焦紅，夏鑫，王松巖，劉學(xué)光，馬海程

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

建筑工業(yè)化和綠色建筑已成為我國建筑業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]，裝配式建筑得到了快速發(fā)展[3]。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大，現(xiàn)有裝配式部件不能滿足使用要求，亟需開發(fā)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單、保溫性能優(yōu)異的新型建筑材料[4-6]。GLC硅質(zhì)輕型墻板（以下簡(jiǎn)稱GLC墻板）作為一種新型裝配式建筑材料，其基本組分為發(fā)泡水泥芯材、耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布及砂漿面層。不同于其它裝配式墻板[7-8]，GLC墻板采用常溫下物理發(fā)泡生產(chǎn)工藝，無需在高溫飽和蒸汽養(yǎng)護(hù)下成型，符合節(jié)約能源、低碳環(huán)保的綠色發(fā)展要求[9]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)裝配式建筑墻板展開了大量研究[10-12]。其中，Raj等[13]對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合墻板進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，表明此墻板延性較高，但極限承載力低。Nasim[14]對(duì)加氣混凝土復(fù)合板粘貼FRP纖維布進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，F(xiàn)RP材料可以與加氣混凝土復(fù)合板協(xié)同工作，極大程度地提高板材承載力。胡建軍[15]研制了一種新型輕質(zhì)砂加氣混凝土板，并對(duì)其進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，研究板的裂縫分布及發(fā)展規(guī)律。為規(guī)范、完善GLC墻板的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工與驗(yàn)收，確保工程質(zhì)量，進(jìn)行GLC墻板的應(yīng)用研究。

GLC墻板可作為裝配式建筑外墻板使用，其抗風(fēng)承載能力是其安全性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。本文為研究GLC墻板能否用于裝配式外墻板，對(duì)GLC墻板的抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

1.1 材料性能及試件設(shè)計(jì)

GLC墻板是以發(fā)泡水泥芯材為基體、耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布為增強(qiáng)材料，表面由高強(qiáng)度砂漿層包裹的新型墻體材料，如圖1所示。其中，發(fā)泡水泥以硅質(zhì)材料、水泥、纖維等為主要原料。

為明確GLC墻板組成材料的基本力學(xué)性能，開展材性試驗(yàn)，測(cè)得發(fā)泡水泥芯材、砂漿層以及耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布的基本性能見表1。

表1 GLC墻板材料的基本性能

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5組GLC墻板試件，試驗(yàn)參數(shù)包括墻板厚度H、砂漿層厚度h1、發(fā)泡水泥芯材厚度h2。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組準(zhǔn)備3個(gè)試件，進(jìn)行3次同條件重復(fù)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方案見表2。其中，A、B、C組試件以發(fā)泡水泥芯材厚度h2為變量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；D、E組試件以砂漿層厚度h1為變量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

表2 GLC墻板試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用均布荷載法加載，試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)利用圓鋼管模擬鉸支座與滾動(dòng)支座；放置墻板試件時(shí)，端部距離支座各50 mm。為測(cè)試墻板試件在各級(jí)荷載作用下的撓度，布置5個(gè)位移計(jì)，分別位于支座兩端、跨中及L0/4處。用刻度放大鏡觀察加載過程中裂縫的出現(xiàn)及開展情況。在墻板試件上表面均勻劃分10個(gè)網(wǎng)格，采用稱重的黏土磚加載，用以模擬風(fēng)荷載的效果。

1.3 試驗(yàn)荷載計(jì)算

GLC墻板作為外圍護(hù)墻板系統(tǒng)，風(fēng)荷載是其承受的最主要荷載。考慮到GLC墻板試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、可行性要求，本文忽略循環(huán)風(fēng)荷載引起的疲勞損傷，以均布靜荷載模擬水平風(fēng)荷載，展開試驗(yàn)研究。

根據(jù)張碩[16]統(tǒng)計(jì)，全國典型城市基本風(fēng)壓均在0.55 kN/m2及以下，因此本文以0.55 kN/m2為基準(zhǔn)進(jìn)行分析?？紤]到工程實(shí)際的經(jīng)濟(jì)合理性，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，選擇C類場(chǎng)地，計(jì)算高度150 m取值，為2.23 kN/m2。

