張延年,李 恒,劉 明,張 洵,李立東

(1.清華大學(xué)土木工程系,北京100084;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,沈陽(yáng)110168)

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)建筑單位面積能耗仍是氣候相近發(fā)達(dá)國(guó)家的3～5倍[1]。建筑節(jié)能是各種節(jié)能途徑中潛力最大、最為直接、有效的方式,是緩解能源緊張的最有效措施[3]。建筑能耗中,通過(guò)外墻造成的能耗約占建筑總能耗的50%以上[4],因而墻體保溫是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵[5-7]。

節(jié)能墻體有單一節(jié)能墻體和復(fù)合節(jié)能墻體兩種形式。單一節(jié)能墻體以加氣混凝土墻為代表,由于安全性、耐久性和使用功能等問(wèn)題阻礙其使用和發(fā)展[8]。復(fù)合節(jié)能墻體主要包括外墻內(nèi)保溫、外墻外保溫和夾心墻技術(shù)。外墻內(nèi)保溫由于裂縫問(wèn)題嚴(yán)重,難以避免熱橋等缺點(diǎn),所占比例逐年降低,已成為一種過(guò)渡的、落后的構(gòu)造形式[9]。目前,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的節(jié)能墻體是外墻外保溫[10]。中國(guó)外墻外保溫工程的耐久性問(wèn)題十分嚴(yán)重,無(wú)法保證在正確使用和正常維護(hù)條件下25年的使用年限,部分工程僅可使用3～5年[11]。越來(lái)越多的專家認(rèn)識(shí)到外墻外保溫工程耐久性問(wèn)題,擔(dān)心在未來(lái)幾年或十幾年后外墻外保溫工程出現(xiàn)全國(guó)性的大面積或整體破壞的災(zāi)難性后果[12]。夾心墻是唯一能達(dá)到集承重、保溫(隔聲)和裝飾于一體、適于不同地區(qū)的耐久性節(jié)能墻體[13-15]。目前,夾心墻采用填充苯板等方式,施工復(fù)雜、工期長(zhǎng),在實(shí)際施工中容易出現(xiàn)多種質(zhì)量問(wèn)題,這已經(jīng)影響了該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。節(jié)能墻體保溫層耐久性問(wèn)題已成為中外建筑節(jié)能專家面臨的主要問(wèn)題,尋求一種經(jīng)濟(jì)、施工簡(jiǎn)單快捷、節(jié)能效果好、保溫層與建筑同壽命的耐久性節(jié)能墻體技術(shù)刻不容緩。

因此提出一種新型節(jié)能墻體——現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡節(jié)能夾心墻。采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡澆筑技術(shù),在內(nèi)外葉墻砌筑過(guò)程中不需考慮保溫材料的填充,使施工經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、快捷;并且接縫處縫隙大、貼和不嚴(yán)密、存在保溫薄弱部位等問(wèn)題得到有效解決。目前現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡保溫漿料的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.06 W/m?K左右,如果達(dá)到50%或65%以上的節(jié)能目標(biāo),保溫層厚度將達(dá)到80～120 mm之間,將超過(guò)中國(guó)規(guī)范規(guī)定厚度(100 mm)。中國(guó)的夾心墻主要采用內(nèi)葉墻承重,外葉墻自承重。而國(guó)外的夾心墻與中國(guó)的有明顯差異,內(nèi)外葉墻等厚度,采用內(nèi)外葉墻均承受荷載。因此夾心墻的工作機(jī)理,尤其內(nèi)外葉墻協(xié)同工作性能需要深入研究。

1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)13片夾心墻試件,1片實(shí)心墻對(duì)比試件。為研究各因素對(duì)夾心墻抗震性能影響,按以下不同參數(shù)分組:拉接件形狀、間距、保溫層厚度、豎向壓應(yīng)力σ0(見(jiàn)表1)。試件尺寸寬B=2 100 mm,高H=1 600 mm,內(nèi)葉墻厚240 mm,外內(nèi)葉墻厚120 mm,實(shí)心墻厚370 mm。試件頂部設(shè)有鋼筋混凝土壓梁,內(nèi)葉墻兩端設(shè)240 mm厚構(gòu)造柱。

