桁架式不锈钢连接件由两侧弦杆及中间腹杆组成, 中间腹杆为不锈钢材质, 两侧弦杆根据应用环境不同, 可选用普通螺纹钢或不锈钢螺纹钢, 弦杆与腹杆通过焊接连接。两侧弦杆锚固在内外叶混凝土板内, 中间斜腹杆穿过保温层, 该产品具有抗剪、抗拉强度高及导热性能低、抗弯性能强等特点。

桁架式不锈钢连接件从20世纪60年代开始, 在欧洲广泛应用 (见图1) 。连接件的耐久性和墙板的隔热性能也经历了项目的实际考验, 芬兰佩克公司在2013年对1栋1970年住宅楼的夹心保温外墙进行红外线成像测试 (见图2) , 当时室内外温差约为30℃, 从红外线热成像显示可以发现保温层位置没有热桥现象, 保温性能良好。

桁架式不锈钢连接件计算按照非组合计算, 即外叶板仅起到保护保温层的作用, 不参与内叶板的内力组合, 内、外叶板变形相对独立, 外叶板自重及受到的荷载组合通过连接件传递至内叶板。桁架式不锈钢连接件具有较好的抗剪、抗弯性能的同时, 也有较好的延性及适应变形的能力, 因此能够消除外叶板在温度变形时产生的应力, 可以自由膨胀, 桁架式不锈钢连接件在欧洲近50年的实践应用可以证明非组合计算理论。下面以芬兰佩克公司的PD型桁架式不锈钢连接件为例, 简要介绍设计方法。

PD型桁架式不锈钢连接件单个波段的标准长度为600mm, 两侧弦杆在混凝土板的锚固深度应≥25mm, 桁架宽度根据保温层厚度选取, 相应地斜腹杆与弦杆的夹角α也会随保温层的厚度发生改变。单个波段斜腹杆的抗拉承载力设计值N_Rd=5.6k N, 混凝土强度等级至少为C30。因此, 连接件的抗拉、抗剪承载力根据α的三角函数关系可以求得 (见图3) 。

预制混凝土夹心外墙板在制作、运输、安装以及正常使用等状态下, 外叶板处在不同工况荷载作用下, 连接件的受力也会不同, 因此需要分别做受力分析。例如, 在正常使用状态下, 只考虑外叶板自重荷载, 即连接件承受竖向剪力, 由斜腹杆的受拉承载力N_Rd和斜腹杆与竖向夹角α计算竖向抗剪承载力, 同时外叶板自重的偏心弯矩产生的压力由保温板承担 (见图4) 。

考虑脱模起吊工况, 此时连接件需要承担外叶板自重和模板的吸附力, 同时也需要考虑一定的脱模起吊动力系数1.2~1.3。此时墙板处于平躺状态, PD型连接件主要承受垂直墙板面的拉拔力, 斜腹杆受拉承载力N_Rd沿起吊方向的分力抵抗这部分荷载。需要注意的是, 在此工况内, 连接件的作用相当于起吊预埋吊钉, 因此起起吊预埋作用时, 安全储备必须>3倍 (见图5) 。

考虑起吊、运输、安装工况时, 连接件需承受外叶板自重及相应的动力系数, 动力系数根据不同的起吊设备选取, 此时连接件的受力模型类似于正常使用状态, 连接件主要承受竖向剪力, 可按同理验算。在考虑风压、风吸工况时, 外叶板承受垂直于墙面的荷载, 此时连接件受力模型类似于脱模起吊工况, 连接件主要承受拉拔力, 可按同理验算。考虑地震作用时, 可把竖向地震作用与自重组合后验算, 连接件承载力满足要求并且有足够的安全储备, 可把平面外水平地震作用与风荷载组合后验算, 连接件拉拔承载力满足要求并有足够的安全储备 (见图6) 。

考虑间接变形时, 主要是收缩变形及温度变形。通常外叶板边缘位置变形较大, 产生的弯矩通过连接件端部位置的斜腹杆受拉抵抗这部分弯矩, 因此连接件与混凝土板边缘的距离需要满足要求 (见图7) 。

由上述分析可以看出, 桁架式不锈钢连接件的受力模型相当复杂, 同时在实际工程中, 由于墙板上有门窗洞口的存在, 会造成各种工况下偏心弯矩的存在, 因此对桁架式不锈钢连接件应尽量做到均匀布置, 减小偏心弯矩的影响。同时, 根据实际工程应用经验分析, 最不利工况为正常使用状态及脱模起吊状态, 因此通常只需关注上述工况下的连接件受力情况、对连接件在混凝土板中的受剪及受拉拔承载力复核即可。

第1步选择连接件型号, 上文提到过桁架式不锈钢连接件的宽度型号根据保温板的厚度选择, 通常宽度为保温板厚度+50mm, 可满足连接件在两侧混凝土板的锚固要求。连接件长度根据墙板的高度适当选取, 为600mm (单波段长度) 的倍数, 此时可知单波段斜腹杆沿水平及竖直方向承载分力值。

第2步根据PD型连接件布置基本原则和构造要求, 均匀布置连接件, 连接件与墙板上、下边缘的距离R应满足300mm≥R≥100mm;连接件与墙板上、下边缘的距离V应满足250mm≥V≥20mm;连接件之间的距离应≥100mm, 且宜≤600mm, 上述要求可保证桁架式连接件在混凝土的锚固承载力, 同时可限制外叶板翘曲。当墙板高度>3 600mm时, 只能布置长度最多为3 000mm的桁架式连接件, 上、下端部剩余空间采用垂直的销钉拉结, 可保证上、下端部的自由收缩变形。当墙板中有门窗洞口, 且洞口一侧的宽度为300~600mm时, 需在此空间内至少布置2根桁架式连接件, 防止外叶板在此处压屈变形 (见图8) 。

