EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEARING CAPACITY OF PREFABRICATED COMPOSITE INSULATION FACADE PANEL WITH GROOVE
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摘要:
装配式外墙凹槽板(以下简称凹槽板)是一种新型非承重外墙夹芯板,它的内、外叶板均采用加气混凝土条板,夹芯层采用聚苯乙烯泡沫(EPS)保温板,保温板与内外板在上端形成的凹槽可作为现浇混凝土梁模板使用。通过21个蒸压加气混凝土单板试件和42个凹槽板试件的受弯承载力试验,研究了蒸压加气混凝土等级、加气混凝土板厚度、保温板厚度、剪跨比、节点加强措施和加载工况等参数对试件破坏特征和承载力的影响。试验结果表明:采用单调集中力加载时,多数单板试件发生了斜拉破坏,凹槽板试件发生了斜拉破坏或者冲切破坏;单调均布堆载时,单板试件均发生了正截面受弯破坏。蒸压加气混凝土等级由B05-A3.5提高到B06-A5.0时,单板试件、加强型凹槽板试件的开裂弯矩平均值分别提高了13.8%、20.5%,而普通型凹槽板试件开裂弯矩变化不明显。单板试件试验中,加气混凝土板厚度由75 mm增加至100 mm可使极限承载力平均提高15.7%;普通型凹槽板试件内叶板由75 mm增加至100 mm,开裂弯矩平均提高68%。增加保温板厚度对凹槽板的极限承载力影响不显著。保持凹槽板的外叶板100 mm厚度不变,当内叶板厚度为75 mm时,风压工况比风吸工况下的极限承载力平均高出约17.5%。加强型凹槽板比普通型凹槽板开裂荷载更小,但极限承载力与发生斜拉破坏的普通型凹槽板试件接近,大于发生冲切破坏的普通型凹槽板。内叶板厚75 mm的普通型凹槽板试件极限承载力为内、外叶单板极限承载力之和的104%~109.2%;内、外叶板厚度均为100 mm的普通型凹槽板试件极限承载力为内、外叶单板极限承载力之和的86.5%~120.2%,这表明凹槽板试件的内、外叶板和中间保温板有一定的组合效应。在集中力作用下,随着剪跨比的减小,单板试件开裂荷载和极限承载力均明显增加;单板试件在均布堆载试验中测得的极限承载力介于剪跨比为4.52和8.55的集中力加载试件之间。
Abstract:The prefabricated composite insulation facade panel with groove (abbreviated as composite panel) is a new type of non-load-bearing exterior sandwich wall panel. Its inner and outer leaves are autoclaved aerated concrete (abbreviated as AAC) panels, the sandwich layer adopts EPS insulation board, and the groove on the top can be used as cast-in-place concrete beam formwork. The flexural bearing capacity tests on 21 single-board panels and 42 composite panels are carried out, and studied are the effects of parameters such as AAC grade, AAC panel thickness, insulation panel thickness, shear-span ratio, strengthening measures, and loading cases on the failure modes and bearing capacity of the specimens. The test results show that when subjected to monotonic concentrated force loading, most of the single-board panels experience diagonal tension failure, while the composite panels experience either diagonal tension failure or punching failure. When subjected to a monotonic uniformly distributed load, all single-board panels experience flexural failure in the positive moment region. When the grade of AAC is increased from B05-A3.5 to B06-A5.0, the average cracking moment of single-board panels and the reinforced composite panels increase by 13.8% and 20.5%, respectively, while the ordinary composite panels show less significant variation in cracking moment. In the single-board specimen test, increasing the thickness of the aerated concrete board from 75 mm to 100 mm results in an average increase of 15.7% in the ultimate bearing capacity. For the ordinary composite panel, increasing the thickness of the inner flange from 75 mm to 100 mm results in an average increase of 68% in the cracking moment. The increase in insulation board thickness has no significant effect on the ultimate bearing capacity of the composite panels. By keeping the outer leaf of the composite panel at a thickness of 100 mm, when the inner leaf thickness is reduced to 75 mm, the ultimate bearing capacity under wind pressure loading condition is on average approximately 17.5% higher than that under wind suction loading condition. The reinforced composite panel has a smaller cracking load compared to the ordinary composite panel, but its ultimate bearing capacity is close to that of the ordinary composite panels that experienced diagonal tension failure, and greater than that of the ordinary notched plate specimens that experienced punching failure. The ultimate bearing capacity of ordinary composite panels with an inner leaf thickness of 75 mm is 104%~109.2% of the sum of the single inner and single outer leaf panels. The ultimate bearing capacity of ordinary composite panels with both inner and outer leaf thickness of 100 mm is 86.5%~120.2% of the sum of the ultimate bearing capacities of the inner and outer panels, which indicate that there is a certain combination effect between the inner and outer cladding panels and the intermediate insulation board of the composite panels. Under the concentrated force, with the decrease in shear span ratio, the cracking load and ultimate bearing capacity of the single-board panels both increase significantly. The ultimate bearing capacity of the single-board panels measured in the uniformly distributed load test falls between the concentrated force loaded specimens with shear-span ratios of 4.52 and 8.55.
