泡沫密度在RSM集成墙体地震响应中的机制作用

《Journal of Building Engineering》：Mechanistic Role of Foam Density in the Seismic Response of RSM Integrated Walls

本文通过实验研究RSM复合剪力墙中RPUF密度对抗震性能的影响，对比40kg/m3与50kg/m3两种密度下墙体的抗剪能力、刚度退化、耗能能力及破坏模式，发现高密度RPUF显著提升墙体的峰值荷载、初始刚度和累积耗能，并有效延缓薄钢板局部屈曲和撕裂。研究为性能化设计提供实验依据。

　　

郭雷蕾|刘仁杰|李雄燕|薛素朵|赵华龙|王光勇

烟台大学土木工程学院，中国烟台264005

摘要：

RSM（硬质聚氨酯泡沫-钢框架-薄钢板）集成墙是一种新型的复合剪力墙系统。为了研究硬质聚氨酯泡沫（RPUF）的密度对其抗震剪切性能的影响，进行了实验研究。设计了四组全尺寸的墙试件，RPUF的密度分别为40 kg/m³和50 kg/m³，并分别进行了单调加载和低循环反复加载试验。系统地分析了试件的破坏模式、滞回行为、荷载-位移关系、刚度衰减、能量耗散能力和延性，并进行了比较。结果表明，将RPUF的密度从40 kg/m³提高到50 kg/m³，可以显著提高墙体的剪切能力、初始刚度和累积能量耗散能力。此外，较高密度的泡沫有效延缓了薄钢板的局部屈曲和撕裂，从而提高了整体的抗震性能。本研究为基于性能的泡沫填充复合剪力墙的设计和工程应用提供了定量实验依据和见解。

引言

对于建筑结构，尤其是在高地震强度区域的结构，抗侧力系统的设计对于确保其安全性和功能性至关重要。自20世纪70年代以来，钢板剪力墙（SPSWs）由于其优异的延性、高初始刚度和卓越的能量耗散能力，在高层和超高层建筑中显示出巨大的应用潜力[1]、[2]。杨玉清等人[3]阐明了其经典的工作原理：在水平荷载作用下，薄钢板发生屈曲后形成“拉力场”，通过 diagonal tensile stresses 抵抗侧向力，从而提供显著的屈曲后强度和塑性变形能力。Gheshlaghi J S 等人的实验研究[4]也验证了这一机制的有效性。

尽管有坚实的理论基础，但传统未加加固的薄钢板剪力墙在工程应用中面临严峻挑战。主要问题是薄钢板在达到材料强度之前就发生了明显的平面外屈曲。这不仅会产生较大的冲击噪音，影响建筑物的使用性，还会对边界框架施加不对称的附加弯矩，显著增加边界柱的设计难度和截面尺寸[5]、[6]。Astaneh-Asl[7]指出，这种过早屈曲引起的反复塑性变形会导致低循环疲劳效应，削弱结构的能量耗散效率和服务寿命。为了有效抑制屈曲，早期的解决方案包括焊接加固件或直接使用厚钢板。然而，前者会复杂化施工过程，并影响墙内管道的布置和建筑物的功能性；后者则显著增加钢材用量和结构重量，严重削弱了该系统的经济优势[7]、[8]。

为了在高性能和高经济性之间找到更好的平衡，全球研究人员继续推动SPSW系统的创新。这些探索主要集中在以下方向：首先，材料创新，例如Hitaka和Matsui[9]使用低屈服点钢，利用其低屈服强度和高延性，使墙体更早进入能量耗散状态，优化抗震防线。其次，结构形式优化，例如Emami和Mofid[10]对波纹钢板剪力墙的研究表明，其几何形状提供的平面外刚度可以根本延缓弹性屈曲并改善滞回行为。Noruzi等人[25]进一步探讨了不同波纹布置方案对框架性能的影响。第三，复合结构的发展，例如Nie Jianguo等人[11]对双钢板-混凝土复合剪力墙的研究表明，混凝土层可以有效约束钢板屈曲，使墙体具有更高的承载能力和刚度。Wang等人[24]和Lai等人[27]也分别对双钢板-混凝土复合墙的轴向压缩稳定性和预制复合剪力墙的轴向压缩行为进行了深入研究。最后，加固技术的应用，例如Du等人[12]和Jin-guang Y等人[13]的研究表明，将纤维增强聚合物（FRP）粘合在钢板表面可以利用复合材料的强约束效应，显著提高墙体的屈服后强度和延性。

