随着国家大力推进装配式混凝土建筑和实施建筑节能及绿色施工,预制混凝土结构得到越来越广泛的应用,其中墙体节能是实现绿色建筑的关键,具有良好的发展前景。保温墙体作为节能墙体在建筑领域已经得到广泛的推广。目前,工程中常用的保温墙体包括内保温、外保温及夹心保温墙体3种。内保温墙体保温层易受室内装修影响而损坏,外保温存在防火、外抹灰与结构不同寿命等问题。夹心保温墙体是将保温材料置于内外叶混凝土墙板之间,通过连接件把内外叶墙板和保温材料连接为一体,不仅具有承重、围护和保温功能,又可有效防止外部环境和内部装修的影响,可实现与结构同寿命,是今后建筑外墙节能保温构造的主要发展方向^[1] 。

连接件是连接夹心保温墙体内外叶混凝土板和保温板的关键部件,同时是抵抗自重荷载下层间剪切力和风荷载下拉压力的关键部件^[2] 。众所周知的国内外应用于预制混凝土夹心保温墙体中的连接件主要有普通钢筋连接件、不锈钢连接件和连续纤维增强塑料(FRP)连接件。普通钢筋连接件价格低廉,但导热系数高,存在“热桥”效应,影响墙体保温效果,抗腐蚀性能差,易造成墙板安全隐患^[3] ;不锈钢连接件导热系数低于普通碳钢,可减少热损失,同时提高了耐久性,但成本过高;连续纤维塑料(FRP)连接件虽具有抗拉强度高、耐腐蚀性强、传热系数小等优点,但其抗剪强度低(仅为抗拉强度的5%~20%),将导致内外叶钢筋混凝土墙板在保温连接件处发生层间剪切破坏^[4] ,有一定的安全使用风险。鉴于此,本课题组联合南京锋晖复合材料有限公司研发一种新型钩形钢芯复合连接件,以外表面规律状凹凸不平的高强刻痕钢丝或带肋钢筋为内芯,外包玻璃纤维树脂层组成新型复合连接件,有效地利用内芯高强钢丝或钢筋的抗拉拔和抗剪强度高的特性,并结合了外包的玻璃纤维树脂的低传热、耐腐蚀性能好的优点,摒弃了各自缺点,有效解决了预制混凝土夹心保温墙板内外叶板间连接件关键问题。

钩形钢芯复合连接件设计为一端钩形一端直形,目的是方便施工安装,增强锚固性能。其构造如图1所示。

为检验新型钩形连接件的抗拉拔性能,保证在外荷载作用下墙体的安全性,开展了钩形钢芯复合连接件的拉拔试验,对其抗拔承载力、破坏形态、荷载-滑移关系与荷载-应变关系等进行了较为系统的研究。

预制混凝土夹心保温墙板钩形钢芯复合连接件拉拔试验包括3组共9个试件,每组3个试件。其中混凝土强度等级分2种:C25和C35;钩形连接件分2种连接方式:钩住钢筋网片和不钩钢筋;连接件内叶板锚固长度均为75mm,外叶板锚固长度为35mm;保温层厚度为50mm。试件编号及参数如表1所示(PO-C-1~3中PO表示拔出试验pull out的简写,C表示弯钩头位于钢筋网片中央空格处,不与钢筋相连接;PO-N-1~6中N表示弯钩头位于钢筋网片节点处,钩住双层钢筋)。

为模拟实际墙板厚度,钩形钢芯复合连接件拉拔试验试件外叶板混凝土块尺寸为350mm×350mm×50mm,内叶板尺寸为250mm×250mm×80mm。由于外叶板太薄,为防止加载时混凝土过早压碎,在外叶板四周用└50×5焊成钢框兼做模板,与混凝土一并浇筑形成外叶板。为防止混凝土过早劈裂,在外叶混凝土板中配置单层直径为8mm的钢筋网片,内叶板中配置双层直径为8mm的钢筋网片。每个试件使用1根连接件。

