预制装配式混凝土结构相比传统现浇结构施工过程, 具有节水节电、减少施工垃圾、节约能源、缩短施工周期等一系列优点, 是今后建筑住宅市场发展的必然趋势^[1]。而预制混凝土夹芯墙体是装配式混凝土结构的重要部品之一, 它由内叶、外叶、两者之间的保温层以及连接件共同构成。其中, 连接件是保证墙体内叶、外叶协同工作的重要部件, 从受力角度讲, 其主要作用包括:保证外叶墙体在竖向荷载作用下的稳定性, 防止其失稳;传递夹芯墙体内叶、外叶之间的层间剪切力、协调两者变形;承受并传递外叶墙体所受的风荷载或地震作用, 并保证内叶、外叶墙体的协同工作^[2]。

　　 目前, 应用于预制混凝土夹芯墙体中的连接件主要有普通钢筋连接件、金属合金连接件、FRP连接件以及复合式连接件四种。普通钢筋连接件价格低廉, 但易腐蚀、导热系数大, 在墙体中会形成热桥。因此, 近年国内外关于连接件的研究主要集中在FRP连接件和非金属连接件, 且对其力学性能进行了试验研究工作^{[3,4,5,6,7,8]}, 上述文献表明:尽管FRP连接件具有较高的抗剪、抗震性能, 且连接件属于非延性破坏, 但存在造价高、施工复杂、锚固能力相对较差等缺点。

　　 本文研究的新型复合式连接件由钢筋及外裹尼龙组成, 成本低、耐久性好、与混凝土粘结性好, 因此, 对其展开抗拉性能和剪切性能的试验与研究, 探讨复合式连接件与预制混凝土夹芯墙体间的抗拉与抗剪承载能力与破坏形态将有助于该新型连接件在实际工程中推广与应用。

　　 复合式连接件构造及尺寸如图1所示。根据在夹芯墙体中位置的不同, 该连接件分为三部分:70mm带尼龙凹槽部分埋入内叶墙体中;中部80mm (或100mm, 此部分长度可以根据保温层的厚度调整) 钢筋外裹尼龙位于保温层中;30mm长的10钢筋埋入外叶墙体中, 并在末端处焊接有两根正交的长为250mm的Ф6钢筋。连接件三部分由中心Ф10光圆钢筋穿心形成一个整体, 且位于内叶墙体中的尼龙外表面及Ф10钢筋表面分别带有凹槽和螺纹, 以增加混凝土、尼龙与钢筋间的粘结力与摩擦力, 保证三者之间的共同工作。

　　 为了解新型复合式连接件的受力性能, 本文共设计了两种类型的试验:抗拉性能试验和剪切性能试验。同时为获得连接件与墙体中分布钢筋位置关系对其工作性能的影响规律, 考虑了连接件位于分布钢筋形成的网格正中央和连接件位于分布钢筋交叉点两种情形。因此根据连接件10穿心钢筋两端在内叶、外叶墙体中与分布钢筋网片的位置关系, 抗拉性能试验分为四种类型, 即:1) 内叶网格中央+外叶网格中央;2) 内叶网格中央+外叶交叉点;3) 内叶交叉点+外叶网格中央;4) 内叶交叉点+外叶交叉点。剪切性能试验分为两种类型, 即连接件两端分别埋置于:1) 内叶网格中央+外叶网格中央;2) 内叶交叉点+外叶交叉点。此外还考察了混凝土强度等级对连接件受力性能的影响, 设计混凝土强度等级分为C30, C40两种。

　　 各试件设计详图如图2, 3所示, 试件编号如表1, 2所示。试件编号说明:T代表受拉, S代表剪切;I代表内叶, E代表外叶;A代表连接件位于分布钢筋网格中央, B代表连接件位于分布钢筋交叉点处;数字30 (40) 代表设计混凝土强度等级。本文外叶墙体中钢筋网采用Ф4@200, 内叶墙体中钢筋网采用12@200。实际预制混凝土夹芯保温墙体的内叶、外叶厚度一般为200, 50mm, 抗拉试件的外叶墙厚度为方便施工考虑也取200mm, 但连接件锚入外叶的尺寸仍按实际工程情况取为30mm。

　　 在抗拉性能试验中, 为了解连接件穿心钢筋全过程的受力情况, 将连接件穿心钢筋在夹芯墙体中间保温层范围内的外部尼龙包裹剥掉, 在此处粘贴两个对称的应变片, 并做好防水处理。在抗拉性能试验和剪切性能试验中, 加载端均设置了量程为50mm的机械式百分表, 以便测量试件的变形。另外在抗拉性能试验的固定端还设置了10mm量程的电子式百分表, 以便记录试件加载过程中产生的试件整体刚性位移。

