李書進(jìn)等
摘要:介紹和分析了燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體的構(gòu)造和特點(diǎn),通過試驗(yàn)研究了其力學(xué)性能;進(jìn)行了夾心復(fù)合墻體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、低周往復(fù)水平荷載試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析,研究了該種墻體的破壞形態(tài)、抗震性能及變形能力。結(jié)果表明:燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體的理論分析結(jié)果與墻體試驗(yàn)結(jié)果吻合較好;該類夾心墻體具有良好的耗能能力及變形能力;燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體有廣闊的應(yīng)用前景,值得推廣使用。
關(guān)鍵詞:復(fù)合墻體;燒結(jié)清水裝飾磚;擬靜力試驗(yàn);節(jié)能;力學(xué)性能
中圖分類號:TU362文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0引言
在建筑的能耗中,外墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體,其能耗約占總能耗的50%[1],可見外墻所用材料的保溫性能將直接影響建筑的耗能量,加強(qiáng)墻體的保溫隔熱性能是建筑節(jié)能的必經(jīng)之路。多年以來,中國建筑墻體一般采用單一材料,如早期的實(shí)心粘土磚,目前的空心磚、空心砌塊、加氣混凝土砌塊等。單一材料導(dǎo)熱系數(shù)大,一般為高效保溫材料的20倍以上,即使采用有效保溫措施也難以達(dá)到節(jié)能65%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因此需要走復(fù)合墻體的道路[2]。
隨著建筑市場優(yōu)質(zhì)工程需求的加大,高檔裝飾磚在建筑施工與應(yīng)用方面的優(yōu)勢已逐漸被市場認(rèn)識和接受,市場空間也不斷加大。承重多孔磚已經(jīng)朝著高利廢、高強(qiáng)度、同時(shí)具有清水磚裝飾效果的多功能方向發(fā)展。中國有些地區(qū)已經(jīng)開始利用當(dāng)?shù)刭Y源(主要是頁巖、淤泥等)生產(chǎn)高檔清水磚,部分有遠(yuǎn)見的建筑企業(yè)也開始使用清水磚或其過渡產(chǎn)品——清水貼片建設(shè)高檔樓盤,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[3]。將燒結(jié)清水裝飾磚與普通多孔磚相結(jié)合組成的夾心復(fù)合節(jié)能墻體由于具有強(qiáng)度高、裝飾效果好、耐候性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),將具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將對這一體系進(jìn)行介紹,并對其力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。
1燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體
所謂燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體是指將傳統(tǒng)磚墻沿墻厚方向一分為二,采用燒結(jié)清水裝飾磚作為墻體的外葉,普通燒結(jié)多孔磚作為墻體內(nèi)葉,兩葉之間夾以保溫材料,并用鋼筋加以拉結(jié)的夾心復(fù)合墻體,具體構(gòu)造如圖1所示。
燒結(jié)清水裝飾磚夾心復(fù)合節(jié)能墻體采用清水裝飾磚作為墻體的外葉,且直接作為外墻裝飾,與傳統(tǒng)的單一材料墻體或夾心墻體相比,除有保溫、隔熱、節(jié)能等性能外,還具有其他墻體無法比擬的優(yōu)勢。
首先,該體系暴露在外與外界惡劣氣候相接觸的是耐候性極強(qiáng)的高檔燒結(jié)磚,耐候性不強(qiáng)的材料則被保護(hù)在內(nèi)部,避免了普通外墻飾面過于脆弱、易開裂、脫落、使用壽命短等缺點(diǎn),提高了建筑物的耐久性,延長了建筑壽命。
