王雪花，方露，吳智慧，倪駿，費(fèi)本華

(1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院， 南京 210037；2.蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215105；3. 國際竹藤中心，北京 100102)

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不同加載方式SIP墻體的抗剪性能

王雪花1，方露1，吳智慧1，倪駿2，費(fèi)本華3

(1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院， 南京 210037；2.蘇州昆侖綠建木結(jié)構(gòu)科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215105；3. 國際竹藤中心，北京 100102)

摘要：以3種不同的單向加載方式對(duì)以木質(zhì)OSB覆面的SIP墻體進(jìn)行側(cè)向加載實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析3種加載方式下SIP墻體的破壞形式及這3種加載方式對(duì)墻體抗剪性能參數(shù)的影響，結(jié)果表明：3種加載方式得到的墻體的抗剪性能指標(biāo)有所差異，其中，采用ISO22452加載協(xié)議，即對(duì)墻體施加持續(xù)增加載荷的加載方式所得到的極限承載力最大、極限位移和延性系數(shù)居中，分別為46.06 kN、71.83 mm、3.31；采用ASTM E72-05加載時(shí)極限承載力居中、極限位移及延性系數(shù)最大，分別為：40.66 kN、76.97 mm、4.07。采用ASTM E564-06加載，即對(duì)墻體施加階段載荷并使階段目標(biāo)載荷持續(xù)作用一段時(shí)間的方式，所得到的極限承載力、極限位移及延性系數(shù)最小，分別為37.73 kN、54.92 mm、2.91；3種加載方式對(duì)墻體破壞形式的影響不大。

關(guān)鍵詞：SIP墻體；靜力單向加載協(xié)議；破壞形式；抗剪性能

結(jié)構(gòu)保溫板，也稱結(jié)構(gòu)隔熱板 (SIP，structural insulated panels)，是以硬質(zhì)發(fā)泡材料或其他保溫材料為夾心層，外貼壓型鋼板、木板、水泥加壓板等薄板的三明治型的復(fù)合板材，常見的芯材種類有：EPS、XPS、PU以及無機(jī)類保溫材料等，貼面板有：壓型鋼板、歐松板、桔梗板等木質(zhì)板材、水泥加壓板、石膏板等無機(jī)板材。該結(jié)構(gòu)類型的復(fù)合板材具有良好的保溫隔熱性能、抗震性能及輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2], 提高了木材利用率，創(chuàng)造出比傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)形式更加先進(jìn)的SIP 住宅系統(tǒng)(structural insulated panel system，SIPs)[3-4]，在北美和歐洲等地，以SIP為基本單元的SIP住宅系統(tǒng)廣泛用于民用和商用住宅，SIPs建造就像搭積木一樣簡(jiǎn)單快捷，可大大節(jié)省建造時(shí)間和建造費(fèi)用。

