不同加載方式SIP墻體的抗剪性能

王雪花 方露 吳智慧 倪駿 費本華

摘要：以3種不同的單向加載方式對以木質OSB覆面的SIP墻體進行側向加載實驗，對比分析3種加載方式下SIP墻體的破壞形式及這3種加載方式對墻體抗剪性能參數的影響，結果表明：3種加載方式得到的墻體的抗剪性能指標有所差異，其中，采用ISO22452加載協議，即對墻體施加持續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居中，分別為46.06 kN、71.83 mm、3.31；采用ASTM E72-05加載時極限承載力居中、極限位移及延性系數最大，分別為：40.66 kN、76.97 mm、4.07。采用ASTM E564-06加載，即對墻體施加階段載荷并使階段目標載荷持續作用一段時間的方式，所得到的極限承載力、極限位移及延性系數最小，分別為37.73 kN、54.92 mm、2.91；3種加載方式對墻體破壞形式的影響不大。

關鍵詞：SIP墻體；靜力單向加載協議；破壞形式；抗剪性能

中圖分類號：TU531.11

文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2016）03-0041-07

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

結構保溫板，也稱結構隔熱板 （SIP，structural insulated panels），是以硬質發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合板材，常見的芯材種類有：EPS、XPS、PU以及無機類保溫材料等，貼面板有：壓型鋼板、歐松板、桔梗板等木質板材、水泥加壓板、石膏板等無機板材。該結構類型的復合板材具有良好的保溫隔熱性能、抗震性能及輕質高強的特點[1-2]， 提高了木材利用率，創造出比傳統木結構形式更加先進的SIP 住宅系統（structural insulated panel system，SIPs） [3-4]，在北美和歐洲等地，以SIP為基本單元的SIP住宅系統廣泛用于民用和商用住宅，SIPs建造就像搭積木一樣簡單快捷，可大大節省建造時間和建造費用。

作為建筑物的重要組成部分，墻體在建筑中除實現圍護、防火、隔音、保溫等需求外，同時需要承受風載及地震等的作用，墻體需具有足夠的承載能力，以便保證墻體的安全[5]。目前，關于SIP的試驗數據和研究主要集中在近20年。在力學性能方面，Taylor等[6] 1997年進行SIP構件的試驗研究，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，推導出SIP受彎構件撓度隨時間變化的公式；Keith等[7]于2006年制備了4種厚度的SIP試件，并做了抗彎、軸壓、剪切和測壓試驗，在APA發表了關于SIP標準化測試的報告，規定了對于SIP面板、芯材和膠粘劑的要求指標；Kermani[8-9]2006年對采用定向刨花板作為面板的SIP的抗彎、軸壓、壓彎和抗側性能進行了測試，并總結了高度對軸向承載力的影響和開洞率對結構保溫板抗側力的影響。中國關于SIP墻體的研究較少，嚴帥[10]對SIP墻體的保溫特性進行了專門研究，并推導了基于節能保溫要求的最佳芯層厚度；對SIP抗彎試件進行4點彎曲試驗，揭示了這類構件的破壞形態，并對其受力性能、破壞機理進行了探討；對SIP抗側試驗進行研究，發現當采用楊木膠合板作為SIP面板時的側向承載力大于定向刨花板。目前關于SIP板式結構抗震性能的研究極少。Jamison[11]于1997年對足尺SIP剪力墻進行低周反復載荷試驗，并與輕型木結構墻體做了對比，發現SIP剪力墻在承受較大的載荷下變形比輕木結構膠合板剪力墻小50%。

從總體上看，盡管SIP板式結構體系作為建筑結構板材具有顯著的優勢，但國際上關于SIP作為墻體的研究是很少甚至是嚴重缺乏的，中國則更少關于SIP墻體的測試標準更是無從談起。本研究選取了國外比較常見的關于木結構墻體的3種單向加載測試標準，以SIP墻體為測試對象，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據。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗所用墻體，墻體由兩片SIP墻板構成，每片SIP板的尺寸為1 220 mm×2 440 mm，與加載設備的連接如圖1。其中，頂梁板由兩根長度相同但截面尺寸不同的SPF規格材構成，位于上部的稱為上頂梁板，位于下部的稱為下頂梁板；底梁板由兩根長度相同但截面尺寸不同的SPF規格材構成，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見表1。

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、中間兩根作為側墻骨的SPF之間采用釘連接，墻體底部左右側墻骨與底梁板之間各錨固一個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，各連接件規格尺寸見表2。

1.2 加載程序

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

ISO 22452加載方案：采用力控制加載程序，載荷持續增加的加載方式。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。對試件施加3個階段（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，目標載荷保持一定作用時間，加載速度恒定為6 kN/min。首先對試件施加預估最大載荷10%左右的載荷，保持5 min，卸載，保持1 min，再重新加載。當加載到預估最大載荷的1/3和2/3時保持1 min后卸載，保持5 min，再繼續加載，直至達到最大載荷。此方案中的預估最大載荷，參照ISO 22452加載方案中的破壞載荷。

1.3 數據記錄及處理

實驗過程中實時記錄墻體的載荷和位移數據，包括：墻體底梁板中間部位的水平位移（圖1測點2）、左右側墻骨距底部150 mm處的垂直位移（圖1測點1、測點3）、作動器作動筒的位移以及作動器載荷。以作動器載荷為墻體載荷，以測點2處的水平位移對作動器位移進行修正，作為墻體位移。

