近年来, 随着我国新农村建设进程的加快以及人们对居住环境舒适度要求的不断提高, 能源消耗不堪重负^[1]。在传统粘土砖逐渐被禁止使用的情况下, 运用替代材料, 尤其是研发一种适合我国现阶段国情的低碳复合建筑板材是十分必要的^[2,3]。钢塑复合板作为一种新型建筑结构板材, 主要由镀铬C型钢和模塑聚苯板压聚而成, 具有隔热隔声、节能抗震、轻质高强、安装便捷等优点。

　　 目前在复合板材领域的研究, 基本上是以优化材料的制备工艺、隔声、保温等性能为主, 在替代材料的研发及力学性能试验方面的研究相对较少^[4]。为了解钢塑复合板的力学性能, 以便于使之被广泛应用为装配式结构的隔墙板材, 本文采用拟静力试验研究两种钢塑复合板在往复作用下的水平极限承载力、延性变形能力、耗能能力等力学性能, 为这种新型建筑材料的深入研究和工程应用提供试验数据和性能评估依据。

　　 试验设计了2组各3个钢塑复合板试件, 试件截面尺寸均为3 650mm×2 395mm (高×宽) , 由0.8mm厚的镀铬C型钢做骨架、聚苯乙烯颗粒填充热塑压轧而成的复合板材制成, 并在试件两端 (与镀铬C型钢垂直方向) 用1mm厚的140U型钢加固。A类试件厚度为140mm;B类试件在A类试件两侧各敷10mm厚的硅酸钙板作为面板, 即厚度为160mm。实际工程中, 钢塑复合板墙体通过螺栓连接在建筑的地基梁或每层的楼面梁上, 为了反映工程实际, 获得更好的试验效果, 试验中选用工字钢 (HW200×200×8×12) 和方钢管 (□200×200×10) 整体焊接的底座模拟实际建筑结构中的地基梁或楼面梁, 随后采用螺栓组把底座固定在地面上, 接着将140U型钢和底座进行焊接, 最后再用100mm间距的螺钉把墙体板和140U型钢连接固定, 如图1所示。试件构造及剖面尺寸如图2所示。试件所用钢材符合《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》 (JGJ 227—2011) ^[5], 模塑聚苯板的密度为23kg/m³, 抗拉强度为1.15×10³Pa;硅酸钙板的密度为1 200kg/m³, 抗折强度为9.6×10⁶Pa。

　　 本次试验采用拟静力试验方法, 参照《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ 101—96) ^[6]对试件施加低周往复水平荷载。本试验主要测试此类复合材料墙体的整体承载力和位移变形情况等主要指标。试验使用两个FT21型位移传感器, 分别放置在试件底部和中部, 试验装置如图3所示。

　　 试验准备就绪后, 先进行预加载, 施加往复水平荷载。预加载时, 采用不大于2mm位移反复加载两次, 以消除试件内部组织不均匀性。

　　 正式试验按照以下步骤进行:施加往复水平荷载, 采用控制位移的变幅等幅混合加载控制方法。在试件上部施加水平位移, 加载高度为3 740mm, 并以层间位移角1/1 000, 1/800, 1/500, 1/250, 1/150, 1/100, 1/80, 1/50, 1/40对应的位移为加载位移量级进行控制加载, 每一位移量级循环两次。

　　 使用位移传感器输出测试点位移及剪切变形, 并获得相应点的滞回曲线, 试验过程中主要是观测墙体的整体变形及端角部的变形情况, 同时还要记录墙片开裂、破坏现象和过程。

　　 A类试件在加载初期, 除整体发生轻微的变形外无其他现象出现, 当加载位移到-12mm时, 试件内部开始发出唦唦的声响, 并伴随至试验结束。整个加载过程中钢塑复合板中镀铬C型钢和模塑聚苯板均没有出现相对脱落或张开, 镀铬C型钢未见整体稳定破坏和局部屈曲现象。

　　 B类试件在加载初期同样只是整体发生轻微变形, 当加载位移到16mm时, 硅酸钙板开始出现微裂缝;继续加载, 硅酸钙板上裂缝肉眼可见, 端角部裂缝更为明显, 同时试件内部开始发出唦唦声响;当加载位移至40mm时, 硅酸钙板出现多处裂缝, 且裂缝竖向延伸, 试件端角部镀铬C型钢出现明显的畸变屈曲。试件破坏形态如图4所示。

