周楠楠

（山東省建設(shè)發(fā)展研究院 濟(jì)南250001）

引言

輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻是由墻骨柱、頂梁板和底梁板、門(mén)窗洞口上的過(guò)梁以及覆面板用釘連接而成的。輕木剪力墻多用木基結(jié)構(gòu)板材，如OSB（Oriented strand board）板、膠合板等作為覆面材料。但在實(shí)際工程中，為了滿足結(jié)構(gòu)防火性能的需求，石膏板被常用于輕木墻體之中，單獨(dú)或與其他木基結(jié)構(gòu)板材一起作為墻體的覆面材料。Toothma［1］曾對(duì)采用不同覆面板材料的剪力墻進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，石膏板能夠不同程度地增加輕木剪力墻的抗側(cè)承載力和初始階段剛度。程海江［2］對(duì)6片足尺木框架剪力墻進(jìn)行了單向及往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，研究了豎向荷載、翼緣和洞口尺寸對(duì)于剪力墻的抗剪強(qiáng)度、彈性抗側(cè)剛度、極限位移、墻骨柱上拔和耗能的影響。研究結(jié)果表明：豎向荷載能夠較大幅度地提高剪力墻的抗側(cè)承載力、初始剛度和耗能；翼緣墻體對(duì)剪力墻的結(jié)構(gòu)性能也有部分提高。閆新宇［3］通過(guò)對(duì)七組不同尺寸規(guī)格和構(gòu)造的剪力墻進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)剪力墻在側(cè)向荷載作用下的承載能力和剛度性能，以及破壞現(xiàn)象和破壞模式有了更深入的了解。武國(guó)芳［4］對(duì)小徑木制成的墻骨和剪力墻等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)剪力墻力學(xué)性能進(jìn)行參數(shù)分析，給出了小徑木墻骨剪力墻的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。Tomas Plesnik［5］對(duì)覆面板和木框架間帶有石膏板夾層的輕木剪力墻進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，結(jié)果表明，石膏板夾層會(huì)極大地削弱墻體承載能力和剛度，這種工程做法有著較大的隱患。本文通過(guò)對(duì)18片帶有不同覆面板的輕木剪力墻進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)加載試驗(yàn)，研究了石膏板對(duì)于輕木剪力墻抗側(cè)性能的影響規(guī)律，為實(shí)際工程中帶石膏板覆面板輕木剪力墻的應(yīng)用提供了參考和借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件材料與制作

在工程應(yīng)用當(dāng)中，石膏板常單獨(dú)或與木基結(jié)構(gòu)板材一起用作輕木剪力墻的覆面板。為了研究石膏板對(duì)輕木剪力墻抗側(cè)性能的貢獻(xiàn)，對(duì)單側(cè)石膏板墻體和一側(cè)石膏板一側(cè)OSB板的墻體進(jìn)行了單調(diào)和往復(fù)加載試驗(yàn)。試件共有三組：A組墻體兩側(cè)均有覆面板，一側(cè)為9.5mm厚進(jìn)口OSB板，一側(cè)為12mm厚石膏板（簡(jiǎn)稱9.5OSB/12GYP雙面覆板試件或A組試件）；B組墻體兩側(cè)均有覆面板，一側(cè)為12mm厚進(jìn)口OSB板，一側(cè)為12mm厚石膏板（簡(jiǎn)稱12OSB/12GYP雙面覆板試件或B組試件）；C組墻體僅單側(cè)覆有12mm厚石膏板（簡(jiǎn)稱單側(cè)覆板試件或C組試件）。試驗(yàn)中每組剪力墻取6片進(jìn)行試驗(yàn)，其中3片用于單向加載試驗(yàn)，3片用于往復(fù)加載試驗(yàn)。由于輕型木結(jié)構(gòu)住宅建筑中相鄰門(mén)窗洞口間較為常見(jiàn)的墻段尺寸為2.44m×2.44m，因此試驗(yàn)中墻體的尺寸均為2.44m×2.44m。

