保温结构一体化免拆模墙体。EPSC是以废弃聚苯颗粒为基础，按一定比例加入外加剂、水泥和水，由工业化生产制作而成。EPSC规格多样，不仅满足实际工程施工需要，也符合国家建筑节能的不同要求。国家大力提倡农村危房改造，推进村镇建筑节能（国务院，2017;宗边，2018;马勀，2021）。EPSC格构式混凝土墙体集保温、承重、耐火、环保等优点于一体（CECS 173：2004），在村镇低层和多层建筑中具有广阔的应用前景。

国内外学者已对格构式混凝土墙体的抗震性能进行了一些研究。如Dusicka和Kay（2011）对芯孔直径约160 mm，格构梁（水平向构件）、格构柱（竖向构件）间距约400 mm的格构式混凝土墙体进行水平往复荷载试验，探究其失效模式和抗震性能。孙建超等（2002）、王奇等（2004）分别对混凝土墙厚120 mm和150 mm的保温砌模混凝土墙抗震性能进行拟静力试验研究，对此类墙体抗剪承载力计算方法进行探究;张微敬等（2011）调整墙体网格尺寸为400 mm×400 mm，研发了适用于低多层住宅建筑的大网格混凝土剪力墙。曹万林等（2015a，b）、张勇波等（2015）、周中一等（2016）提出了混凝土墙厚为130 mm的异形边框保温模块单排配筋再生混凝土剪力墙体系，并进行了一系列水平往复荷载试验，为该墙体在村镇低多层建筑中的应用提供支撑。曹启坤等（2018）使用ANSYS软件建立了芯孔直径分别为140、160、180和200 mm的格构式墙体结构，研究芯孔直径对高层结构加速度、位移响应的影响，拓宽了格构式墙体的芯孔直径限值、适用性以及建筑高度。韩文龙等（2020）采用水平往复荷载试验方式对3片预制空心板剪力墙的抗震性能进行研究，发现该墙体弹塑性变形满足剪力墙罕遇地震作用下的规定。Tang等（2017，2019）、唐柏赞等（2020）使用芯孔直径为160 mm的EPSC格构式混凝土墙体，进行了EPSC格构式混凝土填充墙-钢筋混凝土框架结构的振动台试验，发现此类墙体做填充墙使用时，整体结构抗震性能良好。李振宝等（2021）通过试验研究预制立群混凝土空心墙板轴心受压性能，发现其受压承载力高达6 000 kN左右。

为拓展EPSC格构式混凝土墙体在村镇建筑中的应用，本文分别对芯孔直径分别为120 mm和160 mm的原型EPSC格构式墙体试件进行低周往复荷载试验，对比分析芯孔直径对EPSC格构式墙体破坏模式及滞回性能、承载力、刚度退化、耗能等抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共设计了2个芯孔直径不同的传统EPSC格构式混凝土墙体原型试件，试件编号分别为W1、W2，墙体试件变化参数为芯孔直径。EPSC单元及其尺寸如图1所示，试件详细尺寸和配筋如图2所示，墙体厚度由墙体骨架（格构梁柱）厚度和具有保温模板功能的EPSC厚度共同构成，如图3所示。如厚度为210 mm的墙体试件W1，其芯孔直径为120 mm、两侧EPSC厚度均为45 mm;厚度为250 mm的墙体试件W2，其芯孔直径为160 mm、两侧EPSC厚度均为45 mm。两试件格构梁（柱）中心间距均为300 mm，试件主要参数见表1。EPSC格构式混凝土墙体所用混凝土设计等级均为C20，试验前室内实测混凝土立方体抗压强度fcu为20.8 MPa（表1）。EPSC材料性能见表2，墙体钢筋均采用HRB335级，钢筋力学性能见表3。

1.2 加载装置

试验加载装置如图4所示，主要包括加载钢架、千斤顶、油压控制系统等水平向加载装置和竖向加载装置。水平向加载装置用以模拟地震作用，水平荷载通过作动器施加到加载梁横截面形心处。竖向加载装置用以模拟结构上部荷载，通过1个液压千斤顶将竖向荷载垂直施加到试件加载梁顶的分配梁上，并在试验过程中保持轴压比0.1不变。通过高强地锚螺栓将试件基础梁与试验装置基础相连，防止试件在加载过程中剪切滑移。在基础梁上布置水平向位移计用以监测加载过程中基础梁滑移。

1.3 加载制度

试验采用拟静力试验方法，保持竖向荷载恒定，水平往复荷载作用于加载梁一端。按照《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101—2015）的建议，水平荷载采用力-位移混合控制加载。试件屈服前采用荷载控制方式进行加载，以10 kN为级差，每级荷载循环1次;试件屈服后，采用位移控制方式进行加载，加载步距为屈服荷载的倍数。水平荷载降至试件峰值荷载的85%或试件无法安全加载时，停止加载。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态与裂缝分布

试件W1加载至30 kN时，墙体中下部首先出现水平向短裂缝;加载至50 kN时可听到墙体有“沙沙”声。随加载进行，墙体角部出现斜裂缝并向墙体中间延伸，交叉裂缝数量增加，裂缝位置由墙体中下部逐渐向墙体中上部移动。当位移δ达到10.18 mm（θ=0.727%）时，墙面沿墙体对角方向突然形成多条斜裂缝，墙体上中下部均有分布。当位移δ达到11.17 mm（θ=0.798%）时，边柱根部小块EPSC因受挤压边缘破碎。试件最终破坏形态如图5a所示，表现出剪切型破坏特征。gzslib202204012136