其次,采用清水裝飾磚直接作為外墻裝飾節(jié)省了做外墻保溫層、粘貼外墻磚或刷涂料的時(shí)間以及相應(yīng)的人工費(fèi)和材料費(fèi),提高了砌筑效率,降低了建筑成本。
此外,清水裝飾磚作外墻裝飾,典雅、自然、莊重、美觀,適用于建設(shè)文化藝術(shù)氛圍濃厚的精品建筑、田園式建筑、仿歐美建筑和相應(yīng)的城市景觀等,用途十分廣泛。
近年來,筆者以武漢湖泊淤泥為主要原料,研制出了一種高強(qiáng)、耐久、具有古樸典雅裝飾風(fēng)格的環(huán)保陶瓷清水磚。湖泊淤泥在該清水磚配方的添加量超過80%,產(chǎn)品規(guī)格一般為240 mm×115 mm×90 mm或240 mm×115 mm×53 mm,孔洞率25%以上,也可以做成各種異型產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室樣品已試制成功(圖2),擬準(zhǔn)備進(jìn)行批量生產(chǎn)。將這種新材料應(yīng)用到夾心復(fù)合墻體不僅能變廢為寶,而且可以引領(lǐng)建筑向藝術(shù)化、個(gè)性化、返璞歸真和自然天成的方向發(fā)展,進(jìn)一步提升建筑品位,具有巨大的社會(huì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。
2力學(xué)性能試驗(yàn)
2.1抗壓試驗(yàn)
2.1.1試件設(shè)計(jì)
抗壓試驗(yàn)的試件尺寸為240 mm×250 mm×690 mm(圖3),按照夾心復(fù)合墻體系的施工方法與工藝流程進(jìn)行砌筑,試件實(shí)際尺寸平均值為235 mm×247 mm×700 mm。燒結(jié)清水裝飾磚和普通燒結(jié)多孔磚的強(qiáng)度等級為MU20,砂漿強(qiáng)度等級分M7.5和M10兩種,每種各3個(gè)試件,將這些構(gòu)件依次編號為SJ1至SJ6。
試件砌筑完成后,在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù),達(dá)到強(qiáng)度后按砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法在壓力機(jī)上進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)。砌筑完成后的試件抗壓試驗(yàn)情況如圖4所示。
2.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析
開裂荷載與極限荷載在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義,它們是反映結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵指標(biāo)。試件開裂荷載的取值是通過試驗(yàn)過程肉眼觀察而來的,具有隨機(jī)性和離散性,極限荷載是試件發(fā)生極限破壞時(shí)的荷載,取壓力試驗(yàn)機(jī)的測力計(jì)指針明顯回退時(shí)的讀數(shù),該讀數(shù)為試驗(yàn)過程中最大的荷載讀數(shù)。表1為墻體試件的開裂荷載和極限荷載。
對試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,其公式為σ=N/A,其中σ為試件的抗壓強(qiáng)度,A為試件受壓面積,A=0.058 m2。取試件抗壓強(qiáng)度f1,f2,f3的平均值fm,試件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=0.45fm,按《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對配筋砌體的規(guī)定,試件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)修正值按fM=γaf進(jìn)行修正,其中γa為修正系數(shù),當(dāng)其中砌體截面面積小于0.2 m2時(shí),γa為其截面面積加0.8,得γa=0.858。試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2。
