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建筑技术丨轻钢-泡沫混凝土组合墙体变形性能试验
来源：admin 浏览量： 发布时间：2023-06-08 10:13:46
轻钢–泡沫混凝土组合墙体属组合结构形式，其采用冷弯薄壁C型钢制成骨架，浇筑泡沫混凝土后形成组合墙体。该墙体重量轻、强度高，且有一定的保温隔热性能，符合节能及可持续发展的要求。目前国内外开展轻钢–轻质混凝土组合墙体研究的文献较少，本研究可为轻钢–轻质混凝土组合结构体系的相关研究和推广应用提供试验依据。
1 试验设计
1.1 含钢率设计
本试验共设计3种不同的含钢率，试件的含钢率与冷弯薄壁C型钢设置间距有关，设计C型钢的间距分别为150 mm，200 mm，300 mm，其型钢含钢率分别为1.9%, 1.5%, 1.1%，即C型钢设置间距越小墙体骨架的型钢含钢率越高。
1.2 配合比设计
设计2种泡沫混凝土，密度分别为1 000 kg/m³和1 600 kg/m³，其配合比的设计方法相同。以配制1m³的泡沫混凝土为依据，其中粉煤灰质量占干粉总质量的20%，经计算得到的配合比见表1。
表1 泡沫混凝土配合比设计
1.3 试件设计
本试验共设计6个尺寸相同的墙体试件，钢材采用Q235B，型钢骨架采用冷弯薄壁C型钢，沿试件的高度方向设置横拉条和斜拉条，两种拉条均为钢板条，采用自攻螺钉与钢骨架C型钢连接，在钢骨架上浇筑泡沫混凝土形成墙体试件。试件模板尺寸如图1所示，试件各部件尺寸见表2和表3。
图1 墙体试件模板尺寸示意
（a）示意1；（b）示意2
表2 墙体试件构件尺寸
表3 组合墙体设计参数
1.4 材料性能
试验材料主要为冷弯薄壁C型钢与泡沫混凝土。冷弯薄壁C型钢采用Q235B钢材，泡沫混凝土设计密度为1 000 kg/m³和1 600 kg/m³，实测型钢和泡沫混凝土材料的力学性能参数见表4和表5。
1.5 应变片及位移计布置
应变片主要布置在钢骨架及泡沫混凝土表面上，其中在C型钢立柱的上、中、下三处布置应变片，部分横拉条及斜拉条上也布置了应变片，以便测量钢骨架的变形情况；在组合墙体两侧表面上、中、下三处布置应变片，并与C型钢立柱上布置的应变片位置相对应。位移计布置考虑墙体侧向位移情况，同时还在上下混凝土梁上布置位移计，以观察上下混凝土梁的移动及转动情况。
表4 C型钢材料性能
表5 泡沫混凝土材料性能
1.6 加载装置与加载制度
加载装置采用液压控制系统及竖向和水平作动器，对试件施加竖向压力和水平推力。试验采用分级单调加载制度，其中竖向加载采用荷载控制，按轴压比为0.3对试件施加竖向压力；水平加载采用位移控制，具体加载装置如图2所示。
图2 试件安装及加载装置
2 结果与分析
2.1 试验现象
组合墙体试件的主要差别在于C型钢含钢率不同，各试件在加载过程中试验现象基本一致。现以型钢含钢率为1.9%的Q3试件为例进行组合墙体的试验现象（图3）分析。
图3 Q3墙体试验混凝土开裂脱落
首先对试件施加竖向压力，待达到轴压比后开始施加水平推力。由于轴压比较小，施加竖向压力后组合墙体表面几乎没有变化。当施加的水平荷载较小时，墙体无明显变化；当水平荷载达到16.12 kN时，接近极限水平推力的20％左右，墙体开始出现裂缝；当水平荷载达到64.5 kN时，接近极限水平推力的80％左右，墙体表面的泡沫混凝土裂缝扩展、数量增多；当水平荷载达到74.6 kN时，墙体表面中央部位测点处应变片溢出、裂缝数量快速增加、宽度不断扩大；当水平荷载达到极限水平推力80.6 kN时，试件保护层开始脱落、斜拉条扭曲变形、自攻钉被剪断，C型钢立柱出现屈曲，试件失去继续承载能力而破坏。
2.2 荷载–侧移曲线分析