圖1為剪力墻墻體骨架的構(gòu)造詳圖。所有墻骨柱均采用Ⅲc級(jí)SPF（Spruce-Pine-Fir）規(guī)格材。墻段兩端的端墻骨柱及頂梁板均為雙根38mm×89mm的規(guī)格材。覆面板尺寸為1.22m×2.44m，相鄰板拼接處留有3mm的空隙。OSB板的面板釘為國(guó)產(chǎn)麻花釘。相鄰面板連于同一根墻骨柱時(shí)，釘子的邊距為9mm，采用手工釘，釘頭端面與覆面板齊平。覆面板與中間墻骨柱連接的釘間距為300mm，板邊緣釘間距為150mm。石膏板采用自攻螺絲連接，與中間及邊緣墻骨柱連接的釘間距均為150mm。墻體兩端設(shè)置抗傾覆連接件。剪力墻試件的材料和構(gòu)造細(xì)節(jié)見(jiàn)表1。

表1 試件材料和構(gòu)造Tab.1 The material and constructional details of the test specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與加載機(jī)制

試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)采用截面為120mm×80mm×5mm、長(zhǎng)度為2640mm的方鋼管作為加載梁。由于方鋼管寬度小于頂梁板的寬度，保證了試驗(yàn)過(guò)程中頂梁板外側(cè)墻面板的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)受到加載梁的限制。在墻體的頂梁板和底梁板上，每隔150mm開(kāi)直徑18mm的孔，通過(guò)6個(gè)直徑16mm的普通螺栓分別與加載梁和基礎(chǔ)梁進(jìn)行連接。頂梁板、底梁板以及端骨柱上用來(lái)連接墻體與加載梁、基礎(chǔ)鋼梁以及連接抗傾覆連接件的開(kāi)洞在墻體制作之前在相應(yīng)的位置鉆好。加載頭與加載梁及反力架之間采用鉸接以釋放由于加載裝置本身的重量而有可能產(chǎn)生的彎矩。為了限制墻體平面外扭轉(zhuǎn)和位移，保證作用力和墻體位移在同一平面內(nèi)，在加載梁高度處設(shè)置了側(cè)向支撐點(diǎn)。

單向加載試驗(yàn)采用ASTM E564［6］標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)加載過(guò)程共分為四個(gè)階段。首先是預(yù)加載階段，加載至墻體極限荷載（預(yù)估計(jì)）的10%，持荷5min，然后卸載至0，完全卸載5min后，將所有的儀表值清零進(jìn)入正式加載階段。正式加載的第一階段，加載至墻體極限荷載（預(yù)估計(jì)）的1/3，持荷5min，然后卸載至0，完全卸載5min后，進(jìn)入下一加載階段；正式加載的第二階段，加載至墻體極限荷載（預(yù)估計(jì)）的2/3，持荷5min，然后卸載至0，完全卸載5min后進(jìn)入下一加載階段；正式加載的第三階段，加載直至試驗(yàn)荷載下降至極限荷載的80%或者試件出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。

往復(fù)加載試驗(yàn)采用的是國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的ISO 16670位移控制加載程序，如圖3所示。單向荷載試驗(yàn)確定的極限位移值為控制位移，第一階段采用控制位移值的1.25%、2.5%、5%、7.5%和10%三角形波依次進(jìn)行一個(gè)循環(huán)。而后第二階段采用控制位移值的20%、40%、60%、80%、100%和120%三角形波依次進(jìn)行三個(gè)循環(huán)，終止試驗(yàn)。

圖1 剪力墻墻體骨架構(gòu)造詳圖Fig.1 Configuration of the wood frame

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test setup and instrumentation

圖3 位移控制加載程序Fig.3 Cyclic Displacement Schedule

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件的破壞形態(tài)

在單調(diào)加載試驗(yàn)中，A組和B組試件的破壞首先發(fā)生于墻體底邊的角部，而后逐漸向附近的底梁板和豎向墻骨柱發(fā)展。在靠近角部的地方，石膏板被撕開(kāi)，其他部位的自攻螺絲穿透石膏板。OSB板一側(cè)發(fā)生釘子穿透覆面板的現(xiàn)象，如圖4a所示。對(duì)于C組試件，釘頭很容易穿透石膏板。在試件臨近破壞時(shí)，石膏板雖然沒(méi)有整體脫離墻體骨架，但繞底梁板發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4b所示。剪力墻頂部和底部大部分釘子穿透板材，與面板脫離。在兩塊覆面板的拼縫處，左側(cè)板的釘連接破壞更為嚴(yán)重，大部分釘均穿透板材。而右側(cè)板在交界處只是發(fā)生輕微的破壞，釘帽傾斜嵌入板中，但釘子并未完全穿透面板。