1.4 試驗(yàn)加載制度

采用均布荷載法對(duì)GLC墻板試件進(jìn)行試驗(yàn)。加載時(shí)，從試件的兩端向中間逐步加載。按照荷載分級(jí)方式進(jìn)行加載，每級(jí)荷載持荷5min。依據(jù)GB15762—2008《蒸壓加氣混凝土板》，將試驗(yàn)過程總體分為短期撓度檢驗(yàn)階段、裂縫檢驗(yàn)階段和承載能力檢驗(yàn)階段。短期撓度檢驗(yàn)時(shí)集中荷載計(jì)算值F1和檢驗(yàn)荷載特征值WH按照式（1）、（2）計(jì)算：

式中：B——板寬，取0.6 m；

L0——支座間距，取2.9 m；

T——板厚，取0.18 m；

ρ——對(duì)應(yīng)板厚的干密度，取720 kg/m3；

WK——單項(xiàng)工程荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取計(jì)算得到的風(fēng)荷載值2.23 kN/m2。

可得，F(xiàn)1=1625 N；WH=934 N/m2。最終加載制度見表3，加載曲線見圖3。

表3 試驗(yàn)加載制度

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞機(jī)理

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GLC墻板試件在均布荷載作用下破壞現(xiàn)象基本一致，破壞形態(tài)為彎曲破壞。試件典型的破壞形態(tài)如圖4所示。

以試件C-1為例，GLC墻板從開始加載到試件破壞分為以下3個(gè)階段：

第一階段：彈性階段。從施加荷載為0到試件出現(xiàn)裂縫的全部過程，GLC墻板處于彈性階段。該階段截面的應(yīng)力呈線性分布，荷載由受壓區(qū)截面與表層砂漿共同承擔(dān)，無裂縫出現(xiàn)，首道裂縫的出現(xiàn)標(biāo)志著彈性階段結(jié)束。

第二階段：裂縫開展階段。當(dāng)荷載加至4.9 kN時(shí)，跨中某薄弱截面出現(xiàn)第一道豎直向上、寬度0.1mm的細(xì)小裂縫，同時(shí)試件底部砂漿面層的拉應(yīng)變平均值達(dá)到105με。裂縫出現(xiàn)時(shí)，采集到的荷載-位移曲線斜率變平緩（見圖5），即墻板剛度減小。且跨中下表面的砂漿達(dá)到極限拉應(yīng)變。

第三階段：破壞階段。底部砂漿完全退出工作，撓度增大速度加快，板側(cè)裂縫迅速向上延伸，中間層發(fā)泡水泥芯材開裂。加載至15.2 kN時(shí)，底部耐堿玻璃纖維網(wǎng)被拉斷，試件達(dá)到極限承載力狀態(tài)。同時(shí)，試件各層間有較好的粘結(jié)，未出現(xiàn)相對(duì)滑移，且板頂受壓區(qū)無裂縫產(chǎn)生，此時(shí)頂部砂漿面層壓應(yīng)變?yōu)?000με。

裂縫在加載初期發(fā)展緩慢；隨著荷載增大，裂縫展開迅速且集中于距跨中左右L/4區(qū)域，為典型的正截面受彎破壞的垂直裂縫，破壞時(shí)底部砂漿內(nèi)的耐堿玻纖網(wǎng)被拉斷。相比于普通混凝土板，GLC墻板經(jīng)歷了相對(duì)較大的變形，破壞前有明顯的預(yù)兆，表面豎向裂縫稀疏且受彎主裂縫位于跨中純彎段。臨近破壞時(shí)位移變化突然，結(jié)合裂縫分布與發(fā)展規(guī)律和破壞形態(tài)分析，GLC墻板呈現(xiàn)明顯的少筋破壞特征。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)測(cè)得了GLC墻板試件在各級(jí)荷載下的位移，主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 GLC墻板主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