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近年来,高层建筑的外墙外保温材料起火导致了多起重大火灾事故,造成了巨大的经济损失和人身安全威胁[1];在日常使用中,也有相当大比例的外保温系统出现了空鼓、粉化、脱落和保温性能衰减速度快等耐久性不足的现象。装配式外墙凹槽板(以下简称凹槽板)是由清华大学建筑设计研究院研发的一种新型非承重夹芯外墙板,凹槽板的内、外叶板均采用加气混凝土条板,夹芯层采用聚苯乙烯泡沫(EPS)保温板,充分利用了加气混凝土材料的轻质、高强、耐火[2]和保温性能良好等特点,在满足建筑超低能耗节能要求的基础上,实现保温材料与主体结构同寿命,并可实现工业化生产,凹槽板的构造如图1(a)所示。
根据工程需要及节点承载力试验[3]结果,凹槽板按连接构造分为三种板型:1)普通型凹槽板,在上端凹槽底、距板下端100 mm处及两端支点中间三处分别设置连接件的板型,通过紧固螺栓端头的螺母和垫片,将外叶板、内叶板和EPS保温板连为整体,该板型主要用于多、高层建筑,其构造见图1(a)~图1(d);2)加强型凹槽板,在普通型凹槽板的基础上,为克服EPS保温板弹性模量低的缺点[4],在各个穿过EPS保温板部分的螺栓外设置不锈钢套管和垫片,使内、外叶板传力更为直接,实现变形协调,该板型主要用于高层建筑,其加强构造见图1(e);3)简化型凹槽板,单层和低层建筑中风荷载很小,为提高生产效率和降低造价,将普通型凹槽板中间的连接件去掉,简化型板型的抗弯承载力与外叶板单板试件接近。
20世纪70年代,ALEXANDERSON[5] 对蒸压加气混凝土的组成结构和力学性能进行了研究,探索了影响加气混凝土收缩和强度的主要因素;80年代,陈致忠等[6]对配筋加气混凝土板、加气混凝土砌块和加气混凝土砌体构件的力学性能进行了系统的研究,总结出了加气混凝土配筋条板和砌体构件的承载力计算方法,并测得了配筋加气混凝土板中钢筋的自应力[7]。
进入21世纪后,我国对配筋加气混凝土板的研究和应用进入了高峰期,胡建军[8]开展了7块伊通轻质砂加气混凝土板的均布加载抗弯试验,发现规范[9]计算结果与试验结果差异较大。曲秀姝等[10]对4块规格为4500 mm×600 mm×150 mm的AAC墙板进行了均布荷载的抗弯试验研究,试验结果表明墙板的抗剪切承载力满足安全需要,实验现象与ANSYS有限元软件数值分析结果基本一致。陈博珊[11]通过对48块蒸压加气混凝土单板进行集中力四分点加载抗弯试验,观察到蒸压加气混凝土条板的破坏形态均为弯剪破坏,验证了规范[9]中抗剪承载力计算公式的可靠性。王越[12]利用工业废弃瓷粉制成蒸压瓷粉加气混凝土墙板(CF墙板)进行了抗弯承载力试验和节点承载力试验,试验结果表明,地面粗糙度为B类和C类地面地区,风压不大于0.6 kN/m2时,CF墙板可用于高度不大于150 m的建筑外墙。在复合板研究方面,文献[13]制作了一种新型夹芯板,两侧表面采用可再生植物纤维,夹芯层采用加气混凝土板,试验结果表明:新型复合板的强度高、韧性好、承载力安全系数高,可大幅降低建筑工程材料价格。张国伟等[14]通过8块芯材采用岩棉的蒸压加气混凝土复合板抗弯试验,发现复合板在加载过程中大多数发生了剪切破坏,并给出了考虑岩棉板作用的开裂弯矩理论计算公式。文献[15]对采用外包FRP增强的加气混凝土复合板进行了抗弯承载力试验,结果表明FRP可显著提高加气混凝土条板的抗弯承载力和延性。
综上所述,国内外学者[16 − 19]针对单层加气混凝土墙板和加气混凝土砌块的承载力试验研究较多,而关于本文所研究的复合夹芯凹槽板的研究相对较少。因此,开展凹槽板受弯时的破坏模式和承载性能的相关研究对此类复合墙板的工程应用和推广具有重要意义。
本文设计了21个蒸压加气混凝土单板试件和42个凹槽板试件的抗弯承载力试验,变化的参数主要有:蒸压加气混凝土等级、加气混凝土板厚度、保温板厚度、剪跨比、节点加强措施和加载工况等。根据试验结果分别给出各参数对试件抗弯承载力的影响规律。研究成果可为装配式外墙凹槽板的工程设计及应用推广提供依据。
1 试验概况
凹槽板的外叶板厚度均为100 mm,3.5 m高凹槽板试件内叶板厚度为100 mm,3.15 m高凹槽板试件内叶板厚度为75 mm,内、外叶板材料强度等级保持一致。加气混凝土按干密度-强度等级分为B05-A3.5和B06-A5.0,其中A3.5、A5.0为加气混凝土的强度等级,分别表示抗压强度标准值为3.5 MPa、5.0 MPa;B05、B06为加气混凝土的干密度等级,分别表示干密度不超过525 kg/m3、625 kg/m3;加气混凝土条板中的钢筋均为HPB300级冷拔钢筋,直径为5.0 mm。
通过统计发现,产品推广地区的最大基本风压为0.7 kN/m2,最高设防烈度为8度。实际工程中,凹槽板主要承受面外风吸力、风压力、温度作用和地震作用,由于凹槽板的竖向缝和水平缝使用柔性材料密封,试件设计仅需考虑面外风荷载和地震作用。在面外风吸力作用下,普通型凹槽板内叶板承受集中力作用,与风压力作用下受力状态不同,因此,同时或单独承受面外风吸力和地震作用为最不利受力状态。
1.1 单板试件设计
单板试件规格同凹槽板的外叶板或内叶板,长度分别为3.5 m、3.15 m的凹槽板外叶板和与之配套的内叶板配筋详图分别见图2和图3,根据受力计算[20]和工艺要求,蒸压加气混凝土板的纵筋均为双层对称配筋,单侧纵筋配置为6
5.0,横向钢筋布置参照国标图集[21]及本课题组前期的节点试验[3]结果确定。1.2 凹槽板试件设计
凹槽板主要应用于装配式混凝土及钢结构居住类建筑,根据层高确定的凹槽板受弯承载力试件长度分为3.5 m和3.15 m两种;凹槽板与主体结构连接节点如图4所示,考虑现浇梁高度为400 mm,楼板厚度为150 mm。