作為建筑物的重要組成部分，墻體在建筑中除實(shí)現(xiàn)圍護(hù)、防火、隔音、保溫等需求外，同時(shí)需要承受風(fēng)載及地震等的作用，墻體需具有足夠的承載能力，以便保證墻體的安全[5]。目前，關(guān)于SIP的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究主要集中在近20年。在力學(xué)性能方面，Taylor等[6]1997年進(jìn)行SIP構(gòu)件的試驗(yàn)研究，建立了定向刨花板面板、聚氨酯泡沫板和聚苯乙烯泡沫板芯的SIP的受彎蠕變模型，推導(dǎo)出SIP受彎構(gòu)件撓度隨時(shí)間變化的公式；Keith等[7]于2006年制備了4種厚度的SIP試件，并做了抗彎、軸壓、剪切和測(cè)壓試驗(yàn)，在APA發(fā)表了關(guān)于SIP標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試的報(bào)告，規(guī)定了對(duì)于SIP面板、芯材和膠粘劑的要求指標(biāo)；Kermani[8-9]2006年對(duì)采用定向刨花板作為面板的SIP的抗彎、軸壓、壓彎和抗側(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試，并總結(jié)了高度對(duì)軸向承載力的影響和開洞率對(duì)結(jié)構(gòu)保溫板抗側(cè)力的影響。中國關(guān)于SIP墻體的研究較少，嚴(yán)帥[10]對(duì)SIP墻體的保溫特性進(jìn)行了專門研究，并推導(dǎo)了基于節(jié)能保溫要求的最佳芯層厚度；對(duì)SIP抗彎試件進(jìn)行4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，揭示了這類構(gòu)件的破壞形態(tài)，并對(duì)其受力性能、破壞機(jī)理進(jìn)行了探討；對(duì)SIP抗側(cè)試驗(yàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用楊木膠合板作為SIP面板時(shí)的側(cè)向承載力大于定向刨花板。目前關(guān)于SIP板式結(jié)構(gòu)抗震性能的研究極少。Jamison[11]于1997年對(duì)足尺SIP剪力墻進(jìn)行低周反復(fù)載荷試驗(yàn)，并與輕型木結(jié)構(gòu)墻體做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SIP剪力墻在承受較大的載荷下變形比輕木結(jié)構(gòu)膠合板剪力墻小50%。

從總體上看，盡管SIP板式結(jié)構(gòu)體系作為建筑結(jié)構(gòu)板材具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但國際上關(guān)于SIP作為墻體的研究是很少甚至是嚴(yán)重缺乏的，中國則更少關(guān)于SIP墻體的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)更是無從談起。本研究選取了國外比較常見的關(guān)于木結(jié)構(gòu)墻體的3種單向加載測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以SIP墻體為測(cè)試對(duì)象，研究其破壞形式及抗剪性能，以期為SIP墻體的抗剪性能研究提供一些數(shù)據(jù)。

1材料和方法

1.1材料

實(shí)驗(yàn)所用墻體，墻體由兩片SIP墻板構(gòu)成，每片SIP板的尺寸為1 220 mm×2 440 mm，與加載設(shè)備的連接如圖1。其中,頂梁板由兩根長(zhǎng)度相同但截面尺寸不同的SPF規(guī)格材構(gòu)成，位于上部的稱為上頂梁板，位于下部的稱為下頂梁板；底梁板由兩根長(zhǎng)度相同但截面尺寸不同的SPF規(guī)格材構(gòu)成，位于上部的稱為上底梁板、位于下部的稱為下底梁板(如圖2)。墻體主要部件的基本參數(shù)見表1。

表1　試件組成及尺寸

注：SPF是產(chǎn)自加拿大的主要商用軟木材樹種組合，文中SPF為NLGA 2級(jí)。

墻體連接及固定，覆面板與聚苯乙烯泡沫板之間通過聚氨酯膠合，覆面板與SPF之間、中間兩根作為側(cè)墻骨的SPF之間采用釘連接，墻體底部左右側(cè)墻骨與底梁板之間各錨固一個(gè)L形抗傾覆連接件，底梁板與地梁之間、頂梁板與加載梁之間采用螺栓連接，各連接件規(guī)格尺寸見表2。

表2　連接件參數(shù)

1.2加載程序

采用3種加載方式(ISO 22452[12]、ASTM E564[13]、ASTM E72[14])對(duì)墻體進(jìn)行加載。

ISO 22452加載方案:采用力控制加載程序，載荷持續(xù)增加的加載方式。以6 kN/min的速度加載直至試件破壞。

ASTM E72加載方案：采用力控制加載程序分段加載，加載速度：1.5 kN/min。對(duì)試件施加3個(gè)階段(3.5、7.0、10.5 kN)載荷并分別立即卸載后，再重新加載直至試件破壞。

