目前, 工程中常用的预制混凝土夹心保温墙体连接件主要分为FRP连接件和不锈钢连接件。与FRP连接件相比, 不锈钢连接件耐久性好、导热系数低、力学性能良好, 在预制混凝土夹心保温墙体中得到广泛应用。常见的不锈钢连接件按照几何形状可分为针状连接件、片状连接件、桁架式连接件和筒状连接件。片状、桶状和桁架式连接件的抗拔与抗剪承载力较高, 但安装较为复杂;针状连接件安装方便, 但需较大的锚固长度 (一般≥55mm) 才能达到设计要求的抗拔承载力.

针对上述问题, 本文研发了一种新型棒状不锈钢连接件。该连接件通过合理设计的截面形式和端部锚固构造, 可实现良好的施工便捷性和力学性能, 并且可大幅缩短连接件在墙体中的锚固长度。在此基础上, 通过拔出试验对该连接件的抗拔性能进行了研究。

本文研发了一种适用于预制混凝土夹心保温墙体的棒状不锈钢连接件, 该连接件由不锈钢棒、倒锥形十字肋和套环组成。其中, 两端的倒锥形十字肋有助于增强连接件在混凝土中的锚固性能。初步分析表明, 采用该构造后, 连接件在混凝土中的锚固长度达到30mm即可满足设计要求。中间套环与保温层厚度相匹配, 主要用于连接件安装过程中的准确定位。连接件的不锈钢棒主体和倒锥形十字肋采用模具一体浇筑成型, 套环采用热塑性材料, 并在不锈钢棒主体和十字肋成型后采用热塑工艺成型。该连接件的具体形式如图1所示。连接件的不锈钢棒采用304不锈钢材料铸造加工, 其力学性能为:拉伸强度530MPa, 拉伸模量204GPa, 剪切强度317MPa。

预制混凝土夹心保温墙体不锈钢连接件拔出试验共3个试件, 其保温层厚度为70mm, 试件的编号为KB-1~KB-3, 试件的混凝土强度等级为C30, 连接件两端混凝土中的锚固长度均为30mm。混凝土板厚度均为170mm。为防止混凝土过早劈裂, 两端的混凝土板内设有双层钢筋网片, 并在钢拉杆上焊接4根锚固筋。每个试件使用1个不锈钢连接件。拔出试验施工如图2所示。

试验在同济大学建筑结构实验室的材料万能试验机上进行。试验数据采用英国Solartron (SI 35951BI) Instrument数据采集系统进行采集。试件加载采用单调静力加载制度。施加的拔出力连续均匀, 加载速度控制在0.5k N/min。

加载过程中测试了连接件不锈钢棒的应变, 以及两块混凝土板之间的相对滑移。

3个试件破坏模式均为连接件端部混凝土锚固破坏。试件在加载至约0.95P_u (P_u为极限抗拉拔承载力) 时在连接件根部混凝土表面出现裂缝, 并迅速发展为近似圆形闭合裂缝, 随后连接件根部从混凝土中拔出, 连接件无可见损伤, 如图3所示。

不锈钢连接件拔出试验的荷载-连接件应变曲线实测值如图4所示, 由图可知:不锈钢连接件沿长度方向拉应变随荷载增大而增大, 基本呈线性关系;发生拔出破坏时, 试件最终破坏形态为连接件端部混凝土锚固失效, 不锈钢连接件沿长度方向的拉应变均<1 000με, 远小于不锈钢连接件纵向拉伸屈服应变 (约2 500με) , 不锈钢连接件未发生破坏。

不锈钢连接件拔出试验中的荷载-滑移曲线实测值如图5所示, 荷载-滑移特征值如表1所示。表1中, P_m为试件的峰值荷载, P_mi为P_m均值, S_m为对应峰值荷载的滑移。由图表分析可知:滑移量随荷载的增大而增大。拔出力<0.2N_u时, 不锈钢连接件与混凝土墙体之间的滑移量均<1.0mm, 荷载-滑移曲线基本呈线性关系, 拔出力主要包括化学胶着力和机械咬合力;当荷载加至 (0.4~0.6) N_u时, 不锈钢连接件与混凝土墙体之间的化学胶着力丧失, 拔出力主要由机械咬合力承担, 此时不锈钢连接件与混凝土之间滑移增加较快, 荷载-滑移曲线呈现明显的非线性关系;当荷载加至约0.9N_u时, 连接件根部混凝土开裂;当荷载达到峰值时, 不锈钢连接件与混凝土墙体间的滑移量S_m在1.1~4.2mm。

以地震烈度7度区某18层住宅为工程原型 (结构高度60m, 按B类地区计算风压) 。基于GB50009—2012《建筑结构荷载规范》及JGJ133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》, 对预制混凝土夹心保温墙体的拔出荷载设计值进行了计算并与试验结果进行对比, 如表2所示。

由表2中数据可见, 棒状不锈钢连接件的抗拔承载力满足工程设计要求, 且具有较大的安全储备。

1) 70mm厚保温层预制混凝土夹心保温墙体不锈钢连接件拔出试验的破坏形态为连接件端部混凝土锚固破坏, 破坏时连接件沿长度方向的拉应变<1 000με, 仅为屈服应变的40%, 不锈钢连接件未发生破坏。

2) 连接件的抗拔承载力试验值为14.8k N, 连接件与混凝土墙体间的最大滑移量在1.1~4.2mm, 满足设计要求, 且具有较大安全余量。