受连接构造影响,普通型凹槽板在风吸和风压工况下受力模式不同,需设置两类试件。加强型凹槽板内、外叶板厚度相等时,风吸和风压工况下受力模式一致;厚度不等时,仅设置风压力工况测试试件。3.5 m长普通型凹槽板的抗弯试件见图5(a)和5(b);加强型凹槽板的抗弯试件见图5(c),在三个螺栓处均设置了不锈钢套管和垫片;3.15 m长度的凹槽板试件参照图5(a)~图5(c)设置。
1.3 材性试验
按规范方法[22 − 23]测得的冷拔钢筋极限强度为690 MPa,屈服强度为633 MPa,断后伸长率7.36%,截面收缩率65.92%;B05-A3.5级蒸压加气混凝土立方体抗压强度分别为:F方向6.1 MPa,S方向3.3 MPa,T方向4.6 MPa;B06-A5.0级蒸压加气混凝土立方体抗压强度分别为:F方向7.8 MPa,S方向4.6 MPa,T方向6.8 MPa,其中S、T、F代表加气混凝土试块的加载方向,详见图6。
1.4 试件分组
本文设计了21个蒸压加气混凝土单板抗弯承载力试件,共17个规格(部分规格的试件有重复),变化的参数主要有:蒸压加气混凝土等级、加气混凝土板厚度、剪跨比和加载工况等。单板抗弯承载力试件分组见表1。试件名称以“W75-3000-35A-1”为例,“W”表示抗弯试件,“75”表示单板试件厚度为75 mm,“3000”表示试件总长度为3000 mm,“35”表示蒸压加气混凝土强度等级为A3.5级,“A”表示该试件为连接节点附近设置横向加强钢筋,最后的数字“1”为试件的编号次序。
表 1 蒸压加气混凝土单板抗弯承载力试验试件参数表Table 1. Parameter table of AAC single panel' bending bearing capacity test specimens序号 试件编号 厚度/mm 干密度-强度等级 支座中心距/mm 加载点中心距/mm 备注 1 W75-3000-35A-1~3 75 B05-A3.5 2650 1325 2 W75-3000-35A-4* 75 B05-A3.5 2650 − 均布堆载 3 W100-3150-35A-1~3 100 B05-A3.5 2650 1325 4 W100-3150-35A-4 100 B05-A3.5 2650 1000 5 W100-3150-35A-5 100 B05-A3.5 2650 883 三分点加载 6 W100-3150-35A-6 100 B05-A3.5 2650 1950 7 W100-3150-35A-7* 100 B05-A3.5 2650 − 均布堆载 8 W100-3350-35A-1 100 B05-A3.5 3000 500 9 W100-3350-35A-2* 100 B05-A3.5 3000 − 均布堆载 10 W100-3500-35A-1 100 B05-A3.5 3000 1500 11 W100-3500-35A-2 100 B05-A3.5 3000 − 局部破损 12 W100-3350-50A-1 100 B06-A5.0 3000 500 13 W100-3350-50A-2 100 B06-A5.0 3000 2000 14 W100-3500-50A-1* 100 B06-A5.0 3000 500 15 W100-3500-50A-2* 100 B06-A5.0 3000 1000 三分点加载 16 W100-3500-50A-3 100 B06-A5.0 3000 1750 17 W100-3500-50A-4* 100 B06-A5.0 3000 500 注:除注明者外,试件均采用单调集中力加载;编码末尾带“*”的单板试件发生了受弯破坏。 此外,设计的42个凹槽板抗弯承载力试件,共36个规格(部分规格的试件有重复),试件名称的含义与单板试件相同,试件分组见表2。
表 2 凹槽板抗弯承载力试验试件参数表Table 2. Parameter table of AAC composite panel' bending bearing capacity test specimens序号 试件编号 总厚度/
mm保温板
厚度/mm内叶板
厚度/mm干密度-
强度等级支座中心距/
mm加载点中心距/
mm垫片
规格节点加强
措施工况 备注 1 W275-3150-35A-1 275 100 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 2 W275-3150-35A-2* 275 100 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风吸力 3 W275-3150-35A-3* 275 100 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风压力 4 W325-3150-35A-1 325 150 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 5 W325-3150-35A-2* 325 150 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风吸力 6 W325-3150-35A-3* 325 150 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风压力 7 W375-3150-35A-1 375 200 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 8 W375-3150-35A-2* 375 200 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 无 风吸力 9 W375-3150-35A-3* 375 200 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风压力 10 