　　 本文设计制作了相应的抗拉及剪力加载装置, 并采用LSS型锚杆抗拉仪进行加载。如图4所示, 通过传力套杆装置对墙体的内叶、外叶施加拉力。而剪切试验是通过对外叶墙顶施加竖向荷载方式实现, 如图5所示。

　　 试验开始前, 先进行预加载, 预加拉力大约为极限承载力的20%, 以确保试验各仪器处于正常工作状态。正式试验过程中, 先采用力控制加载, 每级加载2k N, 达到极限承载力后进行位移控制加载, 每级加载2mm, 直到连接件完全失效。每级加载结束后, 迅速记录本次加载对应的力、应变以及位移, 并随时观察混凝土及连接件的试验现象。所有试件承载力结果及破坏现象如表1所示, 部分受拉试件的破坏照片如图6所示。

　　 由表1和图6可知:设计混凝土强度等级为C40 (立方体抗压强度实测平均值为35.4MPa) 试件的极限承载力均明显高于混凝土强度等级为C30 (立方体抗压强度实测平均值为30.1MPa) 试件。试件的破坏类型包括:十字形钢筋使外叶处混凝土剥离、带有尼龙头钢筋从内叶拔出, 两种情况均造成混凝土锥形体破坏。整个试验过程中, 尼龙与穿心钢筋部分保持很好的粘结性能, 未出现穿心钢筋从尼龙中拔出的连接件设计构造缺陷情况。

　　 试验过程中记载了穿心钢筋的荷载-应变曲线和试件的荷载-位移曲线, 如图7, 8所示。从图7可以看出, 荷载-应变曲线基本呈直线, 这表明连接件穿心钢筋在试验过程中基本处于弹性状态。由图8可以知道, 当拉力达到最大值后, 荷载突降, 且位移迅速增大, 这表明:试件破坏时均属于脆性破坏。外叶墙体发生破坏的试件在荷载达到极限后, 因外叶墙体钢筋网片以及十字形钢筋能够延缓连接件十字形的拔出过程, 仍能够承担一定的荷载 (试件TIAEB-40-2, TIAEB-40-3除外) ;而破坏发生于内叶墙体时, 是带有尼龙头钢筋直接从内叶拔出, 因此荷载达到最大值后, 直接突降为0, 连接件失去作用, 见图8 (e) 中试件TIAEB-40-2, TIAEB-40-3。

　　 笔者前期单侧抗拉试验研究成果^[9]表明:相同混凝土强度等级下:连接件在内叶墙体的承载力均高于在外叶墙体的承载力, 即试件的破坏均应该发生在外叶墙体处, 试验结果证实了上述情况, 即除TIAEB-40-2及TIAEB-40-3两个试件呈现内叶墙体处的钢筋连同尼龙头拔出 (破坏直径范围较小的混凝土锥体破坏) , 其他的破坏皆发生在外叶墙体处, 为混凝土的锥体破坏现象。分析原因为:上述两个设计混凝土强度等级为C40试件制作浇筑时, 连接件的实际埋深与设计方案有误差, 导致内叶墙体部位的承载力低于外叶墙体部位的承载力。试验结束后对连接件的埋深进行了测量, 内叶墙体处的钢筋埋置深度小于设计深度5mm, 而外叶墙体的钢筋埋置深度大于设计深度约5mm, 验证了上述原因。

　　 剪切试验开始后, 先按力控制加载, 每级5k N, 当快要达到承载力极限时, 降低为2.5k N, 荷载下降后, 按位移控制加载, 每级2mm直到试验结束, 试验承载力结果如表2所示, 部分试件的最终破坏照片如图9所示。从表2可以看出, 单个连接件的均值承载力为15.5~18.8k N, 混凝土强度等级的提高对极限承载力无影响, 连接件的破坏形态分为由于连接件弯剪屈服形成的内叶、外叶墙体错动和连接件被剪断形成的内叶、外叶墙体脱离两种。

　　 试验过程中, 记录了加载端的位移, 得到各试件的全过程荷载-位移曲线, 如图10所示。从图10中可以看出, 加载前期, 曲线基本呈直线, 当荷载接近极限承载力时, 曲线斜率快速降低, 达到极限承载力后, 荷载迅速下降到最大值的70%~80%, 试件仍有一定的承载能力。这是因为:荷载达到最大值时, 并不是四个连接件同时破坏, 而是其中的某一个失去承载能力, 其余的三个仍然处于工作状态, 因此, 试验获得的连接件抗剪承载力实际上是剪切试件中四个连接件的平均受力水平。