　　 两类试件的水平极限承载力结果见表1。其中, A类试件的负向平均水平极限承载力比正向平均值提高8.2%, B类试件的负向平均水平极限承载力比正向平均值提高42.3%;B类试件较A类试件, 正向平均水平极限承载力增强5.5倍, 负向平均水平极限承载力增强4.2倍, 说明B类试件在两侧面增加了硅酸钙板后, 水平极限承载力有了较大幅度的提高, 且承载力和变形性能更加稳定。

　　 试验所得滞回曲线是反复荷载作用下构件的荷载-变形关系曲线, 反映的是试件的延性及耗能能力, 也是评定构件抗震性能的重要依据^[7]。两类试件的滞回曲线 (试件平均值) 如图5所示, 对应的滞回环骨架曲线如图6所示。

　　 由图5可知, 两类试件的滞回曲线加载初期大致表现为梭形, 这说明试验加载初期复合板处于弹性受力状态, 滞回曲线狭长, 试件表现为弹性变形, 试件的刚度退化不明显;随着荷载的增加, 位移增长速度大于荷载增长速度, 滞回曲线逐渐饱满, 滞回环变为较为丰满的反S形, 耗能继续增加, 表明复合板具有一定的塑性变形能力, 具有较好的耗能能力;当达到极限荷载时, 由于试件中轻钢龙骨的支撑作用, 板的刚度有所下降, 但下降比较缓慢且平稳, 滞回曲线仍相对饱满, 呈现出反S形。试验中试件总体表现为弯曲破坏形态, 说明复合板有一定的承载力及较好的耗能能力, 最终破坏主要体现在轻钢龙骨承载屈曲的延性破坏。由于板中聚苯颗粒的强度很低而变形可以较大, 所以试验中出现了一定的滑移变形;含有面板的B类试件, 在面板开裂发展时, 滑移变形更为明显。

　　 滞回环围成的面积是评判试件耗能能力的重要标准^[8], 对两类试件的滞回曲线面积进行比较, 可以看出B类试件荷载-位移曲线所围的面积为A类试件的3倍左右, 得知B类试件增加硅酸钙板以后, 其耗能能力及抗震能力得到显著增强, 这说明增加的硅酸钙板使轻钢龙骨之间的联系得到了较大的加强, 同时也增加了板件整体的耗能能力。

　　 根据试验结果对各级循环荷载下的平均刚度进行计算, 平均刚度是指某次加载循环荷载峰值点与原点连线的斜率, 平均刚度与位移的曲线反映了试件刚度随荷载增加的退化情况。试件的刚度退化曲线如图7所示。

　　 由图7可以看出, 尽管两类试件的刚度相差较大, 但是刚度退化曲线形状基本相同, 试件加载初期刚度较大, 试件进入变形破坏阶段时, 刚度退化速度加快, 之后刚度退化逐渐减慢, 达到最大荷载后则趋于平缓。进入变形破坏阶段后, A类试件的刚度降低了33.2%, 达到了0.43kN/mm, B类试件的刚度降低了30.5%, 达到了7.59kN/mm;屈服后A类试件刚度较初始刚度降低了67.1%, B类试件降低了63.5%, 说明这两类试件的变形耗能能力均较强。从残余刚度可见, B类试件残余刚度仍比完好的A类试件刚度大, 且破坏后的变形量比A类试件小。

　　 钢塑复合板材是一种使用保温和轻钢材料制成的新型板墙结构建筑材料。通过对2组足尺试件进行拟静力试验, 经过对试验现象和试验结果的分析, 得到如下结论:

　　 (1) 两侧增加了硅酸钙面板后, 钢塑复合板水平极限承载力有了较大幅度的提高, 且承载力和变形性能好。

　　 (2) 在不同层间位移角对应的位移为加载位移量级的控制加载下, 所得结果显示了试件出众的变形能力及良好的耗能能力, 其延性性能对结构抗震可起到积极的有利作用。

　　 (3) 通过对两类试件的试验研究可发现, 钢塑复合板在往复荷载作用下具有一定的承载能力、较好的变形和耗能性能, 这两类板材均能够作为非结构部件应用于新建筑、已有建筑的改造, 可用作装配式建筑的内部分隔和外部保温墙体, 以及部分建筑的墙体健康加固, 试验结果能为这类墙体板材的设计、分析提供参考。