W425-3150-35A-1* 425 250 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 11 W425-3150-35A-2 425 250 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风吸力 12 W425-3150-35A-3* 425 250 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 无 风压力 13 W425-3150-35A-4 425 250 75 B05-A3.5 2650 - DP21 无 风压力 堆载 14 W300-3500-35A-1~2 300 100 100 B05-A3.5 3000 1000 DP11 有 风压力 三分点加载 15 W300-3500-35A-3 300 100 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 有 风压力 16 W300-3500-35A-4 300 100 100 B05-A3.5 3000 1500 DP21 无 风吸力 17 W300-3500-35A-5 300 100 100 B05-A3.5 3000 1500 DP21 无 风压力 18 W350-3500-35A-1 350 150 100 B05-A3.5 3000 1000 DP11 有 风压力 三分点加载 19 W350-3500-35A-2 350 150 100 B05-A3.5 3000 1000 DP11 有 风压力 三分点加载 20 W350-3500-35A-3 350 150 100 B05-A3.5 3000 1500 DP12 无 风吸力 21 W350-3500-35A-4 350 150 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风压力 22 W400-3500-35A-1 400 200 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 有 风压力 23 W400-3500-35A-2* 400 200 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风吸力 24 W400-3500-35A-3 400 200 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风压力 25 W450-3500-35A-1 450 250 100 B05-A3.5 3000 500 DP11 有 风压力 26 W450-3500-35A-2 450 250 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风吸力 27 W450-3500-35A-3* 450 250 100 B05-A3.5 3000 1500 DP21 无 风压力 28 W300-3500-50A-1 300 100 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 有 风压力 29 W300-3500-50A-2* 300 100 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风吸力 30 W300-3500-50A-3 300 100 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风压力 31 W350-3500-50A-1 350 150 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 有 风压力 32 W350-3500-50A-2 350 150 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风吸力 33 W350-3500-50A-3 350 150 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风压力 34 W400-3500-50A-1 400 200 100 B06-A5.0 3000 500 DP11 有 风压力 35 W400-3500-50A-2 400 200 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风吸力 36 W400-3500-50A-3* 400 200 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风压力 37 W450-3500-50A-1 450 250 100 B06-A5.0 3000 500 DP11 有 风压力 38 W450-3500-50A-2 450 250 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 有 风压力 39 W450-3500-50A-3* 450 250 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风吸力 40 W450-3500-50A-4*~5* 450 250 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风压力 注:除注明者外,试件均采用单调集中力加载。垫片DP11外径为50 mm,厚度为2.0 mm;DP12外径为50 mm,厚度为2.5 mm;DP21外径为60 mm,厚度为2.5 mm;DP31外径为70 mm,厚度为2.5 mm;所有垫片内径均为16 mm;编码末尾带“*”的凹槽板试件发生了冲切破坏。 1.5 加载方案及测点布置