从计算机控制水平作动器的加载得到的荷载–位移曲线能够得到试件的几个关键节点，如开裂荷载、屈服荷载、极限荷载等。由荷载–位移曲线可知，在试件水平荷载加载初期，当加载较小时曲线为直线，当试件边缘出现微小裂缝后，曲线略有倾斜，此时对应的荷载为开裂荷载（接近极限荷载的20%左右），试件出现微小裂缝后其荷载–位移曲线仍接近直线，其水平荷载与位移之间近似线性关系，试件处于弹性阶段。当水平荷载增加至试件多处开裂后，曲线突然下降，之后又上升，曲线出现明显转折，表明墙体开裂、泡沫混凝土受拉退出工作，由钢骨架承担续加荷载，曲线的斜率相应减小，试件进入弹塑性阶段，此时对应的荷载值为屈服荷载值。继续增加荷载直至达到水平极限荷载时，C型钢立柱屈服和受压一侧泡沫混凝土被压碎，此时只有水平荷载不断下降才能维持平衡，试件处于破坏阶段。
试验结果表明，泡沫混凝土密度增加，试件抗水平荷载作用的能力增大，含钢率减小，试件抗水平荷载作用的能力降低。当水平荷载达到极限荷载后，6个试件的荷载–位移曲线均有明显的下降段，表明该组合墙体具有良好的延性性能。
由试件顶梁处的位移计–1，从高向下排序依次为位移计–2至位移计–5，从上到下的侧移依次减小。位移计–6至位移计–8主要观测试件在施加水平荷载过程中，底梁是否与地面发生相对滑动及转动，其实测值非常小，可忽略不计。
试验表明，试件Q1和Q4、Q3和Q6的含钢率相同，其中泡沫混凝土密度，Q1和Q3为1 000kg/m³，Q4和Q6为1 600kg/m³。在含钢率相同的情况下，泡沫混凝土密度增大，墙体的变形能力几乎没有变化，但其抗水平荷载能力提高，即提高了墙体的抗剪承载能力。
试件Q1和Q3、Q4和Q6的泡沫混凝土密度相同，其中 Q1和Q4含钢率为1.1%，Q3和Q6为1.9%，在泡沫混凝土密度不变的情况下，型钢含钢率增大，墙体的变形能力和抗剪承载能力均有所增大。
2.3 钢骨架应变分析
C型钢骨架上应变片位于试件的上部、中部和下部三处，每处均布置了水平方向和竖向的应变片。在试验初期施加轴向压力时，其各型钢立柱的竖向应变均为压应变，而水平方向均为拉应变；在施加水平推力后，各型钢立柱的竖向应变均逐渐增大，靠近作动器一侧型钢立柱的竖向应变逐渐由压应变变为拉应变，而远离作动器一侧型钢立柱的竖向压应变一直在增加，其水平方向的拉应变略有增加，且始终维持受拉状态。随着水平推力进一步增加，远离作动器一侧型钢立柱的竖向受压应变进一步增大直至屈服溢出。当泡沫混凝土受拉开裂或受压被压碎时，竖向荷载及水平推力主要由C型钢骨架承担，型钢立柱上竖向应变急剧增长，而相应的水平方向应变变大。
2.4 组合墙体表面应变分析
2.4.1 墙体中下部竖向应变分析
在施加竖向压力情况下墙体表面竖向应变均为受压，位于墙体中部的竖向应变在施加水平推力后压应变缓慢增长，墙体进入弹塑性工作阶段压应变基本稳定不变，而位于下部的竖向压应变靠近作动器一侧由压变拉，另一侧压应变继续增加直至溢出。
2.4.2 墙体中下部水平方向应变分析
在施加竖向压力情况下，墙体表面中下部水平方向应变基本为零；在施加水平推力后水平拉应变略有增长。墙体进入弹塑性工作阶段后，位于墙体中部的水平拉应变基本稳定不变，而位于下部的水平拉应变则由拉变压且增长缓慢。
3 结论
通过拟静力试验，研究和分析不同含钢率和泡沫混凝土密度情况下的轻钢与泡沫混凝土组合墙体的变形性能，得出如下结论。
（1）在施加竖向荷载时，C型钢立柱均匀受压；在施加水平推力后，各型钢立柱的竖向压应力靠近水平推力一侧由压变拉，另一侧压应力进一步增大。随着水平推力增大，泡沫混凝土逐步退出工作，墙体的抗剪承载力主要由钢骨架承担。
（2）泡沫混凝土密度对墙体的抗剪承载能力有一定影响，其密度增大墙体的抗剪承载能力提高，但对墙体的变形性能影响很小。
（3）含钢率对墙体的变形性能有一定影响，型钢含钢率增大，墙体的变形能力增大，同时墙体的抗剪承载力提高。
摘自《建筑技术》2021年10月，刘殿忠， 李红现， 武丝莹