圖4 單調(diào)加載試驗(yàn)中墻體破壞模式Fig.4 Failure modes in monotonic loading test

圖5 往復(fù)加載試驗(yàn)中墻體破壞模式Fig.5 Failure modes in cyclic loading test

在往復(fù)加載試驗(yàn)中，A組和B組試件在OSB板和石膏板的板面四周發(fā)生了釘子穿透面板及板邊被撕裂的破壞形式，如圖5a所示。由于板材邊距較小，部分試件的端骨柱在靠近底梁板的部分發(fā)生劈裂。而C組試件的上下邊及兩塊面板的相交處破壞較為嚴(yán)重，主要的破壞形態(tài)為自攻螺絲穿透石膏板及板邊被撕裂，如圖5b所示。其他部分只是發(fā)生輕微的破壞，自攻螺絲并未完全穿透石膏板，并有部分自攻螺絲被剪斷。

2.2 荷載-位移曲線

各組試件單向荷載作用下每個(gè)墻體的荷載-位移曲線如圖6a、c和e所示，當(dāng)卸載后再次加載到某荷載值時(shí)，試件的剛度要比卸載前加載到該荷載時(shí)的值大，與卸載階段剛度相近，但當(dāng)荷載一旦超過(guò)該荷載值，剛度馬上下降，沿上一級(jí)加載的軌跡趨勢(shì)發(fā)展。往復(fù)荷載作用下墻體的荷載-位移曲線包括了很多正向和負(fù)向的滯回環(huán)，曲線并不飽滿，呈現(xiàn)明顯的反S形，并有明顯的捏縮現(xiàn)象，如圖6b、d和f所示。從第一循環(huán)的包絡(luò)線上可以得到剪力墻所能承受的最大荷載，并可以將此曲線同單向荷載作用下的曲線進(jìn)行對(duì)比。而第二和第三循環(huán)的包絡(luò)線已經(jīng)趨于穩(wěn)定，根據(jù)包絡(luò)線可以看出墻體強(qiáng)度和剛度的退化。

圖6 單向及往復(fù)荷載作用下墻體的荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of the specimens

將單調(diào)加載試驗(yàn)中同組試件的荷載-位移曲線進(jìn)行平均，可以得到該組試件的平均荷載-位移曲線，如圖7所示。

圖7 單調(diào)加載試驗(yàn)墻體平均荷載-位移曲線Fig.7 Averaged load-displacement curves of monotonically loaded specimens for each group

圖7 中可以看出，A組試件的承載力為26.54kN，B組試件的承載力為30.02kN，而C組試件承載力為10.09kN。同時(shí)，雖然石膏板對(duì)剪力墻的承載力有明顯的貢獻(xiàn)，但對(duì)于覆有不同厚度OSB板剪力墻而言，承載力的提高并不相同。這主要是因?yàn)锽組試件在80mm處達(dá)到最大值，相較于A組試件在65mm處達(dá)到最大值，此時(shí)石膏板的承載能力已有較大的下降，因此石膏板對(duì)A組試件的承載力貢獻(xiàn)較大。

2.3 EEEP參數(shù)

木剪力墻的荷載-位移曲線與其他在荷載作用下有明顯彈塑性的建筑材料，例如鋼材相比有著明顯的不同。木剪力墻的荷載-位移曲線上并沒(méi)有明顯的彈性比例極限和屈服點(diǎn)。通常采用EEEP（Equivalent Energy Elastic Plastic）曲線來(lái)定義墻體相應(yīng)的彈性比例極限和屈服點(diǎn)。

1.彈性階段剛度Ke

將荷載-位移曲線（或第一循環(huán)包絡(luò)線）上原點(diǎn)和荷載值達(dá)到極限荷載40%的點(diǎn)的連線斜率定義為墻體在彈性階段的剛度，即：