试验设计参照行业标准[22]中推荐的试验方法,主要采用单调集中力四分点加载法测试试件的抗弯性能;为研究剪跨比对承载力的影响,对比试件分别采用均布堆载法和变剪跨比的集中力加载法。
采用集中力四分点加载的蒸压加气混凝土单板抗弯承载力试验装置如图7(a)~图7(b)所示;采用均布堆载加载的蒸压加气混凝土单板抗弯承载力试验装置如图7(c)~图7(d)所示。普通型凹槽板和加强型凹槽板风压力工况下集中力四分点加载的抗弯承载力试验装置如图8(a)~图8(b)所示;普通型凹槽板风吸力工况下集中力四分点加载的抗弯承载力试验装置如图8(c)~图8(d)所示;采用均布堆载加载的普通型凹槽板抗弯承载力试验装置如图8(e)~图8(f)所示。
采用高精度液压千斤顶向分配梁上施加集中荷载,再由分配梁通过滚轴和加压钢板施加给试件,逐级单调加载。根据承载力范围不同,单板试件分为10级~15级加载,凹槽板试件分为20级~30级加载,每一级加载荷载为0.5 kN~1.0 kN,试件的荷载-位移曲线处于线性阶段时,每一级加载值为1.0 kN,试件的荷载-位移曲线进入非线性阶段,每一级加载值为0.5 kN;荷载施加速度为(0.5±0.05) kN/s,每级荷载稳定维持2 min~3 min再开始下一级加载,如此反复加载到试件破坏。
均布堆载试验采用在试件上表面放置沙袋,大沙袋重量为25 kg,小沙袋重量为10 kg,沙袋由板跨度中心线向两侧对称布置,严控荷载的均匀性和对称性,避免重量不均匀或试件倾覆。每级荷载施加完成后,保持5 min~10 min用于记录裂缝位置和位移计读数。
集中力加载试验中,单板试件在跨中布置2个位移计用来测量和记录跨中变形,两端支座各布置2个位移计;凹槽板试件在跨中布置4个位移计用来测量和记录外叶板和内叶板跨中变形,两端支座各布置2个位移计。均布堆载加载试验中,单板试件的位移计布置与集中力加载试验一致,凹槽板试件仅在跨中下侧和支座设置位移计。单板试件和凹槽板试件跨中应变片布置分别见图8(g)和图8(h)。
2 试验加载过程及现象
2.1 单板试件
对单板试件分别采用了单调集中力加载和均布堆载加载,除加载点间距不大于1/3跨度的单调集中力加载试件和均布堆载加载试件发生了正截面受弯破坏外,其余试件均为斜拉破坏,在表1中对发生正截面破坏的单板试件在编号尾部添加了“*”标记。
以试件W75-3000-35A-3为例,采用单调集中力四分点法加载,当总荷载达到3.5 kN~4.5 kN,伴随着一声清脆的“砰”的响声,试件在靠近跨中的底部出现第一道横向裂缝,由板底向板顶迅速扩展,裂缝宽度和长度可目测;随着荷载增加,纯弯段内横向裂缝和弯剪段斜向裂缝逐渐增多加长;总荷载达到7.0 kN~8.0 kN时,弯剪段中最不利斜向裂缝迅速延伸至加载点,出现斜拉破坏,试件破坏后裂缝分布见图9(a),表1中W75-3000-35A-1~3号试件破坏时对应的跨中平均位移值为63.66 mm,挠跨比为1/42,可见单板试件具有较好的变形能力。从试件破坏后裂缝分布图可以看出,裂缝沿试件跨度中线呈一定的对称性。
对试件W75-3000-35A-4进行单调均布堆载加载,当堆载总重量达到269.2 kg/m2时,试件在跨中位置出现第一道裂缝,此时跨中竖向变形值为24 mm,约为跨度的1/110;当堆载总重量达到552.2 kg/m2时,试件跨中受压区混凝土被压碎,表现为正截面受弯破坏,破坏裂缝分布见图9(b);其余采用均布堆载加载的试件同样出现了此类破坏形态。
2.2 凹槽板试件
对凹槽板试件主要采用单调集中力加载,75 mm厚内叶板的凹槽板有7个普通型凹槽板试件和1个加强型凹槽板发生了冲切破坏;1个普通型凹槽板试件和3个加强型凹槽板发生了斜拉破坏;仅设置的1个均布堆载试件内、外叶板均发生了开裂,但试件在保证试验安全的最大荷载下整体变形较小,还可承受继续加载。对内叶板厚度为100 mm的凹槽板试件采用单调集中力加载时,有8个普通型凹槽板试件发生了冲切破坏,9个普通型凹槽板试件和12个加强型凹槽板发生了斜拉破坏;在表2中对发生冲切破坏的凹槽板试件编号尾部添加“*”作标记。
以普通型凹槽板W275-3150-35A-3为例,采用单调集中力四分点加载法模拟风压力工况,总荷载达到7.0 kN时,伴随着一声清脆的“砰”的响声,外叶板下侧在加载点附近出现第一道裂缝,由板底向上迅速扩展,可在板侧直接用肉眼观测;总荷载达到8.5 kN时,内叶板开裂;随着荷载继续增加,内、外叶板在纯弯段内陆续出现多道横向裂缝,在弯剪段出现多道斜裂缝,早期出现的裂缝宽度和长度都在不断扩展;当总荷载达到21.0 kN时,试件内叶板发生冲切破坏,试件破坏图及裂缝分布图见图10。
普通型凹槽板W275-3150-35A-2在风吸力工况下,总荷载达到9.0 kN时,外叶板在加载点处的上侧出现第一道裂缝;总荷载达到11.0 kN时,内叶板在跨中位置的上侧开裂;当总荷载加到21.0 kN时,内叶板发生冲切破坏。试件破坏图及裂缝分布图见图11。风吸力工况下普通型凹槽板试件破坏时裂缝较少,外叶板裂缝集中在加载点附近,内叶板裂缝集中在跨中附近。
风压力工况下加强型凹槽板W275-3150-35A-1的总荷载加到5.0 kN时,外叶板在跨中下侧出现第一道裂缝;总荷载达到9.0 kN时,内叶板下侧开裂;当荷载达到20 kN时,外叶板发生斜拉破坏。试件破坏图及裂缝分布图见图12。
普通型凹槽板W425-3150-35A-4采用单调均布堆载加载,当堆重达到735.8 kg/m2时,外叶板在跨中下侧出现第一道裂缝;堆载达到934 kg/m2时,内叶板下侧开裂;当加堆载达到1471.7 kg/m2时,外叶板和内叶板裂缝继续增多,但未加到承载能力极限状态,此时堆载过高,鉴于安全考虑停止加载,试件加载实物图及裂缝分布图见图13。