ASTM E564加載方案中單向加載部分：采用力控制加載程序，分段加載，目標(biāo)載荷保持一定作用時(shí)間，加載速度恒定為6 kN/min。首先對(duì)試件施加預(yù)估最大載荷10%左右的載荷，保持5 min，卸載，保持1 min，再重新加載。當(dāng)加載到預(yù)估最大載荷的1/3和2/3時(shí)保持1 min后卸載，保持5 min，再繼續(xù)加載，直至達(dá)到最大載荷。此方案中的預(yù)估最大載荷，參照ISO 22452加載方案中的破壞載荷。

1.3數(shù)據(jù)記錄及處理

實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄墻體的載荷和位移數(shù)據(jù)，包括：墻體底梁板中間部位的水平位移(圖1測(cè)點(diǎn)2)、左右側(cè)墻骨距底部150 mm處的垂直位移(圖1測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3)、作動(dòng)器作動(dòng)筒的位移以及作動(dòng)器載荷。以作動(dòng)器載荷為墻體載荷，以測(cè)點(diǎn)2處的水平位移對(duì)作動(dòng)器位移進(jìn)行修正，作為墻體位移。

圖1　墻體安裝及加載位置示意Fig.1　scheme of wall installation and position of loading on

圖2　墻體截面Fig.

1.4主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

SIP墻體的抗側(cè)性能，按照等效能量彈塑性曲線的觀點(diǎn)定義以下指標(biāo)考察[15-17]：

極限抗側(cè)剛度：墻體長(zhǎng)度記為L(zhǎng)w，墻體單位長(zhǎng)度承受的最大載荷即為極限抗側(cè)剛度，即：Su=Fmax/Lw;

2結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象

加載過程中，作動(dòng)器施加給SIP墻體的側(cè)向載荷，通過加載橫梁傳遞給頂梁板，之后通過連接釘傳到覆面板，然后通過膠層、連接釘傳到側(cè)墻骨、聚苯板芯層，再通過連接釘傳到抗傾覆連接件以及底梁板，最后通過底梁板上的錨固螺栓傳遞給地梁。將墻體作為一個(gè)整體，作動(dòng)器向墻體施加的側(cè)向載荷，使墻體產(chǎn)生一個(gè)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸即為作動(dòng)器對(duì)角線處的墻角部位(圖6)。在試驗(yàn)中所采用的3種加載協(xié)議下，墻體的破壞均是在作動(dòng)器下方的墻角部位，也是墻體相對(duì)位移較大的部位開始，沿底梁板與覆面板之間的連接部位展開。位于作動(dòng)器下方的抗傾覆連接件與墻體側(cè)墻骨間的自攻螺釘在側(cè)向載荷的作用下從側(cè)墻骨中拔出(圖3(a))，抗傾覆連接件變形其連接失效，墻體覆面板與底梁板之間只剩下釘連接，在作動(dòng)器施加的側(cè)向力作用下，作動(dòng)器側(cè)的墻骨逐漸抬升，底梁板與覆面板之間的釘連接失效，墻體承載力下降。

3種加載方式墻體的破壞情況相似，破壞部位集中在作動(dòng)器側(cè)抗傾覆連接件(圖3(b))以及覆面板與底梁板之間的釘連接部位(圖4(a))，而遠(yuǎn)離作動(dòng)器側(cè)的抗傾覆連接件(圖3(a))、頂梁板和覆面板之間(圖4(b))、側(cè)墻骨和覆面板之間則基本保持未加載前的完好狀態(tài)，兩片SIP墻板之間表現(xiàn)出一定的整體性(圖4a)，但也出現(xiàn)較小幅度的相對(duì)錯(cuò)位(圖5a)。墻體受力時(shí)發(fā)生破壞的部位，滿足兩點(diǎn)：1)在墻體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)位移；2)連接薄弱，容易破壞。針對(duì)墻體受力集中的部位進(jìn)行局部加固，比如，在墻體受力時(shí)容易發(fā)生位移的部位采用強(qiáng)度更高的規(guī)格材、減小連接釘間距等，將可有效提高墻體抵抗側(cè)向載荷的能力。