式中：Fpeak為極限荷載，Δ0.4Fpeak為墻體達(dá)到極限荷載的40%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移。圖8為三組墻體試件的彈性階段剛度對(duì)比。A組試件的彈性階段剛度為1.46kN/mm，B組試件的彈性階段剛度為1.56kN/mm，而C組試件彈性階段剛度為0.97kN/mm。石膏板對(duì)于墻體彈性階段剛度的貢獻(xiàn)比較顯著。對(duì)于雙面覆板剪力墻，在加載的開(kāi)始階段，石膏板與OSB板共同工作。而后隨著加載的進(jìn)行，石膏板首先破壞退出工作，在加載的后期僅有OSB板單獨(dú)工作。

圖8 各組墻體試件墻體彈性階段剛度對(duì)比Fig.8 Comparison of elastic stiffness for each group

2.屈服荷載Fyield和屈服位移Δyield

根據(jù)彈性階段的剛度確定EEEP曲線上的彈性階段，EEEP曲線上的彈性階段從原點(diǎn)開(kāi)始至屈服點(diǎn)結(jié)束。假設(shè)屈服荷載Fyield是彈性階段剛度、荷載-位移曲線下面積和墻體破壞位移的函數(shù)，可以按照式（2）進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)

當(dāng)

式中：Fyield為屈服荷載；A為荷載-位移曲線（或第一循環(huán)包絡(luò)線）下方從原點(diǎn)至墻體破壞位移的面積；Ke為彈性階段的剛度，為荷載-位移曲線上原點(diǎn)和荷載值達(dá)到極限荷載Fpeak40%的點(diǎn)的連線的斜率。一旦屈服荷載得以確定，則可以根據(jù)公式Δyield=Fyield/Ke確定屈服位移。

圖9為三組墻體試件的屈服荷載及屈服位移對(duì)比。屈服荷載與墻體承載能力呈現(xiàn)的規(guī)律相同。A組試件的屈服荷載為23.58kN，B組試件的屈服荷載為26.70kN，C組試件的屈服荷載為9.32kN。同時(shí)從圖9中可以看出，C組試件的剪力墻屈服位移最小，為9.62mm。而對(duì)于A、B兩組試件，OSB板越厚，相應(yīng)的屈服位移越大。

圖9 各組墻體試件墻體屈服荷載及屈服位移對(duì)比Fig.9 Comparison of yield strength and yield displacement for each group

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)9.5OSB/12GYP雙面覆板試件、12OSB/12GYP雙面覆板試件及單側(cè)覆板試件三種不同覆板下輕木剪力墻進(jìn)行試驗(yàn)，研究了石膏板對(duì)輕木剪力墻抗側(cè)性能的影響。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，可以得出以下結(jié)論：

1.破壞模式方面，輕木剪力墻的破壞模式主要為釘頭穿透石膏板和板邊的撕裂，板邊撕裂多發(fā)生在墻體的角部。相比雙側(cè)覆板墻體，單側(cè)覆板墻體的破壞較為嚴(yán)重，釘頭容易穿透石膏板，覆面板發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。當(dāng)板材邊距較小時(shí)，端骨柱附近的底梁板易發(fā)生劈裂的現(xiàn)象。

2.極限承載力方面，9.5OSB/12GYP雙面覆板試件的承載力為26.54kN，12OSB/12GYP雙面覆板試件的承載力為30.02kN，而單側(cè)覆板試件的承載力為10.09kN。石膏板對(duì)于輕木剪力墻的極限承載力有明顯的貢獻(xiàn)。

3.EEEP參數(shù)方面，9.5OSB/12GYP雙面覆板試件的彈性階段剛度為1.46kN/mm，12OSB/12GYP雙面覆板試件的彈性階段剛度為1.56kN/mm，而單側(cè)覆板試件的彈性階段剛度為0.97kN/mm?？梢钥闯鍪喟鍖?duì)于輕木剪力墻的彈性階段剛度有非常顯著的貢獻(xiàn)。三組剪力墻屈服荷載的規(guī)律與極限承載力的規(guī)律相同。單側(cè)覆板試件的屈服位移最小，雙側(cè)覆板墻體中OSB板越厚，其屈服位移越大。

4.在輕木剪力墻設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)石膏板的貢獻(xiàn)進(jìn)行合理的考慮。如何對(duì)石膏板在輕木剪力墻中的作用進(jìn)行量化，以便為工程設(shè)計(jì)工作提供有效的指導(dǎo)，是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。