B05-A3.5级内叶板为100 mm厚的典型凹槽板试件破坏形态见图14(a)~图14(c);B06-A5.0级典型凹槽板试件破坏形态见图14(d)~图14(f),图中试件除W300-3500-50A-2为冲切破坏外,其余均为斜拉破坏。
3 试验结果分析
3.1 跨中截面应变分布情况
以单板试件W75-3000-35A-1为例,其跨中荷载-应变发展和应变沿截面高度分布情况见图15(a)和图15(b),由图15可知,单板在开裂之前,中和轴位于截面形心处,当集中力达到0.48Pu后,截面开裂,中和轴稍微上移,板侧应变片读数变为正数,板顶压应变迅速增长,应变与荷载不再呈现线性关系。
以普通型凹槽板试件W300-3500-35A-5为例,在风压力工况下,跨中应变发展和沿截面高度分布曲线分别见图16(a)和图16(b),由图中应变分布可知,在凹槽板破坏前,内、外叶板各自受弯;凹槽板发生斜拉破坏时,压应变达到最大值。
3.2 跨中位移发展情况
以单板试件W75-3000-35A-1为例,图17(a)中的荷载-位移曲线在试件开裂前有明显的线性段,加载后期荷载-位移曲线呈非线性特征;图17(b)中的凹槽板的荷载-位移曲线的非线性特征显著,此外从内、外叶板的位移分布曲线来看,在达到极限承载力之前,内外叶板的相对变形较小。
4 各参数的影响分析
4.1 风吸力和风压力工况的影响
风吸力和风压力工况对凹槽板抗弯承载力的影响见图18,从图中可知,内叶板厚度为75 mm的凹槽板在风压力工况下的抗弯承载力比风吸力工况下平均提高幅度为17.5%;内叶板厚度为100 mm的凹槽板,风压力工况下的抗弯承载力比风吸力工况平均提高幅度为8.6%;由此可见,当内、外叶板不等厚时,风吸力和风压力两种工况下凹槽板的抗弯承载力差异明显,这是因为内叶板厚度为75 mm的凹槽板在风吸力工况下更容易在内叶板发生冲切破坏。
4.2 节点加强措施的影响
风压力工况下,节点加强措施对凹槽板开裂荷载和极限承载力的影响分别见图19(a)和图19(b)。
由图19可知,在风压力工况下,普通型凹槽板的开裂荷载普遍高于加强型凹槽板,最大提高幅度为100%,平均提高幅度为43.3%,这是因为在风压力作用下,加强型凹槽板的内叶板受加强套管和垫片传递的集中荷载,比普通型凹槽板更容易达到开裂弯矩。而普通型凹槽板极限承载力接近或低于加强型凹槽板,当普通型凹槽板破坏模式为斜拉破坏时,极限承载力与加强型凹槽板差距不大;发生冲切破坏时,极限承载力低于加强型凹槽板。
4.3 蒸压加气混凝土等级的影响
蒸压加气混凝土等级对单板和凹槽板的开裂弯矩影响分别见图20(a)和图20(b)。由图20(a)可知,在蒸压加气混凝土强度从3.5 MPa提高到5.0 MPa时,100 mm厚单板开裂弯矩平均提高幅度为13.8%;由图20(b)可知,内叶板为100 mm的加强型凹槽板开裂弯矩平均提高幅度为20.5%;内叶板为100 mm厚的普通型凹槽板开裂弯矩变化幅度为−21.8%~20.6%,平均提高幅度为−0.5%;因此,提高蒸压加气混凝土等级对单板及加强型凹槽板的开裂弯矩提高较为明显。
4.4 蒸压加气混凝土板厚度的影响
在风压力工况下,蒸压加气混凝土板厚度对单板开裂弯矩的影响见图21(a),对凹槽板的开裂弯矩的影响见图21(b)。由图可知,单板试件厚度由75 mm提高到100 mm,开裂弯矩最大提高幅度为4.2%,平均提高幅度为−15.0%,这是因为75 mm厚的板材损坏率高,工厂相应提高了加气混凝土等级;在其他条件不变的情况下,将内叶板厚度由75 mm提高到100 mm,加强型凹槽板的开裂弯矩平均提高幅度为64.9%,普通型凹槽板的开裂弯矩平均提高幅度为71.2%;由此可见,增加蒸压加气混凝土板厚度可以提高单板的开裂弯矩,并可显著增加凹槽板的开裂弯矩。
4.5 保温板厚度的影响
保温板厚度变化对凹槽板开裂荷载和极限承载力的影响分别见图22(a)和图22(b)。由图可知,增加保温板厚度总体上可提高凹槽板的开裂弯矩,最大提高幅度为68.2%;但对凹槽板的极限承载力影响无明显规律,总体变化幅度不大;这说明特定试件在开裂前,外叶板和内叶板通过与EPS保温板的摩擦力形成了一定的组合效应;而在极限状态下,它对内外叶板的变形协调作用不大。
4.6 剪跨比的影响
剪跨比对蒸压加气混凝土单板的抗弯承载力影响见图23。从图中可见,随着剪跨比的减小,试件极限承载力明显增加,最大增幅可达到175%,均布堆载的抗弯承载力介于剪跨比为4.52和8.55的试件之间。
4.7 单板与凹槽板抗弯承载力的对比
在风压力工况下,单板与凹槽板开裂弯矩对比见图24(a);单板与凹槽板的极限承载力对比见图24(b)。由图可知,B05-A3.5级内叶板厚度为75 mm的普通型凹槽板开裂弯矩为同等级内、外叶单板开裂弯矩之和的82.1%~102.3%;内叶板厚度为100 mm的B05-A3.5级普通型凹槽板开裂弯矩为内、外叶单板开裂弯矩之和的137.6%~184.2%;内叶板厚度为100 mm的B06-A5.0级普通型凹槽板开裂弯矩为同等级内、外叶单板开裂弯矩之和的94.6%~133.6%。说明在开裂前,内、外叶板通过保温板存在一定的组合效应。
B05-A3.5级内叶板厚度为75 mm的普通型凹槽板极限承载力为内、外叶单板极限承载力之和的104%~109.2%;B05-A3.5级内叶板厚度为100 mm的普通型凹槽板极限承载力为内、外叶单板极限承载力之和的86.5%~120.2%,说明凹槽板试件中内、外叶板在承载力极限状态下仍有一定的组合作用。
5 结论
本文分别对21个单板试件和42个凹槽板试件开展了抗弯力学性能试验研究,分别改变了蒸压加气混凝土等级、加气混凝土板厚度、保温板厚度、剪跨比、节点加强措施和加载工况等参数,获得了单板和凹槽板受弯破坏特征和承载力,主要得到以下结论:
(1)单板在开裂之前,中和轴位于截面形心处,开裂后中和轴上移;凹槽板从开裂到破坏的整个过程中,内、外叶板均为受弯状态,可共同受力。