第3步根据初步的布置图及连接件的承载力设计值, 分别验算上文提到的几种工况, 且具备足够的安全系数。根据计算结果调整布置方案, 同时复核墙板初始深化图, 避开一些可能会引起位置冲突的预埋件, 绘制桁架式连接件的节点剖面图及技术要求。

提前熟悉连接件布置图, 熟悉不锈钢连接件的安装流程及技术要求, 两侧弦杆在内外叶板的锚固深度为25mm, 误差为±3mm, 首次脱模起吊时的混凝土强度应达到15MPa。

提前准备安装需要的一些工具, 如卷尺、保温板切割用的小刀或者热刀、连接件固定的垫块、混凝土厚度控制的插针等。

根据保温连接件图纸, 可提前裁切保温板, 通常连接件的间距为500~600mm, 可提前采购此宽度模数的保温板, 减少裁切工作量。

桁架式不锈钢连接件主要有2种安装方法, 即提前绑扎法和后插入法, 受混凝土坍落度及石子粒径的影响, 国内目前主要采用的为提前绑扎法安装。

第1步将提前制作完成的外叶板钢筋网片放入模板内, 根据连接件布置图, 把连接件绑扎在钢筋网片上, 在钢筋网下面垫上合适的保护层垫块, 由于连接件与钢网片绑扎, 因此连接件弦杆在外叶板的锚固深度由保护层垫块控制, 故需提前计算, 由于连接件与钢筋网的水平筋绑扎, 因此钢筋网片双向钢筋的上下顺序也会影响弦杆锚固深度, 选用保护层垫块时需要考虑。例如, 60mm厚外叶板, 钢筋网为双向φ6@150, 同时水平筋在上, 此时应选用2cm厚垫块, 可使连接件弦杆在外叶板的锚固深度达到25mm。

第2步浇筑外叶板混凝土, 通过在侧模板上的刻度标记或刻度插针控制外叶板混凝土厚度, 由于连接件采用绑扎法, 因此外叶板混凝土的精度将会影响到连接件弦杆在两侧混凝土板的锚固深度, 故需严格控制。待混凝土振捣抄平后, 依次放入保温板, 两块保温板夹紧连接件, 当缝隙过大时, 可采用柔性泡沫条嵌缝或者打聚氨酯发泡剂填充 (见图9) 。

第3步检查连接件从保温板外露的高度应为25mm, 即为在内叶板的锚固深度, 在连接件上弦杆和保温板之间放入垫块, 可有效防止连接件倾倒。放入内叶板钢筋及模板, 调整内叶板水平筋搁置在连接件上弦杆上, 安装预埋件, 浇筑内叶板混凝土 (见图10) 。

保温板裁切时需裁切平直, 尺寸严格按照图纸要求, 可有效减少缝隙宽度, 减少热损失, 同时有助于桁架连接件垂直站立。国内通常采用EPS和XPS保温板, 根据不同区域厚度在30~100mm, 在安装保温板和连接件时, 可以通过相互挤压使连接件腹杆嵌入保温板, 有效控制板缝。

桁架连接件单个波段长度为600mm, 即每隔600mm有波峰三角凸出弦杆, 在连接件与外叶板钢筋网片绑扎过程中, 如果有波峰三角与水平筋位置冲突, 可沿竖向移动桁架, 使三角避开钢筋网的水平筋。通常外叶板钢筋间距为150mm, 因此可以通过上述操作使整根连接件上的波峰三角全部避开, 无须调整钢筋网, 非常方便。

在保温板铺设完毕后, 应在保温板和外露弦杆之间塞入垫块, 一方面可使上弦杆在内叶板的锚固深度满足要求;另一方面在浇筑内叶板混凝土时, 可有效防止保温板上浮, 影响连接件承载力。

PCF板的内叶板是在施工现场现浇, 因此在现场浇筑前, 桁架式连接件的上弦杆一直处于外露状态, 在雨季施工时, 应做好遮盖及防锈工作。

成都大丰保障房项目B户型采用芬兰佩克PD型桁架式不锈钢连接件, 保温板厚度为40mm, 选用PDM-90型连接件。桁架式不锈钢连接件主要应用于预制混凝土夹心保温墙、PCF板等构件, 如图11所示。

上海龙湖天璞二期项目采用芬兰佩克桁架式不锈钢连接件, 保温板厚度为30mm, 采用PDM-80型连接件。PD型桁架式不锈钢连接件主要应用于预制混凝土夹心墙板、预制凸窗等构件。

由本文介绍的桁架式不锈钢连接件的设计技术要点及施工技术要点可发现其安装简单快捷、质量可控等优点, 我国正处在装配式建筑的迅速发展期, 操作工人的技术水平、相关管理人员的质量意识也需要紧跟步伐, 在学习欧美装配式技术的同时, 也需要考虑我国的基本情况。在预制混凝土夹心保温墙板连接件上选择可靠、耐久且符合国情的连接件尤为重要, 桁架式不锈钢连接件正因为具备此特点而逐渐受到开发商、设计师及施工方的关注。