表1 試件分組

2 加載裝置

測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示,豎向用兩個(gè)量程600 kN的千斤頂在鋼分配梁頂面滑板上按四分點(diǎn)施加豎向荷載,使用穩(wěn)壓器保持試驗(yàn)過(guò)程中豎向壓力恒定,通過(guò)分配梁傳力使內(nèi)葉墻均勻受壓;滑板的作用是保證墻體在受荷時(shí)盡量無(wú)約束滑移;水平拉壓往復(fù)荷載用美國(guó)M TS公司的液壓伺服作動(dòng)器施加,并聯(lián)機(jī)實(shí)現(xiàn)加載控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。試件安裝時(shí),為保證試件水平面平整,在試件底座下面,壓梁頂部與鋼分配梁之間分別用一層厚約10 mm細(xì)砂找平;為保證加荷點(diǎn)正確,進(jìn)行前后對(duì)中,使豎向荷載、水平荷載、墻體在同一鉛垂面內(nèi)。試件找平對(duì)中后,將其固定牢固。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 試件?加載

3 加載方案與加載制度

試驗(yàn)前,先施加豎向荷載,試加幾次,待觀察墻片受力正常無(wú)平面外偏心后,將豎向荷載一次加至要求值,并恒載15 min,在整個(gè)試驗(yàn)中,豎向荷載值保持不變。垂直荷載施加完后,檢查測(cè)試儀表和試件均正常,則開(kāi)始施加水平荷載。按《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJ101-96的要求,先進(jìn)行預(yù)加反復(fù)荷載試驗(yàn)2次,取開(kāi)裂荷載的20%,此次試驗(yàn)預(yù)估100 kN。正式加載采用變力變位移加載方案。以荷載增量控制加載階段,一次性加載至墻體開(kāi)裂,循環(huán)一次;墻體開(kāi)裂后,以位移增量控制加載,以墻體開(kāi)裂荷載對(duì)應(yīng)的位移△c為控制位移,分別以 1△c、2△c、3△c為級(jí)差控制加載,每級(jí)循環(huán) 3次,4△以上每級(jí)循環(huán)1次。當(dāng)試件裂縫急劇擴(kuò)展和增多,荷載明顯下降時(shí)即認(rèn)為試件喪失承載能力而達(dá)到破壞狀態(tài)。

4 量測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

1)試件的滯回曲線:用位移傳感器3-1測(cè)量?jī)?nèi)葉墻中線頂點(diǎn)的水平位移,用荷載傳感器1-3測(cè)量水平荷載以繪制滯回曲線。位移傳感器的表架固定在試件底梁上,目的是消除底座移動(dòng)的影響,所測(cè)位移為墻體相對(duì)底座的位移。位移傳感器3-3,3-4沿內(nèi)葉墻豎向均勻布置,測(cè)量不同高度處的水平位移。如圖3所示。

2)內(nèi)葉墻與外葉墻相對(duì)側(cè)移:相對(duì)側(cè)移反映不同受力階段內(nèi)、外葉墻共同工作情況,用位移傳感器3-2測(cè)量。

3)拉接件應(yīng)變值:應(yīng)變值體現(xiàn)墻體不同受力階段,拉接件受力和變形情況。由于試件的對(duì)稱性,僅測(cè)量試件對(duì)稱軸一側(cè)的拉接件應(yīng)變值,觀測(cè)應(yīng)變值的變化。將電阻應(yīng)變片2-1～2-8粘貼在夾心墻保溫層內(nèi)拉接件表面測(cè)量拉接件應(yīng)變。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