近年来，一种结合了轻质高性能填充材料的“夹心”型复合钢板剪力墙系统为解决薄钢板屈曲问题提供了新的思路。该系统通过在双层钢板之间填充轻质材料，并利用填充物提供的连续侧向支撑，有效延缓甚至防止钢板的局部屈曲，使钢板能够更充分地发挥其拉力场效应，从而协同增强墙体的强度、刚度和能量耗散能力[13]、[14]。在各种填充材料中，硬质聚氨酯泡沫（RPUF）因其独特的性能组合而受到广泛关注。RPUF不仅具有低密度和中等比强度[15]等特性，还具有优异的能量吸收性能[19]、[20]、[21]、[22]，以及方便的现场发泡成型工艺，Wang等人[24]的研究还证明了其持久的疏水性和阻燃性。Sung等人[17]的研究还探讨了不同填充物对聚氨酯复合泡沫物理和声学性能的影响。研究表明，在双层钢板之间填充RPUF可以显著提高墙体的峰值承载能力、峰值后的性能和滞回曲线的饱满度[16]、[18]。Mohamed等人[16]对聚氨酯复合结构保温板的研究也展示了这种复合材料在建筑围护结构中的广泛应用潜力。除了RPUF之外，还有其他几种填充材料表现出与密度相关的力学行为，影响复合墙的性能。例如，轻质混凝土的密度与抗压强度之间存在强相关性，典型密度范围为800至2000 kg/m³，可成比例地提高承载能力[32]。然而，与聚合物泡沫相比，其较高的自重限制了其在重量敏感结构中的应用。铝泡沫是另一种与密度相关的材料，其能量吸收能力随相对密度的增加而增加，这种增加通过类似聚合物泡沫的细胞壁增厚机制实现[33]。研究表明，铝泡沫填充的结构具有更好的抗冲击性能，但制造复杂性和成本仍然是广泛应用的挑战。橡胶化混凝土含有回收轮胎橡胶，表现出与密度相关的阻尼性能，较低密度（1600-2000 kg/m³）在牺牲强度的情况下提供了更好的振动衰减效果[34]。

基于上述背景，本文研究了一种新型的RSM集成墙。该系统采用“钢框架+外部覆层双层薄钢板+内部填充RPUF”的一体化构造，旨在充分利用每个组件的优势，代表了结构和建筑功能整合的有益尝试。刘仁杰等人的初步研究[18]已经初步确认了这种填充墙在不同自攻螺丝间距下的剪切性能。然而，当前研究中仍存在一个关键空白：对于RPUF这种关键填充材料，其核心物理属性——密度——如何系统性和定量地影响墙体的抗震性能和破坏机制，缺乏深入和全面的实验研究。RPUF的力学性能（如抗压强度、抗拉强度和剪切强度）与其密度直接相关[19]、[20]、[21]、[22]。密度的变化必然会改变其与钢板的相互作用机制、荷载分布比和内部能量耗散路径，从而根本影响墙体的破坏模式、承载能力、刚度衰减和延性。

因此，为了填补这一研究空白，本研究旨在通过严格的实验设计系统地揭示RPUF密度对RSM集成墙剪切性能的影响。本文设计并制造了两组不同RPUF密度（40 kg/m³和50 kg/m³）的墙试件。严格遵循《建筑物抗震试验规范》（JGJ/T 101-2015）[29]和《低层冷成型薄壁钢结构技术规范》（JGJ 227-2011）[30]的建议，分别进行了单调加载和循环加载试验。试验加载方案参考了Jiulin等人[26]关于钢板剪力墙抗震合格加载协议的讨论。通过全面分析关键指标，如破坏形态、荷载-位移曲线、滞回特性、刚度衰减和能量耗散能力，本研究旨在：1. 量化RPUF密度对墙体剪切能力和初始刚度的增强效果；2. 阐明密度变化对墙体破坏机制、延性和强度衰减模式的影响；3. 评估密度对墙体累积能量耗散能力和等效粘性阻尼系数的影响。本研究的结果将加深对泡沫填充复合剪力墙工作机制的理解，并为RSM集成墙的基于性能的设计和工程应用提供坚实的实验基础和理论支持。

试件设计

本文设计并制造了4个RSM集成墙试件。硬质聚氨酯泡沫的密度分别为40 kg/m³和50 kg/m³，每种密度各使用2个试件分别进行水平单调加载和低循环反复加载试验。这四个试件分别标记为：QT-D3、QT-Z3、QT-D8和QT-Z8，对应于RPUF密度为40 kg/m³的单调加载试件、RPUF密度为40 kg/m³的低循环反复加载试件以及

单调侧向加载

在QT-D3的加载阶段，墙体试件线性变形，没有明显现象。当荷载达到30kN时，出现了轻微的闷响并持续存在，但没有观察到明显的皱纹。当荷载达到40 kN时，薄钢板的角部出现了小范围的凸起，并伴随着持续的声音。

破坏模式

如图11所示，QT-D3和QT-D8试件表现出相似的初始刚度。然而，QT-D3具有明显的屈服点，而高密度泡沫试件（QT-D8/QT-Z8）没有明显的屈服点，这可以归因于钢框架、薄钢板和RPUF填充物之间的改进的荷载共享机制。随着泡沫密度从40 kg/m³增加到50 kg/m³

结论

本研究通过实验研究了硬质聚氨酯泡沫（RPUF）密度对RSM集成墙抗震性能的影响，得出以下关键发现：

(1)

密度驱动的剪切阻力增强。将泡沫密度从40 kg/m³提高到50 kg/m³，显著提高了墙体的侧向抵抗力。在单调加载下，峰值荷载增加了13.8%，而循环负峰值荷载增加了3.7%。这种宏观增强效应归因于

作者贡献声明

赵华龙：资金获取。薛素朵：监督。李雄燕：项目管理。刘仁杰：方法论、资金获取。郭雷蕾：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿。王光勇：软件

未引用参考文献

[23], [28]。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。