2.3 荷載-撓度曲線分析

繪制5組試件的荷載-撓度曲線，如圖6所示。

由圖6可知，5組試件的荷載-撓度曲線發(fā)展趨勢(shì)相似，呈現(xiàn)為雙折線狀態(tài)。試件開裂前，曲線近似為直線，彈性特征明顯；試件開裂后，曲線斜率減小，截面剛度減小，出現(xiàn)拐點(diǎn)；繼續(xù)加載，在接近極限承載力狀態(tài)時(shí)，試件撓度迅速增大，直至破壞。各組試件在破壞前，彎曲變形明顯，屬于延性破壞。

根據(jù)CECS 261：2009《鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，墻板撓度不應(yīng)大于L/200。由圖6可知，A、B、C、D、E組試件在彈性變形范圍內(nèi)，在高度為100 m的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下跨中豎向撓度分別為5.05、1.13、0.32、0.25、0.20 mm，均小于規(guī)范規(guī)定撓度。因此，GLC墻板滿足要求，可作為裝配式外墻板使用。

2.4 影響因素分析

2.4.1 發(fā)泡水泥芯材厚度的影響

對(duì)比圖6中A、B、C組曲線可知，不同發(fā)泡水泥芯材厚度的試件，荷載-跨中位移曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致，有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；且試件一旦開裂，砂漿層就退出工作，曲線斜率明顯減小，截面剛度變化較快。由表4可知，當(dāng)砂漿層厚度均為20 mm，發(fā)泡水泥芯材厚度增加30 mm時(shí)，B組與A組試件相比開裂荷載提高了44.5%，極限荷載提高了51.1%；C組與B組試件相比開裂荷載提高了13.5%，極限荷載提高46.5%?？梢缘贸觯S著發(fā)泡水泥芯材厚度的增加，試件的開裂承載力提升幅度減小，但極限承載力提高顯著。原因在于，在試件開裂前，墻板處于完全組合狀態(tài)，砂漿層與耐堿玻纖網(wǎng)協(xié)同受力；墻板受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫以后，砂漿層退出工作，繼續(xù)由耐堿玻纖網(wǎng)承受拉力；同時(shí)，發(fā)泡水泥芯材厚度增大，墻板的抗彎剛度增大，極限承載力提高。因此，耐堿玻璃纖維網(wǎng)的抗拉強(qiáng)度和發(fā)泡水泥芯材厚度是影響GLC墻板極限承載力的重要因素。

2.4.2 砂漿層厚度的影響

對(duì)比圖6中D、E組曲線可知，增大砂漿層厚度的試件，其荷載-跨中位移曲線變化平緩，沒有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試件開裂后，砂漿層逐步退出工作。當(dāng)墻板厚度為200 mm時(shí)，改變砂漿層厚度，由表4可知，對(duì)比D組、E組試件，砂漿層厚度提高20 mm，開裂荷載提高了53.5%，極限荷載降低了2.1%。可以得出，增大砂漿層厚度可以明顯提高抗裂承載力，對(duì)墻板的極限承載力影響不大。原因在于，試件開裂前按彈性體考慮，砂漿層與耐堿玻纖網(wǎng)變形一致，共同抵抗外荷載，但砂漿層厚度增大，有效提高墻板的初始剛度，從而墻板抗裂承載力增大。

2.5 開裂后變形分析

GLC墻板的可靠性和延性分別是墻板在受力開裂后承載能力和變形能力的主要指標(biāo)，分別由可靠系數(shù)k、延性系數(shù)μ來判定，如式（3）、（4）所示：

根據(jù)表4的試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)對(duì)GLC墻板的延性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 GLC墻板的可靠系數(shù)和延性系數(shù)

由表5可知，可靠系數(shù)是對(duì)GLC墻板承載力的可靠性評(píng)估，數(shù)值在2.4～3.3，說明GLC墻板具有較大的承載力儲(chǔ)備，滿足設(shè)計(jì)要求。隨著墻板厚度增大，墻板可靠性提高。延性系數(shù)μ代表在風(fēng)荷載作用下GLC墻板開裂后的變形能力，分別增加發(fā)泡水泥芯材厚度與砂漿層厚度，比較而言，提高后者延性系數(shù)變大，可以有效提高墻板的變形能力。