2.1.3墻體拉結(jié)筋的作用
節(jié)能夾心復(fù)合墻中Z形拉結(jié)筋的作用主要是保證內(nèi)、外2片墻體的協(xié)同工作、協(xié)調(diào)變形,同時(shí)提高夾心墻體的整體穩(wěn)定性,使之成為一個(gè)有機(jī)整體。試驗(yàn)中通過粘貼在拉結(jié)筋表面的應(yīng)變片可以觀測到,當(dāng)豎向荷載較小時(shí),拉結(jié)筋應(yīng)變較小,基本上不起作用,墻體平面外變形小。隨著荷載的增大,拉結(jié)筋應(yīng)變開始增大,拉結(jié)筋開始發(fā)揮作用,試件有發(fā)生平面外變形的傾向。在加載至開裂荷載之前,鋼筋受力基本上隨荷載增加而有規(guī)律地變化。至接近極限荷載到試件完全喪失承載力階段,拉結(jié)筋應(yīng)變陡然增加到最大值,墻體進(jìn)入塑性發(fā)展階段,兩葉墻平面外變形增大。
2.2低周往復(fù)水平荷載試驗(yàn)
2.2.1試件設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2片墻體,分別為墻1和墻2,試件尺寸如圖5所示。
試件按照夾心復(fù)合墻體系的施工方法與工藝流程進(jìn)行制作。夾心墻體試件墻1和墻2均采用燒結(jié)清水裝飾磚和普通燒結(jié)多孔磚,其強(qiáng)度等級為MU20,砂漿強(qiáng)度等級分為M7.5和M10兩種。構(gòu)造柱混凝土強(qiáng)度等級為C20,頂梁及底梁混凝土強(qiáng)度等級為C30。構(gòu)造柱截面尺寸為240 mm×240 mm,縱向鋼筋為412,箍筋為6@200。
2.2.2加載方案和加載程序
該試驗(yàn)加載裝置如圖6所示,水平荷載采用頂點(diǎn)加載。豎向加載采用2個(gè)液壓千斤頂通過分配梁將豎向荷載傳至墻頂。構(gòu)造柱內(nèi)上下端鋼筋及墻體均布置了若干電阻應(yīng)變片。
(1)彈性階段
當(dāng)荷載較小時(shí),墻體荷載位移曲線近似為直線,此階段夾心墻體能協(xié)同工作,變形協(xié)調(diào),內(nèi)、外葉相對變形較小。
(2)彈塑性階段
當(dāng)荷載增大,內(nèi)、外葉墻體開裂并發(fā)展,墻面交叉裂縫形成,其荷載位移曲線呈曲線上升,形成滯回環(huán)。
(3)下降段
當(dāng)達(dá)到極限荷載后,墻體抗側(cè)能力將隨著位移增大而減小,其荷載位移曲線呈曲線下降。
隨著荷載繼續(xù)增大,墻體逐漸形成對角交叉裂縫,甚至有墻片剝落現(xiàn)象,直至試件破壞。試件典型破壞形態(tài)如圖8所示。
2.2.5試驗(yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析可知,在砂漿強(qiáng)度范圍內(nèi),夾心墻體的抗剪承載力隨砂漿強(qiáng)度的提高而增大。這主要是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)的破壞形式為沿砌體灰縫截面的剪摩破壞,砌體的抗剪破壞主要取決于水平灰縫中砂漿與砌塊的粘結(jié)強(qiáng)度。隨著砂漿強(qiáng)度的提高,砌體的抗剪強(qiáng)度也隨之增大,從而夾心墻體的抗剪承載力也隨之增大。
3數(shù)值模擬
為進(jìn)一步了解夾心復(fù)合墻體的力學(xué)性能,采用有限元方法對夾心復(fù)合墻體進(jìn)行了數(shù)值模擬和計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。
有限元分析采用大型軟件ABAQUS進(jìn)行。夾心復(fù)合墻體的有限元模型主要包括砌塊、砂漿、底梁、頂梁、構(gòu)造柱和拉接件。為了簡化計(jì)算,將砌塊和砂漿構(gòu)成的砌體視為均質(zhì)材料[89]。
3.1基本假定
(1)墻體底梁在試驗(yàn)?zāi)M過程中無任何轉(zhuǎn)角及位移。
(2)鋼筋混凝土材料及砌體磚塊均為均質(zhì)材料,且各向同性。
(3)拉接件同砌體之間連接緊密,且破壞前不產(chǎn)生滑移[10]。
(4)構(gòu)造柱、頂梁、底梁同夾心復(fù)合墻體之間緊密連接。
(5)底梁和頂梁始終處于彈性狀態(tài),即不產(chǎn)生破壞。
(6)不考慮夾心復(fù)合墻體內(nèi)部保溫材料的受力。
3.2模型參數(shù)選擇