5 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

加載全過(guò)程中,構(gòu)造柱一直有效發(fā)揮約束作用,加強(qiáng)墻體變形能力,增加耗能,主要體現(xiàn)在(見(jiàn)圖4):1)內(nèi)葉墻與外葉墻相比,脆性破壞性質(zhì)明顯改善;2)內(nèi)葉墻產(chǎn)生較大位移和開(kāi)裂時(shí)始終保持裂而不倒;3)內(nèi)葉墻裂縫的閉合現(xiàn)象。在構(gòu)造柱開(kāi)裂前,內(nèi)葉墻裂縫閉合現(xiàn)象很明顯,卸荷后裂縫寬度減少70%左右。隨構(gòu)造柱裂縫開(kāi)展,閉合作用有所下降,但構(gòu)件破壞時(shí)裂縫寬仍可減少30%左右。外葉墻無(wú)構(gòu)造柱,裂縫閉合現(xiàn)象不明顯。

圖4 墻體破壞

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件在水平荷載作用下各階段實(shí)測(cè)荷載值和相應(yīng)位移值見(jiàn)表2。表中Pc為開(kāi)裂荷載,P U為極限荷載。實(shí)測(cè)位移為內(nèi)葉墻體中線頂點(diǎn)相對(duì)于試件底座的水平位移。其中 Δc為開(kāi)裂位移,Δu為極限荷載對(duì)應(yīng)的位移,Δ0.85為荷載下降到極限荷載的85%時(shí)的位移。開(kāi)裂荷載與極限荷載分別取兩個(gè)方向的平均值,開(kāi)裂位移與極限位移分別取兩個(gè)方向的平均值。

表2 試件受力各階段荷載值和相應(yīng)位移值

夾心墻比實(shí)心墻抗剪承載力有一定降低,豎向壓應(yīng)力相同時(shí)保溫層墻體極限荷載與同樣截面厚(370 mm)實(shí)心墻相比降低18%,開(kāi)裂荷載僅降低5%。開(kāi)裂荷載與極限荷載之比Pc/Pu為76%～86%。夾心墻體開(kāi)裂荷載比同樣截面370厚實(shí)心墻開(kāi)裂荷載降低較少,說(shuō)明連接構(gòu)造措施較有效地加強(qiáng)了兩葉墻整體工作能力,從而縮小了夾心墻受力性能與實(shí)心墻受力性能的差距,夾心墻試件有較高的抗震承載力。

壓應(yīng)力對(duì)墻體抗剪承載力影響較大,壓應(yīng)力分別為0.7 MPa、0.5 MPa、0.3 MPa的夾心墻極限荷載為壓應(yīng)力1 MPa夾心墻極限荷載平均值的77%、67%、60%。試件的拉接件形狀與布置間距的變化對(duì)抗剪承載力影響較小,說(shuō)明拉接件對(duì)提高承載力的作用不大。保溫層厚度變化對(duì)抗剪承載力有一定影響。100 mm保溫層厚度開(kāi)裂荷載比80 mm保溫層厚度開(kāi)裂荷載平均下降10%,120 mm保溫層厚度開(kāi)裂荷載比100 mm保溫層厚度開(kāi)裂荷載僅下降3%。100 mm保溫層厚度極限荷載比80 mm保溫層厚度極限荷載下降13%,120 mm保溫層厚度極限荷載比100 mm保溫層厚度極限荷載下降6%。雖然保溫層厚度增加對(duì)抗剪承載力有不利影響,但是由于所采用的發(fā)泡保溫漿料具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,對(duì)抗剪承載力有一定有利影響。

7 內(nèi)外葉墻協(xié)同工作性能研究

由于內(nèi)外葉墻片厚度不同,并且內(nèi)葉墻有構(gòu)造柱約束,外葉墻無(wú)構(gòu)造柱約束。造成地震作用下內(nèi)外葉墻振動(dòng)特性不同,受力性能也不同。試驗(yàn)參考規(guī)范關(guān)于夾心墻連接構(gòu)造做法,設(shè)計(jì)拉接件和鋼筋混凝土挑耳連接。通過(guò)實(shí)測(cè)內(nèi)外葉墻片位移差、拉接件應(yīng)變來(lái)研究夾心墻協(xié)同工作性能。