3 GLC墻板抗風(fēng)性能分析

3.1 墻板抗裂彎矩計(jì)算

GLC墻板作為外墻板使用時(shí)，按照正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。墻板在風(fēng)荷載作用下不允許開裂，一旦出現(xiàn)裂縫立刻退出工作，不考慮墻板是否達(dá)到極限承載力，所以只需對(duì)墻板開裂時(shí)彎矩進(jìn)行理論計(jì)算。

GLC墻板在開裂前處于彈性階段，復(fù)合材料之間協(xié)同變形，共同承擔(dān)均布荷載。為計(jì)算墻板的開裂彎矩，作出以下假設(shè)：（1）開裂前截面滿足平截面假定；（2）開裂前，只有發(fā)泡水泥及砂漿共同受力承擔(dān)外荷載；（3）開裂時(shí)，中和軸位置不變，受壓區(qū)高度為截面高度的一半且開裂應(yīng)力恰為發(fā)泡水泥極限抗拉強(qiáng)度；（4）忽略砂漿層與發(fā)泡水泥芯材的粘結(jié)作用。為滿足材料力學(xué)中彈性抗彎理論，需要把GLC墻板截面進(jìn)行等效換算。一方面，由于發(fā)泡水泥與砂漿之間彈性模量相差較大，選擇將砂漿的彈性模量進(jìn)行換算，將非均一材料等效為均一材料；另一方面，在保證中和軸位置不變的前提下，將回字型截面等效為工字型截面。

定義發(fā)泡水泥彈性模量為Ec，砂漿的彈性模量為Em，兩者之比為N，即N=Ec/Em。根據(jù)合力不變，應(yīng)變相同的條件進(jìn)行等效換算，截面等效前后如圖7所示。

等效后截面慣性矩由式（5）表示為：

式中：It——截面等效后的慣性矩，mm4；

H——截面高度，mm；

Beq——等效后截面的翼緣寬度，mm；

hc——等效后截面的腹板高度，mm。

根據(jù)材料力學(xué)彈性抗彎理論，截面抗裂彎矩由式（6）表示為：

式中：Mcr——為計(jì)算截面抗裂彎矩，N·mm；

It——等效慣性矩，mm4；

ft——砂漿抗拉強(qiáng)度，MPa；

y——等效截面中性軸到上下面層的距離，mm。

為驗(yàn)證該公式的準(zhǔn)確性，將理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表6。

表6 抗裂彎矩理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表6可知，抗裂彎矩計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)，吻合度較高，表明建立的GLC墻板抗裂彎矩理論計(jì)算公式合理。

3.2 墻板抗風(fēng)能力計(jì)算

3.2.1 風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)GB 5009—2012統(tǒng)計(jì)出全國絕大多數(shù)城市的基本風(fēng)壓位于0.30～0.65 kN/m2。分別選擇基本風(fēng)壓0.35、0.45、0.55、0.65 kN/m2作為GLC外墻板計(jì)算風(fēng)荷載的基本風(fēng)壓進(jìn)行分析。并按照該規(guī)范中的規(guī)定計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，計(jì)算公式如式（7）所示：

式中：ωk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

βgz——高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離地面高度與地面粗糙度類別選值；

μsl——風(fēng)荷載局部體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，應(yīng)按照地面粗糙類別確定，規(guī)范中將地面粗糙度分為A、B、C、D四類；

ω0——基本風(fēng)壓，kN/m2。

考慮到當(dāng)前新建建筑主要位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者城市，按B類、C類地面粗糙度分別對(duì)陣風(fēng)系數(shù)取值；選擇封閉式矩形平面房屋的局部體型系數(shù)，迎風(fēng)面取1.0，背風(fēng)面取-0.6；計(jì)算按不利情況下的B類、C類地區(qū)對(duì)風(fēng)壓高度變化系數(shù)進(jìn)行高度變化選值。將各數(shù)值代入式（7）可得，ωk=βgzμslμzω0=1.6βgzμzω0。在不同基本風(fēng)壓和B類、C類地面粗糙度下，各高度處風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果 kN/m2