圖3　抗傾覆連接件的破壞Fig.3　failure of overturning

圖4　覆面板與頂/低梁板之間的破壞Fig.4　failure between covering and top/bottom

圖5　底梁板上釘接點(diǎn)的破環(huán)形式Fig.5　failure forms of nail joint at bottom

圖6　加載過程中的墻體轉(zhuǎn)動(dòng)Fig.6　rotary motion wall during loading on

2.2不同加載協(xié)議下的抗側(cè)性能

圖7　不同加載程序下墻體的載荷位移曲線Fig.7　the loading displacement curveunder different loading

對(duì)曲線進(jìn)行分析得到不同加載協(xié)議條件下墻體各抗側(cè)性能指標(biāo)，列于表3中。

表3　不同加載協(xié)議墻體的抗剪性能參數(shù)

3種測(cè)試協(xié)議中，一種載荷單調(diào)增加直至試件破壞(ISO22452)，一種分段對(duì)墻體進(jìn)行加/卸載(E72)，一種分段加/卸載，同時(shí)使各階段目標(biāo)載荷持續(xù)一定時(shí)間(E564)，從表3可以看出，這3種加載方式對(duì)墻體的抗剪性能指標(biāo)有較大的影響。與ISO22452加載協(xié)議下墻體的抗剪性能相比，E72協(xié)議加載墻體的初始剛度稍提高2.5%，E564協(xié)議加載墻體的初始剛度降低16.7%，這說明階段載荷不持續(xù)作用的加卸載對(duì)墻體初始剛度的影響不大，但階段載荷持續(xù)作用時(shí)則會(huì)造成墻體蠕變而使初始剛度下降；E72及E564加載時(shí)的極限承載力分別降低11.7%、18.8%，說明隨加卸載次數(shù)增多，由于內(nèi)部能耗，墻體極限承載力下降；E72加載時(shí)墻體的延性系數(shù)提高22.9%，但E564加載墻體的延性系數(shù)則降低12.1%，這說明當(dāng)加卸載次數(shù)較少時(shí)可使延性系數(shù)增大，但當(dāng)加卸載次數(shù)較多時(shí)，已造成墻體內(nèi)部損傷而使其位移較小時(shí)就破壞。

承載能力和延性系數(shù)是結(jié)構(gòu)抗震性能和安全性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。極限承載力是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所能承受的最大載荷，與結(jié)構(gòu)所承受的載荷形式有關(guān)。采用反復(fù)加卸載的方式對(duì)墻體施加載荷，在墻體達(dá)到極限載荷前造成了較大的內(nèi)部耗能，隨加卸載次數(shù)增多以及階段載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)，墻體的極限承載能力下降，故試驗(yàn)中采用E564協(xié)議加載墻體的極限承載力及延性系數(shù)均較采用ISO22452及E72協(xié)議加載時(shí)小。

在抗震設(shè)計(jì)中，延性系數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)，結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)，延性系數(shù)大的材料可以依靠自身的彈塑性變形來消耗地震能，避免結(jié)構(gòu)倒塌。與單調(diào)增加的載荷作用(ISO22452)相比，多次加卸載且目標(biāo)載荷不持續(xù)的加載方式(E72)所得到的延性系數(shù)較大，這是由于采用E72協(xié)議加載時(shí)，在50%載荷以上加卸載時(shí)，由于載荷較大且又反復(fù)作用，使墻體的剛度遭到破壞，從而使墻體產(chǎn)生較單調(diào)增加載荷作用時(shí)更大的位移，即墻體進(jìn)行加卸載會(huì)使其抵抗側(cè)向位移的能力減小，位移增大，而造成其延性系數(shù)增大；而采用多次加卸載同時(shí)目標(biāo)載荷持續(xù)的加載方式(E564)的延性系數(shù)減小，這是由于在這種加載方式下，即便受到較小的載荷作用，由于階段性目標(biāo)載荷持續(xù)作用，墻體在載荷作用下已反生了部分不可恢復(fù)的位移，位移變形恢復(fù)能力變差，從而造成載荷達(dá)到50%時(shí)的位移已經(jīng)較大，當(dāng)載荷在50%以上繼續(xù)增大，由于加載過程中墻體內(nèi)部損傷累積，隨位移增大及反復(fù)加卸載作用，使墻體容易出現(xiàn)疲勞破壞，從而造成延性系數(shù)減小。