夾心復(fù)合墻體中各構(gòu)件材料參數(shù)按照現(xiàn)場試驗(yàn)情況確定,實(shí)測參數(shù)見表3。構(gòu)造柱混凝土強(qiáng)度等級為C20,頂梁及底梁混凝土強(qiáng)度等級為C30。構(gòu)造柱截面尺寸為240 mm×240 mm,縱向鋼筋為412,箍筋為6@200?;炷?、砌塊、砂漿、鋼筋等均根據(jù)基本力學(xué)性能試驗(yàn)來確定其材料參數(shù),如實(shí)測強(qiáng)度、彈性模量等。
3.3模型的建立
砌體、構(gòu)造柱、頂梁、底梁的模擬均按應(yīng)用實(shí)體單元中的完全積分單元(C3D8),梁柱內(nèi)部鋼筋及拉接件的模擬均采用空間桁架單元(T3D2)。砌體及混凝土材料本構(gòu)模型均采用ABAQUS中自帶的混凝土損傷塑性模型[1112],模型參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)測定結(jié)果取值。
圖11為構(gòu)造柱應(yīng)力云圖,云圖顯示構(gòu)造柱底部受拉應(yīng)力較大,這也與試驗(yàn)現(xiàn)象中構(gòu)造柱底部裂紋較多相符。圖12為拉接件應(yīng)力云圖,云圖顯示拉接件發(fā)生彎曲屈服的位置主要分布在墻體中間偏上部位,而其他部位的拉接件變形較小,這與試驗(yàn)中得到的結(jié)論較吻合。圖13為試驗(yàn)夾心復(fù)合墻體滯回曲線,通過比較數(shù)值試驗(yàn)同夾心墻體試件試驗(yàn)的開裂荷載可知,兩者數(shù)值很接近。通過對比可以看出復(fù)合夾心墻體數(shù)值試驗(yàn)中應(yīng)力集中部位同試驗(yàn)中破壞較嚴(yán)重的部位較吻合,且數(shù)值試驗(yàn)所得的開裂荷載同夾心墻體試件試驗(yàn)的開裂荷載較接近,表明該數(shù)值計(jì)算可以比較精確地模擬夾心復(fù)合墻體的受力性能。
本文試驗(yàn)中夾心復(fù)合墻體處于低周反復(fù)水平荷載和豎向荷載作用下的復(fù)合受力狀態(tài),主拉應(yīng)力破壞理論和庫侖破壞理論這2種基本理論是復(fù)合受力狀態(tài)下墻體破壞的主要理論。根據(jù)主拉應(yīng)力破壞理論,即當(dāng)作用于砌體上的主拉應(yīng)力大于其抗主拉應(yīng)力強(qiáng)度時(shí),砌體就會(huì)發(fā)生剪切破壞,砌體抗剪強(qiáng)度的一般表達(dá)式為
fV=fV01+σ0fV0(1)
式中:σ0為作用于砌體截面的平均壓應(yīng)力;fV為砌體抗剪強(qiáng)度;fV0為砌體水平灰縫抗剪強(qiáng)度。
庫侖破壞理論(剪摩理論)認(rèn)為,砌體水平灰縫的抗剪強(qiáng)度fV0與作用于砌體截面的平均壓應(yīng)力σ0形成的摩阻力之和構(gòu)成了砌體的剪摩強(qiáng)度即抗剪強(qiáng)度。當(dāng)砌體所受的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí),砌體將沿砂漿的剪切面發(fā)生剪切破壞,其強(qiáng)度表達(dá)式為
fV=αfV0+μσ0(2)
式中:α為相關(guān)系數(shù),變化范圍為0.5~1.0;μ為摩擦因數(shù)。
試驗(yàn)顯示,在豎向荷載與水平荷載的共同作用下,夾心復(fù)合墻體在初始時(shí)刻基本上維持彈性狀態(tài),因此夾心復(fù)合墻體的荷載位移曲線基本上是一條直線。由此可見,在豎向荷載和水平荷載初始加載時(shí),夾心墻體的剛度基本不變。隨著水平荷載的逐漸增加,在水平和豎向灰縫中同時(shí)出現(xiàn)裂縫,然后裂縫沿著夾心墻體灰縫向墻體兩側(cè)斜向發(fā)展,形成X形裂縫。因此,夾心墻體所受的主拉應(yīng)力超過其抗主拉應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致夾心墻體產(chǎn)生裂縫,表明可以采用主拉應(yīng)力破壞理論來計(jì)算夾心復(fù)合墻體的開裂荷載[13]。
