新型節(jié)能墻板承載力研究*

劉 偉 張藝露 席 位

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)民主要以種植玉米、水稻、小麥等農(nóng)作物為生.據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)的農(nóng)作物秸稈資源擁有量居世界首位.但對(duì)剩余秸稈處理難的問(wèn)題也十分突出.為了方便第二年的耕種,農(nóng)民往往將秸稈一燒了之,如此一來(lái),既污染了環(huán)境,又浪費(fèi)了資源.眾所周知,目前，現(xiàn)有的墻體材料種類繁多,但真正能應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的卻很少.現(xiàn)階段能應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的墻體材料主要有蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(ALC板)、上海伊通板、加氣混凝土砌塊以及節(jié)能復(fù)合墻板等,但仍有許多問(wèn)題值得深入研究[1-4].秸稈是一種保溫性能非常好的材料,并且是一種每年可再生的資源,倘若把這種材料應(yīng)用于建材領(lǐng)域,研究節(jié)能立廢的新型墻體材料,這不僅促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑工業(yè)化快速發(fā)展,而且對(duì)節(jié)約能源、減少環(huán)境污染具有重要意義[5-7].為此,本文依據(jù)前期研究成果,利用秸稈混凝土制作墻板,對(duì)橫向荷載作用下墻板表面的秸稈混凝土、板內(nèi)鋼筋的應(yīng)變規(guī)律,墻板的撓度變化、破壞過(guò)程等進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 墻板設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

1.1 墻板設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)制作的試件與實(shí)際構(gòu)件比例為1∶2,板內(nèi)采用雙側(cè)配筋,墻板配筋及形狀見(jiàn)圖1.

圖1 墻板配筋構(gòu)造

墻板尺寸、鋼筋型號(hào)及配筋間距等基本參數(shù)見(jiàn)表1.

表1中墻板的秸稈混凝土實(shí)測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度為8.59MPa,彈性模量為3 895MPa,泊松比為0.235;鋼筋實(shí)測(cè)彈性模量為12.21GPa,抗拉極限強(qiáng)度為410.078MPa,屈服強(qiáng)度為264.325MPa.

表1 墻板的基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要測(cè)定墻板的開(kāi)裂荷載、極限荷載、裂縫特征及撓度變化等.在每塊板底面每邊跨中位置及板底中心位置均加設(shè)了位移計(jì),墻板撓度測(cè)點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖2(a).板面秸稈混凝土應(yīng)變值和板內(nèi)鋼筋應(yīng)變值采用60點(diǎn)應(yīng)變測(cè)試儀采集數(shù)據(jù),板面秸稈混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2(b),板內(nèi)鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2(c).

(a) 撓度測(cè)點(diǎn)分布 (b) 秸稈混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布 (c) 鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)分布圖2 測(cè)點(diǎn)分布

本試驗(yàn)墻板個(gè)角簡(jiǎn)支在支座上,采用單調(diào)加載方式,加載裝置采用60t液壓儀,通過(guò)放在板面上的型鋼及鋼板傳遞對(duì)墻板施加均布荷載,具體見(jiàn)圖3.由于墻板自重的存在,且在加載前墻板已完成預(yù)加載，預(yù)加載的目的在于使構(gòu)件各部位接觸良好,荷載變形關(guān)系趨于穩(wěn)定,以及觀察全部?jī)x表工作是否正常等.試驗(yàn)采用分級(jí)加載,每級(jí)加載10kN/m2,加載后停歇15min.

圖3 墻板加載

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程及破壞形態(tài)

1#墻板上下兩層鋼筋網(wǎng)為Φ6@160,當(dāng)加載至70kN/m2時(shí),墻板在每邊跨中位置出現(xiàn)幾道細(xì)小的裂縫,隨著荷載的增加,細(xì)小的裂縫逐漸增多,最初的幾道裂縫寬度逐漸變大,長(zhǎng)度增加,最后形成貫穿整個(gè)板面的通縫,其破壞形態(tài)見(jiàn)圖4(a).

2#墻板上下兩層鋼筋網(wǎng)為Φ6@120,當(dāng)加載至80kN/m2時(shí),其裂縫發(fā)展趨勢(shì)與1#墻板一樣,也是在每邊跨中位置開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的裂縫,不同的是裂縫的發(fā)展速度相對(duì)緩慢,隨著荷載的增加,板的底層形成貫穿整個(gè)板面的通縫,同時(shí)發(fā)現(xiàn)在支座處板的側(cè)面出現(xiàn)斜裂縫，這是因?yàn)闄M向荷載的增加使支座處的秸稈混凝土承受的剪應(yīng)力增大,導(dǎo)致其發(fā)生沖切破壞所致.其破壞形態(tài)見(jiàn)圖4(b).

結(jié)果表明:兩塊墻板破壞時(shí),裂縫細(xì)而密,延性較好,均屬于延性破壞.隨著鋼筋間距的減小,墻板承壓能力增強(qiáng),緩解了板的裂縫發(fā)展速度.但是,隨著荷載的繼續(xù)增大,支座處的秸稈混凝土可能會(huì)發(fā)生沖切破壞.由此可說(shuō)明,隨著鋼筋間距的增加,并不一定會(huì)顯著增加墻板的承壓能力.