(2)凹槽板的外叶板保持100 mm厚度不变,内叶板厚75 mm的试件极限承载力平均值在风压力工况下比风吸力工况下高约17.5%,这是因为在风吸力作用下75 mm厚的内叶板冲切破坏发生较早;内叶板厚度为100 mm试件的极限承载力平均值在风压力工况下比风吸力工况下高8.6%;由此可见,当内、外叶板不等厚时,正负风压下的凹槽板的极限承载力存在差异,在设计时应予以重视。
(3)普通型凹槽板的开裂荷载普遍高于加强型凹槽板,最大提高幅度为100.0%,平均提高幅度为43.3%,这是因为加强型凹槽板的加强措施产生了不利影响;但加强型凹槽板试件的极限承载力大于发生冲切破坏的普通型凹槽板,与发生斜拉破坏的普通型凹槽板试件接近。
(4)蒸压加气混凝土等级由B05-A3.5提高到B06-A5.0,100 mm厚的单板试件开裂弯矩平均值提高幅度为13.8%;内叶板为100 mm厚的加强型凹槽板开裂弯矩平均提高幅度为20.5%;内叶板为100 mm厚的普通型凹槽板开裂弯矩平均提高幅度为−0.5%;因此,提高蒸压加气混凝土等级对单板及加强型凹槽板的开裂弯矩提高幅度较大。此外,内叶板厚由75 mm提到100 mm,对加强型和普通型凹槽板开裂弯矩的提高幅度均在60%以上。
(5)随着剪跨比的减小,单板试件的极限承载力明显增加,最大增幅可达到175%;均布堆载试件的抗弯承载力介于剪跨比为4.52和8.55的试件之间。
(6)增大保温板的厚度,凹槽板的开裂弯矩总体上得到了提高,说明凹槽板在开裂前内、外叶板有一定的组合效应;但保温板厚度对极限承载力的影响无明显规律,总体变化幅度不大。
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表 1 蒸压加气混凝土单板抗弯承载力试验试件参数表
Table 1 Parameter table of AAC single panel' bending bearing capacity test specimens
序号 试件编号 厚度/mm 干密度-强度等级 支座中心距/mm 加载点中心距/mm 备注 1 W75-3000-35A-1~3 75 B05-A3.5 2650 1325 2 W75-3000-35A-4* 75 B05-A3.5 2650 − 均布堆载 3 W100-3150-35A-1~3 100 B05-A3.5 2650 1325 4 W100-3150-35A-4 100 B05-A3.5 2650 1000 5 W100-3150-35A-5 100 B05-A3.5 2650 883 三分点加载 6 W100-3150-35A-6 100 B05-A3.5 2650 1950 7 W100-3150-35A-7* 100 B05-A3.5 2650 − 均布堆载 8 W100-3350-35A-1 100 B05-A3.5 3000 500 9 W100-3350-35A-2* 100 B05-A3.5 3000 − 均布堆载 10 W100-3500-35A-1 100 B05-A3.5 3000 1500 11 W100-3500-35A-2 100 B05-A3.5 3000 − 局部破损 12 W100-3350-50A-1 100 B06-A5.0 3000 500 13 W100-3350-50A-2 100 B06-A5.0 3000 2000 14 W100-3500-50A-1* 100 B06-A5.0 3000 500 15 W100-3500-50A-2* 100 B06-A5.0 3000 1000 三分点加载 16 W100-3500-50A-3 100 B06-A5.0 3000 1750 17 W100-3500-50A-4* 100 B06-A5.0 3000 500 注:除注明者外,试件均采用单调集中力加载;编码末尾带“*”的单板试件发生了受弯破坏。 表 2 凹槽板抗弯承载力试验试件参数表
Table 2 Parameter table of AAC composite panel' bending bearing capacity test specimens
序号 试件编号 总厚度/
mm保温板
厚度/mm内叶板
厚度/mm干密度-
强度等级支座中心距/
mm加载点中心距/
mm垫片
规格节点加强
措施工况 备注 1 W275-3150-35A-1 275 100 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 2 W275-3150-35A-2* 275 100 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风吸力 3 W275-3150-35A-3* 275 100 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风压力 4 W325-3150-35A-1 325 150 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 5 W325-3150-35A-2* 325 150 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风吸力 6 W325-3150-35A-3* 325 150 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风压力 7 W375-3150-35A-1 375 200 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 8 W375-3150-35A-2* 375 200 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 无 风吸力 9 W375-3150-35A-3* 375 200 