试件W2加载至40 kN时，墙体中下部首先出现水平向裂缝，裂缝出现时间较试件W1的延后，说明芯孔直径增加，可延缓墙面裂缝的出现;加载至70 kN时才听到墙体有“沙沙”声，说明芯孔直径增加，可延缓EPSC损伤发展。随加载的进行，试件W2墙面裂缝发展与W1的具有一致性规律，由墙体中下部向中上部发展，且斜裂缝逐渐增加。当位移δ达到11.04 mm（θ=0.789 %）时，墙面中部有数条斜裂缝产生，已有裂缝宽度增加，墙体侧面根部有小块EPSC因受挤压边缘破碎。试件最终破坏形态如图5b所示，同样表现为剪切型破坏特征。

2.2 滞回曲线

试件W1、W2加载点处水平荷载-位移（F-δ）滞回曲线如图6所示，2个试件滞回曲线对称性良好。2个试件开裂前荷载-位移曲线均基本为直线，加载和卸载曲线基本重合。随水平荷载增加，墙面裂缝延伸，钢筋屈服，试件滞回环面积逐渐增加。随加载不断进行，裂缝充分开展，墙面形成数个“X”型裂缝，试件刚度退化明显，滞回环残余变形增加，滞回曲线“捏拢”现象在加载后期逐渐严重。试件W2较W1芯孔直径增加，裂缝出现延缓且墙体EPSC损伤进程延缓。

2.3 骨架曲线

试件加载点处水平荷载-位移（F-δ）骨架曲线如图7所示。加载初期，试件W2的初始刚度高于W1，表明芯孔直径增加可提高复合墙体的初始刚度。随着荷载增加，各试件墙面出现裂缝，试件刚度逐渐退化，2个试件的骨架曲线逐渐分开。在相同位移作用下，试件W2的骨架曲线位于W1骨架曲线上侧，表明芯孔直径增加对试件刚度退化起到延缓作用并提高了复合墙体的承载力。

本文采用能量法（Guo，2014）计算试件屈服荷载Fy。2个试件骨架曲线上各特征点荷载值见表4。其中，相对值为某一阶段下各试件特征点荷载值与试件W1特征点荷载值的比值。与试件W1相比，W2各特征点荷载值均有不同程度的提高：试件W2的相对值在开裂荷载阶段为1.331，在屈服荷载阶段为1.135，在破坏荷载阶段为1.143。以上表明配筋不变的情况下，芯孔直径增加可以抑制EPSC格构式混凝土墙体的开裂，延缓此类复合墙体损伤破坏发展。

2.4 刚度退化

本文以试件平均割线刚度随加载点位移变化曲线表征试件在水平往复荷载作用下的刚度退化规律。试件平均割线刚度-加载点位移（K-δ）曲线如图8a所示。由图可知：加载初期，试件W2初始刚度大于W1，是其1.39倍，表明芯孔直径由120 mm增加到160 mm，可明显提高此类复合墙体的初始刚度。随试件水平位移增加，墙体裂缝产生、延伸，墙体出现损伤，各试件刚度退化明显并最终趋于稳定。试件W2比W1具有更高的割线刚度。试验结果表明，芯孔直径增加，可使试件刚度退化减缓，使复合墙体的损伤破坏延缓。

2.5 耗能能力

以累积滞回耗能为标准，对比分析各试件耗能能力。试件累积滞回耗能-加载点位移（E-δ）曲线如图8b所示，试件破坏前一级荷载作用下各试件累积耗能值列于表5。由图8b和表5可知：①相同位移作用下，试件W2的累積滞回耗能大于W1;②试件W2的累积滞回耗能是W1的1.14倍，表明增加芯孔直径可提高复合墙体的耗能能力。

3 结论

为拓展EPSC格构式混凝土墙体在村镇建筑中的应用，本文开展了芯孔直径分别为160 mm和120 mm的2个传统型EPSC格构式混凝土墙体原型试件的抗震性能试验，基于试验现象和数据分析，得到了以下结论：

（1）不同芯孔直径的试件裂缝发展和损伤破坏规律基本一致，均表现为剪切型破坏特征。芯孔直径增加，EPSC格构式混凝土损伤破坏进程延缓。

（2）配筋不变，芯孔直径增加，EPSC格构式混凝土墙体的承载力、初始刚度、耗能能力均有不同程度的提高。由于芯孔直径增加导致试验模型配筋率的降低，对墙体抗震性能将存在一定的影响，这一问题有待进一步研究。由本文分析可以推测，如果保持相同配筋率，芯孔直径增加会进一步提高墙体的抗震性能。

（3）复合墙体的初始抗侧刚度和承载力主要由芯孔内的钢筋混凝土骨架承担;复合墙体的耗能由EPSC和芯孔内钢筋混凝土骨架共同完成。

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Experimental Study on the Influence of Core Hole Size on theSeismic Performance of Expansive PolystyreneGranule Cement Latticed Concrete Wall

LI Xiaojun1，2，CAO Xinyu1，TANG Baizan3

（1.Faculty of Architecture，Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

（2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

（3.Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

Abstract

In order to study the influence of the core-hole size on the seismic performance of the traditional expansive polystyrene granule cement（EPSC）latticed concrete walls，two traditional EPSC latticed concrete walls are subjected to lateral cyclic loading.The core-hole diameters of the specimens are 160 mm and 120 mm respectively.By the test，the failure mode and bearing capacity，hysteresis curve，skeleton curve，stiffness degradation and other seismic performance of each specimen were compared.The results show that the composite wall with a large core-hole diameter has better seismic performance;as the core-hole diameter increases，the bearing capacity，lateral stiffness and energy dissipation capacity of the composite wall improve to some degree.