7.1 內(nèi)外葉墻片位移差

圖5為部分試件的荷載-內(nèi)外葉墻位移差曲線,夾心墻在開(kāi)裂荷載前,內(nèi)外葉墻位移差基本為零。在接近極限荷載時(shí),內(nèi)外葉墻位移差仍較小,未超過(guò)2 mm。說(shuō)明試件采取的連接措施對(duì)加強(qiáng)夾心墻協(xié)同工作性能比較有效,夾心墻抗剪承載力考慮外葉墻的有利作用比較合理。內(nèi)葉墻開(kāi)裂后,內(nèi)外葉墻變形開(kāi)始不協(xié)調(diào),外葉墻位移滯后。此后隨墻體彈塑性變形加大,內(nèi)外葉墻位移差逐漸加大,卸載后殘余變形差加大,破壞時(shí)內(nèi)外葉墻位移差在6 mm左右。

圖5 夾心墻荷載-內(nèi)外葉墻位移差曲線

7.2 內(nèi)外葉墻協(xié)同工作影響因素分析

夾心墻試件協(xié)同工作性能可以按相對(duì)位移差對(duì)比,相對(duì)位移差定義為破壞荷載對(duì)應(yīng)的內(nèi)外葉墻位移差δ與內(nèi)葉墻位移值Δ之比。相對(duì)位移差可以反映彈塑性后期夾心墻共同工作情況。δ/Δ值小說(shuō)明外葉墻位移滯后程度小,試件共同工作性能較好。由表3可見(jiàn),各試件相對(duì)位移差δ/Δ有一定差別,范圍在0.25～0.58?？傮w上看,豎向壓力小的試件或保溫層厚度小的試件δ/Δ相對(duì)較小,而拉接件形狀參數(shù)對(duì)試件的δ/Δ影響很小。

表3 相對(duì)位移差

續(xù)表3

7.2.1 豎向壓應(yīng)力對(duì)協(xié)同工作的影響

隨豎向壓力的降低,試件的δ/Δ也降低了。1.0 MPa,0.7 MPa,0.5 MPa和0.3 MPa試件的相對(duì)位移差δ/Δ比例為:1:0.78:0.54:0.59。說(shuō)明豎向壓應(yīng)力較高時(shí)(1.0 MPa)內(nèi)外葉墻協(xié)同工作性能減弱。由于實(shí)際工程的夾心墻豎向壓應(yīng)力不超過(guò)0.5 MPa,在此范圍夾心墻協(xié)同工作能力相對(duì)較強(qiáng)。

7.2.2 保溫層厚度對(duì)協(xié)同工作的影響

保溫層厚度達(dá)120 mm時(shí) δ/Δ有所提高,80 mm,100 mm和120 mm的試件相對(duì)位移差δ/Δ之比為:0.63:0.65:1。100 mm和120 mm試件的相對(duì)位移差δ/Δ之比為:0.92:1。保溫層厚度為120 mm的夾心墻仍有較好的整體協(xié)同工作性能。

7.3 拉接件應(yīng)變值

表4為夾心墻在開(kāi)裂荷載與極限荷載時(shí)的應(yīng)變值。不同位置的拉接件受力有一定差別,開(kāi)裂荷載時(shí)墻中心鋼筋應(yīng)變值較大;墻體形成交叉裂縫后,上半部拉接件應(yīng)變值大于下半部,靠近中間裂縫處的拉接件作用較大。