制作试件时,首先将保温板切割成350mm×350mm的块体,在中心开槽,将连接件插入槽中,使定位环卡紧保温板,用发泡剂填堵空隙并固定连接件。将内叶板的模板组装好,按设计位置放入双层钢筋网片,浇筑混凝土振捣密实,在混凝土初凝前将保温板放置在内叶板上,使其中心与内叶板的中心重合,连接件插入内叶混凝土中,再次振动内叶混凝土模板使混凝土密实。最后把外叶板钢框放置在保温板上四边对齐,放置钢筋网浇筑外叶混凝土振捣密实。拉拔试件施工设计如图2所示。制作过程为:内叶板钢筋绑扎支模→浇筑内叶板混凝土→安装保温板和连接件→连接件钩住钢筋节点→连接件位于钢筋网空格内→浇筑外叶混凝土并振捣。

钩形复合连接件拉拔试验在专门设计的自平衡加载架上进行,试验采用单调加载方式,用数显拉拔仪手动加载,先预加载,再匀速缓慢加载至试件破坏,加载速度控制在1k N/min。

为模拟连接件最不利受力状态,试验时把保温层扣掉。主要测试内容包括以下2个方面。

在保温层处连接件表面两侧各布1个测点,在内叶板内的连接件表面两侧各布1个测点。

在连接件上下端部与混凝土块表面各引出1个位移导杆,分别测试连接件上下两端与混凝土的滑移,每个试件共测4个滑移值。

试验采用3816数据采集系统进行数据采集,以1s间隔连续采集记录所有数据采集点的信号并储存在计算机中。应变片、位移计布置如图3所示。

试件PO-C-1~3加载至约0.85 P_u(P_u为峰值荷载)时,连接件上端附近混凝土表面开始出现劈裂裂缝,裂缝迅速扩展;当荷载达到P_u时,混凝土劈裂掀起,连接件钩头处连同混凝土一起拔出,混凝土呈锥形破坏,连接件无破损,试件破坏,连接件下端无任何破坏迹象,试件破坏形态如图4a所示。

试件PO-N-1~6加载至约0.9 P_u时,连接件上端附近混凝土表面开始出现裂缝,随着荷载增大,裂缝不断延伸形成多条环状裂缝;当荷载达到P_u时,外叶混凝土锚固破坏,钩头处外包层断裂,钢芯与外包层脱离,钢芯弯头钩住钢筋,连接件未从外叶板混凝土中拔出,试件破坏形态如图4b所示。

通过对连接件在拔出荷载作用下的应变变化来分析研究连接件的受力状态。各拉拔试件钩形钢芯复合连接件沿拔出方向的应变随拔出荷载的关系曲线如图5所示。

由连接件荷载-应变曲线可以看出:

1)钩形钢芯复合连接件沿拔出方向的正应变随荷载基本呈现线性关系,个别试件沿拉拔方向的正应变在加载前期增长缓慢,当荷载加载至约0.5P_u时增长速度加快。

2)当所有试件发生破坏时,连接件沿拉拔方向的正应变均小于连接件纵向拉伸极限应变,玻璃纤维外包层无断裂破坏现象。

钩形钢芯复合连接件根部相对于混凝土的滑移量随着拉拔力增大的变化曲线如图6所示。

由连接件荷载-滑移曲线可知:

1)PO-C系列试件和PO-N系列试件的峰值滑移基本相同。

2)拉拔力<0.1 P_u时,连接件与混凝土间的滑移值都<0.3mm,连接件荷载-滑移曲线基本呈线性,连接件与混凝土间的锚固力主要以化学胶着力为主;随着荷载的增加,滑移量逐渐增大,当加载至约0.5 P_u时,连接件与混凝土间的化学胶着力丧失,锚固力主要来自于连接件上的倒圆台楔口与混凝土间的机械咬合作用,此时滑移量增加较快;当荷载继续加载至0.85 P_u~0.9 P_u时,连接件根部混凝土开裂;荷载达到峰值时,连接件与混凝土间的滑移量S_u约为1.5~3.0mm。

由表2分析可得:

1)当混凝土强度相同时,连接件钩头位于钢筋网片中央空格处、不与钢筋相连时即试件PO-C-1~3的拉拔峰值荷载平均值为7.23k N,相对于弯钩头位于钢筋网片节点处、钩住钢筋的试件PO-N-1~3的峰值荷载均值9.1k N较低。说明连接件钩头与钢筋网相连可以提高抗拔承载力。

2)试件PO-N-1和PO-N-6连接件抗拔承载力与PO-C-1~3相当,较试件PO-N-2~3,PO-N-4~5承载力明显偏低,主要原因是施工过程中操作失误导致连接件钩头仅钩住1根钢筋,说明连接件钩头只钩1根钢筋对拉拔承载力提高不明显,而钩住双层钢筋网片可有效提高抗拔承载力。

试件PO-N-2~3,PO-N-4~5的混凝土强度等级分别采用C25和C35,其他参数和构造均相同。

由表2分析可知:

1)当试件其他条件相同时,混凝土强度等级越高,连接件抗拔承载力越大,采用C35混凝土强度等级的试件连接件抗拔承载力比采用C25混凝土强度等级提高了16.1%。

2)混凝土强度等级提高时,连接件与混凝土间的滑移量减小。

3)混凝土强度等级对连接件与混凝土间的峰值滑移量无显著影响。

夹心保温墙板属于外围护结构,参照《建筑结构荷载规范》GB50009—2012计算墙板承受风荷载标准值^[5] :

式中:w_k为风荷载标准值(k N/m²);β_gz为高度z处的阵风系数;μ_s1为局部风压体型系数;μ_z为风压高度变化系数;w₀为基本风压(k N/m²)。

参照《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133—2013垂直于墙板平面的分布水平地震作用标准值^[6] :

式中:q_EK为垂直于墙板平面的分布水平地震作用标准值(k N/m²);β_E为动力放大系数,可取≥5.0;α_max为水平地震影响系数最大值;G_k为墙体构件的重力荷载标准值(k N);A为墙体构件平面面积(m²)。

考虑风荷载和地震荷载作用下的最不利组合,得到预制夹心保温墙板的抗拉荷载设计值为:

式中:S为组合作用的效应设计值;S_Ek为地震作用效应标准值;S_wk为风荷载效应标准值;γ_E为地震作用分项系数,取1.3;γ_w为风荷载分项系数,取1.4;ψ_E为地震作用的组合值系数,取0.5;ψ_w为风荷载的组合值系数,取1.0。

针对南京市某工程,由公式(1)、(2)、(3)计算得到预制夹心保温墙体的抗拉承载力设计值与试验结果平均值的对比如表3所示。

由表3对比数据可知,钩形钢芯复合连接件的抗拔荷载试验值均在设计值的5倍以上,均能满足工程设计要求,具有足够的安全储备。

本文通过9个预制夹心保温墙体钩形钢芯复合连接件的拉拔试验,对比分析了连接件不同安放位置、不同混凝土强度等级对抗拔承载力的影响,得到以下一些结论。

1)所有连接件拉拔试件均发生外叶混凝土板锥体锚固破坏,连接件不与钢筋相连时,连接件拔出,外层纤维无损坏,混凝土锥形破坏;连接件与钢筋相连时,弯钩头外层纤维断裂,钢芯未滑出,外叶板未脱落,可保证实际工程中墙板破坏后不脱落,避免坠落伤人。

2)连接件钩头不与钢筋相连和仅与单根钢筋相连,抗拔承载力相当,而与双层钢筋网相连可有效提高抗拔承载力。

3)当试件其他条件相同时,混凝土强度等级越高,连接件抗拔承载力越大。

4)混凝土强度等级对连接件与混凝土间的峰值滑移量无显著影响。

5)钩形钢芯复合连接件拔出性能可满足工程设计要求,具有足够的安全储备。

通过试验分析钩形钢芯复合连接件的受力性能,建议实际工程施工时连接件钩头与双层钢筋网节点相连,可获得充足的安全保障。鉴于试件受拉时连接件弯钩处外层纤维先行断裂,为确保结构安全,在下一步研究中,应将外层纤维组分进行调整以增强连接件的抗拉拔能力。