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风压力 10 W425-3150-35A-1* 425 250 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 有 风压力 11 W425-3150-35A-2 425 250 75 B05-A3.5 2650 1325 DP21 无 风吸力 12 W425-3150-35A-3* 425 250 75 B05-A3.5 2650 1325 DP11 无 风压力 13 W425-3150-35A-4 425 250 75 B05-A3.5 2650 - DP21 无 风压力 堆载 14 W300-3500-35A-1~2 300 100 100 B05-A3.5 3000 1000 DP11 有 风压力 三分点加载 15 W300-3500-35A-3 300 100 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 有 风压力 16 W300-3500-35A-4 300 100 100 B05-A3.5 3000 1500 DP21 无 风吸力 17 W300-3500-35A-5 300 100 100 B05-A3.5 3000 1500 DP21 无 风压力 18 W350-3500-35A-1 350 150 100 B05-A3.5 3000 1000 DP11 有 风压力 三分点加载 19 W350-3500-35A-2 350 150 100 B05-A3.5 3000 1000 DP11 有 风压力 三分点加载 20 W350-3500-35A-3 350 150 100 B05-A3.5 3000 1500 DP12 无 风吸力 21 W350-3500-35A-4 350 150 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风压力 22 W400-3500-35A-1 400 200 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 有 风压力 23 W400-3500-35A-2* 400 200 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风吸力 24 W400-3500-35A-3 400 200 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风压力 25 W450-3500-35A-1 450 250 100 B05-A3.5 3000 500 DP11 有 风压力 26 W450-3500-35A-2 450 250 100 B05-A3.5 3000 1500 DP11 无 风吸力 27 W450-3500-35A-3* 450 250 100 B05-A3.5 3000 1500 DP21 无 风压力 28 W300-3500-50A-1 300 100 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 有 风压力 29 W300-3500-50A-2* 300 100 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风吸力 30 W300-3500-50A-3 300 100 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风压力 31 W350-3500-50A-1 350 150 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 有 风压力 32 W350-3500-50A-2 350 150 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风吸力 33 W350-3500-50A-3 350 150 100 B06-A5.0 3000 1500 DP21 无 风压力 34 W400-3500-50A-1 400 200 100 B06-A5.0 3000 500 DP11 有 风压力 35 W400-3500-50A-2 400 200 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风吸力 36 W400-3500-50A-3* 400 200 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风压力 37 W450-3500-50A-1 450 250 100 B06-A5.0 3000 500 DP11 有 风压力 38 W450-3500-50A-2 450 250 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 有 风压力 39 W450-3500-50A-3* 450 250 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风吸力 40 W450-3500-50A-4*~5* 450 250 100 B06-A5.0 3000 1500 DP11 无 风压力 注:除注明者外,试件均采用单调集中力加载。垫片DP11外径为50 mm,厚度为2.0 mm;DP12外径为50 mm,厚度为2.5 mm;DP21外径为60 mm,厚度为2.5 mm;DP31外径为70 mm,厚度为2.5 mm;所有垫片内径均为16 mm;编码末尾带“*”的凹槽板试件发生了冲切破坏。 -
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