3結(jié)論

采用3種不同的靜力加載協(xié)議對(duì)木質(zhì)OSB覆面的SIP墻體進(jìn)行抗剪性能測(cè)試，墻體在不同測(cè)試協(xié)議下的破壞形式相似，但抗剪性能參數(shù)因加載協(xié)議的不同而有所區(qū)別。采用持續(xù)加載方式較反復(fù)加卸載方式得到的墻體的極限承載力大，屈服位移也大，延性系數(shù)居中。墻體測(cè)試過程中隨階段目標(biāo)載荷所保持的時(shí)間越長(zhǎng)，墻體所產(chǎn)生的蠕變效應(yīng)增大，其極限承載力變小，極限位移也小，延性系數(shù)最小。

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(編輯胡玲)

Shear performance of SIP wall under different monotonic loading protocols

Wang Xuehua1, Fang Lu1, Wu Zhihui1,Ni Jun2, Fei Benhua3

(1.College of Future and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 100102, P.R. China;3.Suzhou Crownhomes Company Limited by Shares, Suzhou 215105, Jiangsu, P.R. China;3. International Center of Bamboo and Rattan, Beijing 100102, P.R. China)

Abstract:Three different static loading protocols were used in the lateral loading experiment on SIP wall covering with oriented strand board (OSB), and failure forms and shear performance of the SIP wall were recorded and analysed treated by three loading protocols: ISO 22452, ASTM E72-05 and ASTM E564-06. The results showed that shear performances of the SIP walls under the three loading protocols were different, ultimate bearing capacity and ultimate displacement were the largest one, and the ductility factor was the middle one which loaded by ISO 22452, the value were 46.06kN, 71.83mm, 3.31 respectively; while ultimate bearing capacity was the middle one, ultimate displacement and ductility factor were the largest one which loaded by ASTM E72-05, the datas were 40.66kN, 76.97 mm, 4.07 respectively; ultimate bearing capacity 37.73 kN, ultimate displacement 54.92 mm and ductility factor 2.91 were the smallest treated by ASTM E564-06 among the three loading protocols. Failure forms of the walls under the three loading protocols were similar, there were little influence on failure forms caused by the three loading protocols used in this research.

Keywords:SIP wall; static loading protocol; failure forms; shear performance

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.006

收稿日期：2016-01-08

基金項(xiàng)目：南京林業(yè)大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)基金(GXL1023)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20150881)；國家林業(yè)行業(yè)公益性專項(xiàng)(201204701)。

作者簡(jiǎn)介：王雪花(1982-)，女，博士后，主要從事木竹質(zhì)工程材料及應(yīng)用研究，(E-mail) xuehua3099@sina.com。

Foundation item：Initial Funding of Nanjing Forestry Univeraity for High Level Talents(No. GXL1023)； Natural Science Foundation of Jiangsu Province (CN) (No.BK20150881) ； Public Welfare Special Fund of National Forestry Industry(No. 201204701 ).

中圖分類號(hào)：TU531.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2016)03-0041-07

費(fèi)本華(通信作者)，研究員，博士生導(dǎo)師，(E-mail)feibenhua@icbr.ac.cn。

Received:2016-01-08

Author brief：Wang Xuehua(1982-), main interests: wooden products and modification, (E-mail)xuehua3099@sina.com.

Fei Benhua(corresponding author)， professor, doctoral supervisor, (E-mail) feibenhua@icbr.ac.cn.