　　 国外学者Eligenhausen^[10]指出, 锚入混凝土中的钢筋在拉力作用下混凝土发生锥体破坏, 和本文的试验现象吻合, 并指出钢筋抗拉承载力应等于锥形体水平投影面积上的混凝土拉力总和。基于上述文献结果, 并根据本文复合式连接件的构造形式、抗拉试验中呈现的混凝土锥体破坏现象, 内叶、外叶墙体中埋置深度, 本文提出如图11所示的简化模型。图11简化模型中的阴影范围表示拔出破坏时的混凝土锥形体, 其中内叶墙体处锥形体的底面直径d为尼龙头外径;而外叶墙体处锥形体的底面直径l_e为十字形钢筋对混凝土的有效影响长度 (单位为mm) , 根据对试验结果的实测, 取l/8 (l为十字形钢筋长度) 。按照图11的计算简图, 同时, 结合预制混凝土夹芯墙体中连接件穿心钢筋可能存在受拉屈服甚至拉断的情况, 本文提出复合式连接件的抗拉承载力计算公式如式 (1) 所示。

　　 式中:N_I, N_E分别为连接件从内叶、外叶墙体拔出时的承载力计算值, N;f_t为混凝土抗拉强度, MPa;h_I, h_E分别为连接件在内叶、外叶墙体的有效埋置深度, mm;α_I, α_E分别为内叶、外叶混凝土锥形体破坏拔出角度, 取45°;f_y为连接件穿心钢筋抗拉强度, MPa;A_s为连接件穿心钢筋面积, mm²。

　　 由于连接件同时埋设在内叶墙体与外叶墙体中, 因此, 其连接件抗拉承载力应取内叶和外叶中抗拉承载力、穿心钢筋屈服承载力三者的较小值。按上述公式获得的连接件抗拉承载力结果如表1所示。从表1中可以看出, 抗拉性能试件的理论承载力与试验结果较接近, 其误差原因分析如下:1) 试件浇筑时, 连接件在墙体中的埋深与设计值有差别;2) 连接件十字形的存在, 使得外叶墙体中的拔出破坏同理想的锥形体破坏有所不同;3) 混凝土的离散性使得十字形对混凝土的有效影响长度取l/8及角度45°与实际情况稍有差别。总体来说, 本文提出的抗拉承载力理论计算公式可在一定程度对预制混凝土夹芯墙连接件的抗拉承载力提供一定的参考。

　　 在墙体脱模、吊装、运输、安装以及使用过程中, 墙体中连接件会承受不同程度的拉力和剪切力。沈阳建筑大学的张延年在文献[4]中计算得出, 8度区罕遇地震作用下, 单位面积外叶墙体所受水平地震力为1.47k N;同济大学的薛伟辰等人在文献[3]中计算了上海地区预制夹芯保温墙体连接件在风荷载和地震作用下的最不利组合, 单个连接件所承受的拉力荷载设计值为1.64k N;同济大学的杨佳林等人在文献[5]中对上海市某安居工程中应用的预制夹芯保温墙体连接件的剪力荷载设计值进行了计算, 其大小为1.39k N;武汉理工大学的刘若南在文献[2]中对沈阳惠生新城 (公租房) 项目的预制混凝土夹芯墙体进行了各种不同工况下的验算, 得到单个连接件的最不利拉力荷载设计值为1.16k N, 剪力荷载设计值为1.99k N。本文抗拉性能试验得到的单个连接件的抗拉承载力均值最大为27.3k N, 最小为12.1k N;剪切性能试验得到的单个连接件的抗剪承载力均值最大为18.8k N, 最小为15.5k N, 同上述4位学者的结果对比可知, 本文复合式连接件完全能够承受结构受到的拉力与剪力, 并且具有较大的安全储备, 可以在实际工程中应用推广。

　　 (1) 单个复合式连接件的抗拉承载力均值为12.1~27.3k N, 抗剪承载力均值为15.5~18.8k N, 与实际工程中单个连接件受到的拉力及剪力设计值相比, 本文复合式连接件具有较大的安全储备, 可在实际工程中应用推广。

　　 (2) 连接件的抗拉破坏主要表现为混凝土的锥形体破坏, 而剪切破坏主要是发生连接件穿心钢筋的弯剪破坏, 二者均属于脆性破坏。

　　 (3) 连接件与分布钢筋的位置关系对抗拉和剪切承载力基本没有影响, 但外叶墙体钢筋网片以及十字形钢筋能够延缓连接件从外叶墙体中的拔出过程, 而且在荷载下降后, 还能够提供一定的承载力。

　　 (4) 增加混凝土的强度, 可以提高复合式连接件的抗拉承载力, 而对抗剪承载力没有影响。

　　 (5) 基于试验现象及分析, 提出了新型复合式连接件抗拉承载力实用计算方法。