表4 拉接件應(yīng)變值

圖6 拉接件應(yīng)變時(shí)程曲線

圖6為環(huán)形與Z形拉接件應(yīng)變時(shí)程曲線。在彈性階段,鋼筋應(yīng)變值很小,這是由于鋼筋混凝土梁挑耳比拉接件剛度大得多,基本是梁挑耳起作用,拉接件作用很小。墻體開(kāi)裂進(jìn)入彈塑性階段,鋼筋應(yīng)變值有所增加。內(nèi)外葉墻產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào),拉接件作用增大。墻體進(jìn)入塑性階段,鋼筋應(yīng)變值增幅較大。這是由于外葉墻上部出現(xiàn)水平剪切裂縫削弱了梁挑耳傳遞水平力的能力,水平力傳遞途徑改變,拉接件作用有較大增加。

7.4 拉接件的作用與設(shè)置建議

試驗(yàn)結(jié)果表明鋼筋混凝土梁挑耳在加強(qiáng)內(nèi)外葉墻連接中起主要作用,而且在保證外葉墻平面外穩(wěn)定性方面也起主要作用。當(dāng)砂漿層被剪切開(kāi)裂,拉接件與砂漿仍然牢固粘結(jié)。說(shuō)明拉接件粘結(jié)錨固性能很好,當(dāng)墻體嚴(yán)重破壞開(kāi)裂時(shí),拉接件可以起到對(duì)墻體支撐或拉接的作用,有效防止墻面倒塌掉落,并且拉接件對(duì)加強(qiáng)外葉墻平面外穩(wěn)定性也起一定的作用。夾心墻采用拉接件與鋼筋混凝土挑耳相結(jié)合的連接措施對(duì)改善保溫層墻體受力性能,加強(qiáng)其整體工作能力是有效的。拉接件與鋼筋混凝土挑耳在夾心墻中分工不同,是夾心墻不可或缺的抗震構(gòu)造措施,應(yīng)合理設(shè)計(jì)使各自充分發(fā)揮作用。

8 結(jié)論

通過(guò)13片夾心墻和1片實(shí)心墻平面內(nèi)的抗震性能對(duì)比試驗(yàn),主要得到以下結(jié)論:

1)雖然保溫層厚度增加對(duì)抗剪承載力有不利影響,但是發(fā)泡保溫漿料具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,對(duì)抗剪承載力有一定有利影響。

2)豎向壓力和保溫層厚度對(duì)相對(duì)位移差有一定影響,實(shí)際工程中夾心墻仍具有協(xié)同工作能力。

3)不同位置的拉接件受力有一定差別,開(kāi)裂荷載時(shí)墻中心鋼筋應(yīng)變值較大;墻體形成交叉裂縫后,上半部拉接件應(yīng)變值大于下半部,靠近中間裂縫處的拉接件作用較大。

4)在彈性階段,鋼筋應(yīng)變值很小,這是由于鋼筋混凝土梁挑耳比拉接件剛度大得多,基本是梁挑耳起作用,拉接件作用很小。墻體開(kāi)裂進(jìn)入彈塑性階段,鋼筋應(yīng)變值有所增加。內(nèi)外葉墻產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào),拉接件作用增大。外葉墻上部出現(xiàn)水平剪切裂縫削弱了梁挑耳傳遞水平力的能力,水平力傳遞途徑改變,拉接件作用有較大增加。

5)鋼筋混凝土梁挑耳在加強(qiáng)內(nèi)外葉墻連接中起主要作用,而且在保證外葉墻平面外穩(wěn)定性方面也起主要作用。當(dāng)墻體嚴(yán)重破壞開(kāi)裂時(shí),拉接件可以起到對(duì)墻體支撐或拉接的作用,有效防止墻面倒塌掉落,并且拉接件對(duì)加強(qiáng)外葉墻平面外穩(wěn)定性也起一定的作用。拉接件與鋼筋混凝土挑耳在夾心墻中分工不同,是夾心墻不可或缺的抗震構(gòu)造措施,應(yīng)合理設(shè)計(jì)使,各自充分發(fā)揮作用。

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