在夾心復(fù)合墻體的X形主裂縫形成后,夾心墻體沒有立刻進(jìn)入承載力極限狀態(tài),其仍具有抵抗一定側(cè)力的能力,顯然這一現(xiàn)象無法用主拉應(yīng)力破壞理論來解釋。試驗(yàn)觀察到在夾心墻體的灰縫開裂后,夾心墻體并沒有在垂直于X形主裂縫的方向上被完全拉開,而是沿著水平灰縫相互錯(cuò)動(dòng),所以墻體能夠繼續(xù)承受水平反復(fù)荷載的作用,直至沿X形主裂縫的水平灰縫粘合強(qiáng)度完全喪失,隨著摩擦因數(shù)不斷變小,夾心墻體會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移,墻體的剪切摩擦機(jī)制不斷破壞,當(dāng)夾心墻體兩側(cè)的構(gòu)造柱剪斷后,達(dá)到墻體的極限荷載[13]。
試驗(yàn)分析得出,通過主拉應(yīng)力破壞理論可以描述夾心復(fù)合墻體開裂前的狀態(tài),以及計(jì)算夾心復(fù)合墻體的開裂荷載;通過庫侖破壞理論可以解釋夾心復(fù)合墻體開裂后的承載力極限狀態(tài),以及計(jì)算夾心復(fù)合墻體的極限荷載,所以應(yīng)根據(jù)夾心墻體的狀態(tài)去選擇對應(yīng)的理論進(jìn)行計(jì)算分析。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,參考以往研究[13],本文通過采用組合截面抗剪計(jì)算模式進(jìn)行夾心復(fù)合墻體的抗剪承載力計(jì)算,即將內(nèi)、外葉墻的抗剪承載力V1,V2相加得到夾心復(fù)合墻體的抗剪承載力V,即
V=V1+V2(3)
V1,V2均采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中有構(gòu)造柱參與的磚砌體抗剪承載力計(jì)算模型,即
V1=ηcfV1(A1-Ac)+ξftAc+0.08fyAs(4)
V2=ηcfV2(A2-Ac)+ξftAc+0.08fyAs(5)
式中:ηc為內(nèi)葉墻墻體約束修正系數(shù),在一般情況下系數(shù)取值為1.0,當(dāng)存在構(gòu)造柱且柱間距不大于3.0 m時(shí)系數(shù)取值為1.1,本文試驗(yàn)中ηc取值為1.1;fV1,fV2分別為內(nèi)、外葉墻抗剪強(qiáng)度;A1,A2分別為內(nèi)、外葉墻橫截面面積(包括端部構(gòu)造柱),本文試驗(yàn)中取值為0.3 m2;ξ為中部構(gòu)造柱參與工作系數(shù),居中設(shè)1根時(shí)取0.5,多于1根時(shí)取0.4;As,Ac分別為鋼筋和混凝土截面面積。
由于本文試驗(yàn)的2片夾心復(fù)合墻體的內(nèi)、外葉墻兩端均有構(gòu)造柱約束,同時(shí)考慮到在墻體開裂時(shí)墻體兩端構(gòu)造柱基本處在彈性小變形階段,該階段構(gòu)造柱的作用主要是加強(qiáng)對中間墻體的約束從而提高夾心墻體的抗剪承載力,所以根據(jù)規(guī)范公式簡化得到本文所研究的夾心復(fù)合墻體的抗剪承載力計(jì)算公式為
V=ηc(fV1A1+fV2A2)(6)
采用彈性方法計(jì)算時(shí),復(fù)合受力狀態(tài)下計(jì)算夾心復(fù)合墻體的開裂荷載采用的是主拉應(yīng)力理論。根據(jù)中國試驗(yàn)與研究,取剪力不均勻系數(shù)為1.2,采用主拉應(yīng)力理論,則內(nèi)、外葉墻的抗剪強(qiáng)度分別按下式進(jìn)行計(jì)算
5結(jié)語
夾心復(fù)合墻由于其具有良好的保溫、隔熱、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),必將能得到更廣泛的應(yīng)用,對其加以研究和推廣亦具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。將燒結(jié)清水裝飾磚應(yīng)用到夾心復(fù)合墻體更能體現(xiàn)該體系的優(yōu)勢,可以使建筑更加耐久和美觀,更體現(xiàn)出自然魅力。本文通過對該墻體的試驗(yàn)和理論研究表明,理論分析同墻體試驗(yàn)情況吻合較好,該類夾心墻體具有較好的耗能能力及變形能力,因此,中國應(yīng)盡快出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),促進(jìn)這類墻體的應(yīng)用和發(fā)展,建立起科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展的建筑體系。
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