(a) 1#板破壞形態(tài) (b) 2#板破壞形態(tài)圖4 墻板破壞形態(tài)

2.2 秸稈混凝土荷載-應(yīng)變曲線結(jié)果分析

圖5所示為1#，2#墻板表面秸稈混凝土在圖示測(cè)點(diǎn)處的荷載-應(yīng)變曲線.由圖可知,在加載過(guò)程中,由于1#墻板鋼筋布置間距較大,即配筋率較小,其幾何中心處及墻板一邊跨中的秸稈混凝土變形較大,且在一邊跨中位置增大現(xiàn)象比較顯著.結(jié)果表明,在相同荷載作用下,配筋率增加會(huì)增加墻板承壓能力,這是因?yàn)樽冃屋^大的板將先進(jìn)入彈塑性階段,隨著荷載繼續(xù)增加,先達(dá)到極限狀態(tài),而變形較小的板將承受更大的荷載作用.但對(duì)于應(yīng)力較大的區(qū)域這種增加現(xiàn)象不明顯.

圖5 秸稈混凝土的荷載-應(yīng)變曲線

圖6 鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線

2.3 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線結(jié)果分析

圖6所示為1#,2#墻板內(nèi)部鋼筋在圖示測(cè)點(diǎn)處的荷載-應(yīng)變曲線.由圖6可知,在試驗(yàn)加載過(guò)程中,同一塊墻板內(nèi)上下兩部分鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線基本一致,表明上下兩層鋼筋網(wǎng)的相對(duì)位置幾乎沒(méi)有變化,變形較為一致.這是因?yàn)樵诎迨軓澾^(guò)程中,鋼筋具有足夠的剛度和強(qiáng)度,使上下兩層的鋼筋能協(xié)同一致地工作.通過(guò)兩塊墻板對(duì)比分析,說(shuō)明在受壓荷載較小時(shí),鋼筋間距對(duì)其應(yīng)變值變化影響不大,這是因?yàn)樵诔跫虞d時(shí)對(duì)墻板承載力起主要作用的是秸稈混凝土,隨著荷載繼續(xù)增大,墻板出現(xiàn)裂縫后,鋼筋逐漸對(duì)墻板的承壓能力起主導(dǎo)作用.

2.4 墻板荷載-撓度曲線

圖7所示為1#,2#墻板的荷載-撓度曲線.由圖7可知,兩塊墻板的變形能力均較好,其荷載-撓度曲線變化趨勢(shì)基本一致,均有明顯的拐點(diǎn)和延伸,墻板在達(dá)到開(kāi)裂荷載時(shí)的變形較明顯,延性較好,均屬于延性破壞.

由于墻板幾何中心處的應(yīng)力最大,所以相應(yīng)的撓度變化也最大.結(jié)果表明:當(dāng)荷載較小時(shí),荷載和撓度呈現(xiàn)直線變化,墻板處于彈性工作階段,變形較小;隨著裂縫的不斷出現(xiàn)與擴(kuò)展,撓度的增長(zhǎng)速度較開(kāi)裂前加快,墻板底層進(jìn)入彈塑性階段,曲線有明顯的拐點(diǎn),破壞時(shí)變形較大,裂縫細(xì)而密,延性較好,有明顯預(yù)兆,屬于延性破壞，且配筋率的增加并沒(méi)有顯著提高墻板的開(kāi)裂荷載,但延緩了裂縫發(fā)展趨勢(shì),顯著提高了墻板的抗彎極限承載力.

圖7 墻板的荷載-撓度曲線

3 結(jié)論

(1) 與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土墻板相比,這種秸稈混凝土墻板具有自重輕、保溫性能好的優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于裝配式建筑;

(2) 秸稈混凝土墻板充分發(fā)揮了秸稈的優(yōu)點(diǎn),在混凝土的包裹下增大了墻板抗拉、抗折強(qiáng)度,變形特征和破壞機(jī)理類似于傳統(tǒng)墻板;

(3) 配筋率對(duì)秸稈節(jié)能墻板開(kāi)裂荷載的影響不是特別明顯,但對(duì)其抗彎極限承載力的影響非常顯著;

(4) 隨著墻板配筋率的增加,對(duì)墻板連接處要求就越高,否則連接處會(huì)發(fā)生沖切破壞,并不能起到增加墻板承壓能力的作用;

(5) 在橫向均布荷載作用下,墻板上下兩層鋼筋網(wǎng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度,使得上下兩層面板協(xié)同一致地工作.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 侯和濤,鐘華東,李良慧.鋼結(jié)構(gòu)住宅復(fù)合墻板存在的問(wèn)題與建議[J].新型建筑材料,2006(11):24-26.

[2] 李國(guó)強(qiáng),方明霽,劉宜靖,陸 燁.鋼結(jié)構(gòu)住宅體系加氣混凝土外墻板抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2005,38(10):27-31.

[3] 李國(guó)強(qiáng),方明霽,陸 燁.鋼結(jié)構(gòu)建筑輕質(zhì)砂砌塊墻體的抗震性能試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2005,25(2):82-87.

[4] 李升才.復(fù)合墻板軸心受壓試驗(yàn)研究[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(4):384-387.

[5] 李 崢,郝翠麗.秸稈墻體材料的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景展望[J].河南建材,2011(1):97-99.

[6] 李國(guó)忠.新型墻體材料應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].21世紀(jì)建筑材料,2011,22(3):1-15.

[7] 肖立光,李景輝,周寶玉,邵東林.秸稈環(huán)保節(jié)能材料性能的研究[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,22(2):1-6.