预制夹心保温墙体中螺纹式GFRP连接件的试验研究
0 引言
在装配式混凝土剪力墙结构中，预制剪力墙构件通常设计为预制夹心保温墙体，即包括内叶墙、保温层、外叶墙3个构造层，其中内叶墙为剪力墙，起到承受结构荷载的作用;保温层覆盖于剪力墙外侧，起到保温隔热的作用;外叶墙覆盖于保温层外侧，主要起到保护保温层的作用。由于预制夹心保温墙体的保温材料位于内叶墙与外叶墙中间，受混凝土的保护作用，不易受环境影响，因此墙体既具备保温隔热性能，又具备良好的防火性能，同时可实现保温层与墙体同寿命的目的，已逐渐成为装配式建筑的主流技术。
预制夹心保温墙体可设计为组合式或非组合式受力。非组合式预制夹心保温墙体外叶墙和保温板通过连接件与内叶墙连接
根据预制夹心保温墙体中GFRP连接件的受力特点及实际使用要求，结合GFRP材料性能特点，通过构造形式设计及尺寸优化，研发承载力较大的螺纹式GFRP连接件，以减少预制夹心保温墙体中连接件的使用数量，最终实现降低连接件总成本、提高连接件安装效率的目的。
1 原材料选用
JG/T 561—2019《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》中第6.4.1条对连接件材料的拉伸强度、拉伸弹性模量、层间剪切强度作出相关规定。AC320《锚固于混凝土中纤维加固复合连接器的验收标准》中第4.1.3条规定连接件最小弯曲弹性模量应为4.5×106psi(约31 026MPa)，考虑GFRP材料在碱性混凝土环境中的耐腐蚀性能，《锚固于混凝土中纤维加固复合连接器的验收标准》中规定GFRP材料试样在pH=12碱性溶液中浸泡1 000,3 000h后的拉伸强度保留率分别≥90%,85%。参考上述标准，本研究中螺纹式GFRP连接件原材料性能指标如表1所示。
表1 GFRP材料性能参数及相应标准要求
Table 1 Performance paraments of GFRP material and corresponding standards’requirements
2 螺纹式GFRP连接件产品设计
2.1 产品形式
本研究中螺纹式GFRP连接件包括螺纹式GFRP杆体和塑料定位套2部分(见图1)。其中螺纹式GFRP杆体在生产过程中即形成通长的外螺纹，无需对杆体进行破坏性的切削加工，并应在杆体下端加工，便于连接件插入保温板的尖锥状构造，不仅可确保良好的锚固效果及较大的承载力，且在安装时可通过锤击或旋拧直接插入保温板，无需在保温板上预先打孔，从而有效提高连接件的安装效率。塑料定位套通过注塑的方式一体浇铸于螺纹式GFRP杆体中部，并确保其与杆体黏结牢固、不发生相对滑动。
2.2 产品规格型号
螺纹式GFRP连接件分为GS,GL 2种型号，GS型连接件锚固段长40mm，适用于外叶墙厚≤60mm的预制夹心保温墙体;GL型连接件锚固段长50mm，适用于外叶墙厚>60mm的预制夹心保温墙体。每种型号的连接件可根据保温层厚度划分为不同规格，如外叶墙厚60mm、保温层厚50mm的预制夹心保温墙体选用GS型连接件，具体规格为GS-50。
图1 螺纹式GFRP连接件
Fig.1 Threaded GFRP connectors
3 锚固承载力对比试验
3.1 试验设计
为验证本研究中螺纹式GFRP连接件的性能优势，模拟预制夹心保温墙体构造及连接件实际受力条件，制作连接件锚固拉拔试件及锚固剪切试件，并进行拉拔试验及剪切试验
对于锚固拉拔试件，采用混凝土-保温层-混凝土的构造形式，连接件穿过保温层，两端分别锚固于两侧混凝土中。每个锚固拉拔试件中包含1个连接件，置于试件中央，以确保在试件受拉时呈轴心受力状态。连接件锚固拉拔试件形式如图2所示。
对于锚固剪切试件，为保证试件对称受力，采用混凝土-保温层-混凝土-保温层-混凝土的构造形式，每个保温层包含2个连接件，每个锚固剪切试件包含4个连接件。连接件锚固剪切试件形式如图3所示。
螺纹式GFRP连接件规格采用GS-50，混凝土抗压强度等级采用C30，保温材料采用50mm厚聚苯板。制作3个锚固拉拔试件，编号分别为GSL1,GSL2,GSL3。制作3个锚固剪切试件，编号分别为GSJ1,GSJ2,GSJ3。此外，采用同种混凝土同步制作3个边长150mm的立方体试件，编号分别为HL1,HL2,HL3。所有锚固拉拔试件、锚固剪切试件、混凝土立方体试件在标准条件下养护28d后分别进行拉拔试验、剪切试验、抗压强度试验，试验设备采用微机液压万能试验机，按0.5kN/min匀速加载。
图3 连接件锚固剪切试件形式
Fig.3 Form of connector shearing specimens
3.2 试验结果及分析
试验结果如表2所示，试件破坏形态如图4,5所示。由表2可知，锚固拉拔试件抗拔承载力最小值为11.72kN，由于每个锚固拉拔试件中包含1个连接件，因此螺纹式GFRP连接件抗拔承载力最小值为11.72kN。锚固剪切试件抗剪承载力最小值为25.72kN，同理可知螺纹式GFRP连接件抗剪承载力最小值为25.72/4=6.43kN。连接件抗拔承载力、抗剪承载力均满足标准要求，分别为《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》最低要求的1.95,6.43倍。由图4可知，由于螺纹式GFRP连接件杆体表面具有通长的螺纹，可与混凝土紧密结合，因此连接件抗拔承载力较大。由图5可知，由于螺纹式GFRP连接件杆体未经切削加工，整个杆身不存在薄弱截面，连接件受剪时各束纤维随机断于不同截面，呈错位断裂破坏形态，因此连接件抗剪承载力较大。
表2 锚固拉拔试件、锚固剪切试件、混凝土立方体试件试验结果
Table 2 Testing results of tensile specimens,shearing specimens,cubic concrete specimens
综上所述，螺纹式GFRP连接件实测抗拔承载力、抗剪承载力均显著高于《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》的最低要求，因此本研发中螺纹式GFRP连接件的优异力学性能可有效减少预制夹心保温墙体中连接件的使用数量。
图5 锚固剪切试件破坏形态
Fig.5 Failure forms of shearing specimens
4 结语
通过研发螺纹式GFRP连接件，并进行抗拔承载力和抗剪承载力试验，得出以下结论。
1)螺纹式GFRP连接件原材料力学性能及耐腐蚀性能均符合《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》及《锚固于混凝土中纤维加固复合连接器的验收标准》的规定。
2)螺纹式GFRP连接件抗拔承载力、抗剪承载力均符合《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》的规定，且显著高于该标准的最低要求，预制夹心保温墙构件采用螺纹式GFRP连接件可有效降低连接件布置数量。
3)本研究仅测试GS-50规格的螺纹式GFRP连接件抗拔承载力、抗剪承载力，连接件表现出优异的力学性能，但其他规格连接件的承载力有待进一步验证。
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