由于GLC墻板應(yīng)用于高層住宅建筑與單層工業(yè)廠房的外墻板，為了比較相同條件層高下墻板的抗風(fēng)能力，需要對(duì)GLC墻板的開裂承載力進(jìn)行換算。GB 50096—2011《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，普通住宅層高宜為2.8m，需將試驗(yàn)值按照墻板高度2.8 m，寬度0.6 m，兩端鉸接進(jìn)行彎矩等效換算；一般應(yīng)用于單層工業(yè)廠房的混凝土板類高度3.6 m，換算時(shí)按墻板高度3.6 m進(jìn)行等效換算。具體換算開裂荷載數(shù)據(jù)見表8。

表8 GLC墻板的開裂面荷載

3.2.2 GLC墻板抗風(fēng)指標(biāo)

GLC墻板抗風(fēng)性能的優(yōu)劣可以用適用高度及抗風(fēng)等級(jí)2個(gè)抗風(fēng)指標(biāo)表示。結(jié)合表6、表7的計(jì)算數(shù)值，得出GLC墻板最大適用高度，見表9、表10。

表9 GLC墻板在住宅建筑的適用高度 m

表10 GLC墻板在工業(yè)廠房的適用高度 m

作為住宅建筑外墻板應(yīng)用時(shí)，板厚為150、180、200 mm的GLC墻板，其自身抗裂能力較高，滿足全國大部分城市住宅建筑的使用要求，且具有較高的安全儲(chǔ)備；作為工業(yè)廠房外墻板應(yīng)用時(shí)，板厚為180、200mm的GLC墻板可用于基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2以下所有地區(qū)的工業(yè)廠房，且適用高度可達(dá)30 m。

根據(jù)GB/T 21086—2007《建筑幕墻》的規(guī)定，根據(jù)不同的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，墻板的抗風(fēng)等級(jí)一共分為9級(jí)。

結(jié)合試驗(yàn)獲得的各種墻板類型的開裂荷載值，給定GLC硅質(zhì)輕型墻板的抗風(fēng)等級(jí)，見表11。

表11 GLC墻板的抗風(fēng)等級(jí)

由表11可知，板厚為120 mm的墻板抗風(fēng)等級(jí)較低，不建議作為外墻板使用；板厚為150、180、200 mm的墻板，具有較高的抗風(fēng)等級(jí)，可承受較大的風(fēng)荷載，作為裝配式外墻板使用時(shí)具有較高的安全等級(jí)。同時(shí)，適當(dāng)增加外墻板厚度有利于建筑節(jié)能保溫。

4 結(jié)論

（1）GLC墻板在均布荷載作用下經(jīng)歷了彈性階段、裂縫開展階段和破壞階段。各組試件在破壞前有明顯的破壞特征，均屬于延性破壞；根據(jù)裂縫開展情況，為少筋破壞。隨墻板厚度的增大，承載力和剛度不斷提高，但延性略有下降；相比于發(fā)泡水泥芯材，砂漿層厚度的變化對(duì)墻板抗裂承載力的影響更顯著。

（2）建立GLC墻板抗裂彎矩理論計(jì)算公式，與試驗(yàn)結(jié)果比較，誤差小、吻合度高。

（3）在風(fēng)荷載作用下，GLC墻板的受力性能良好，且符合CECS 261：2009要求的抗風(fēng)承載力和撓度變形限制，安全儲(chǔ)備較高，可作為裝配式建筑外墻板使用。

（4）根據(jù)GLC墻板抗風(fēng)能力計(jì)算，得出了該墻板作為裝配式外墻板應(yīng)用時(shí)各種墻板類型的適用高度。建議板厚為180、200 mm的GLC墻板應(yīng)用于100 m以下的住宅建筑和30 m以下的工業(yè)廠房的外圍護(hù)體系，可靠性較高。