2 結果與分析

2.1 實驗破壞現象

加載過程中，作動器施加給SIP墻體的側向載荷，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。將墻體作為一個整體，作動器向墻體施加的側向載荷，使墻體產生一個繞軸轉動，轉動軸即為作動器對角線處的墻角部位（圖6）。在試驗中所采用的3種加載協議下，墻體的破壞均是在作動器下方的墻角部位，也是墻體相對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。位于作動器下方的抗傾覆連接件與墻體側墻骨間的自攻螺釘在側向載荷的作用下從側墻骨中拔出（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，在作動器施加的側向力作用下，作動器側的墻骨逐漸抬升，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器側抗傾覆連接件（圖3（b））以及覆面板與底梁板之間的釘連接部位（圖4（a）），而遠離作動器側的抗傾覆連接件（圖3（a））、頂梁板和覆面板之間（圖4（b））、側墻骨和覆面板之間則基本保持未加載前的完好狀態，兩片SIP墻板之間表現出一定的整體性（圖4a），但也出現較小幅度的相對錯位（圖5a）。墻體受力時發生破壞的部位，滿足兩點：1）在墻體轉動時產生相對位移；2）連接薄弱，容易破壞。針對墻體受力集中的部位進行局部加固，比如，在墻體受力時容易發生位移的部位采用強度更高的規格材、減小連接釘間距等，將可有效提高墻體抵抗側向載荷的能力。

2.2 不同加載協議下的抗側性能

圖7為3種加載協議下墻體的載荷位移曲線?？梢钥吹?，不同加載方式下墻體的極限承載力及相應位移存在明顯的差別。其中，采用ISO22452加載協議時墻體的極限承載力最大，載荷位移曲線的斜率也較其他兩種加載方式稍大，說明其剛度較大，在達到極限承載力后隨載荷增加墻體載荷也減小最快；采用E564加載協議時墻體的極限承載力及相應位移最小，在達到極限承載力之后隨位移增加墻體載荷下降較慢。

3種測試協議中，一種載荷單調增加直至試件破壞（ISO22452），一種分段對墻體進行加/卸載（E72），一種分段加/卸載，同時使各階段目標載荷持續一定時間（E564），從表3可以看出，這3種加載方式對墻體的抗剪性能指標有較大的影響。與ISO22452加載協議下墻體的抗剪性能相比，E72協議加載墻體的初始剛度稍提高2.5%，E564協議加載墻體的初始剛度降低16.7%，這說明階段載荷不持續作用的加卸載對墻體初始剛度的影響不大，但階段載荷持續作用時則會造成墻體蠕變而使初始剛度下降；E72及E564加載時的極限承載力分別降低11.7%、18.8%，說明隨加卸載次數增多，由于內部能耗，墻體極限承載力下降； E72加載時墻體的延性系數提高22.9%，但E564加載墻體的延性系數則降低12.1%，這說明當加卸載次數較少時可使延性系數增大，但當加卸載次數較多時，已造成墻體內部損傷而使其位移較小時就破壞。

承載能力和延性系數是結構抗震性能和安全性能的兩個重要指標。極限承載力是結構或構件所能承受的最大載荷，與結構所承受的載荷形式有關。采用反復加卸載的方式對墻體施加載荷，在墻體達到極限載荷前造成了較大的內部耗能，隨加卸載次數增多以及階段載荷作用時間的延長，墻體的極限承載能力下降，故試驗中采用E564協議加載墻體的極限承載力及延性系數均較采用ISO22452及E72協議加載時小。

在抗震設計中，延性系數是一個重要的指標，結構在遭受地震作用時，延性系數大的材料可以依靠自身的彈塑性變形來消耗地震能，避免結構倒塌。與單調增加的載荷作用（ISO22452）相比，多次加卸載且目標載荷不持續的加載方式（E72）所得到的延性系數較大，這是由于采用E72協議加載時，在50%載荷以上加卸載時，由于載荷較大且又反復作用，使墻體的剛度遭到破壞，從而使墻體產生較單調增加載荷作用時更大的位移，即墻體進行加卸載會使其抵抗側向位移的能力減小，位移增大，而造成其延性系數增大；而采用多次加卸載同時目標載荷持續的加載方式（E564）的延性系數減小，這是由于在這種加載方式下，即便受到較小的載荷作用，由于階段性目標載荷持續作用，墻體在載荷作用下已反生了部分不可恢復的位移，位移變形恢復能力變差，從而造成載荷達到50%時的位移已經較大，當載荷在50%以上繼續增大，由于加載過程中墻體內部損傷累積，隨位移增大及反復加卸載作用，使墻體容易出現疲勞破壞，從而造成延性系數減小。

3 結 論

采用3種不同的靜力加載協議對木質OSB覆面的SIP墻體進行抗剪性能測試，墻體在不同測試協議下的破壞形式相似，但抗剪性能參數因加載協議的不同而有所區別。采用持續加載方式較反復加卸載方式得到的墻體的極限承載力大，屈服位移也大，延性系數居中。墻體測試過程中隨階段目標載荷所保持的時間越長，墻體所產生的蠕變效應增大，其極限承載力變小，極限位移也小，延性系數最小。

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（編輯 胡 玲）