预制夹心保温墙体是指在2层混凝土墙板之间夹入保温材料的预制外墙板, 这种把保温材料夹在混凝土中间的做法, 既保证了墙体的保温隔热性能, 又解决了保温板的防火性能, 同时达到了保温层与墙体同寿命的目的, 预制夹心保温墙体将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。对于非组合式预制夹心保温墙体, 外叶墙和保温板通过拉结件^[1]与内叶墙连接, 拉结件具有一定的变形能力, 使面内外荷载作用下, 外叶墙与内叶墙不能组合受力。外叶墙的荷载通过拉结件传递到内叶墙上, 内叶墙可为剪力墙, 或者整个夹心墙体作为围护墙。可见拉结件起到拉结预制夹心保温墙体3个构造层的作用, 不仅承受外叶墙和保温板的自重, 还承受风荷载、地震作用等其他荷载。此外, 为保证预制夹心保温墙体的整体性能, 拉结件还需满足耐久性、导热性、变形性等方面的要求。拉结件是预制夹心保温墙体的关键产品。

目前应用较为广泛的是GFRP拉结件^[2], GFRP材料不仅强度较高, 而且导热系数低、耐久性好、弹性模量满足拉结件截面刚度要求, 是预制夹心保温墙体拉结件的理想材料。本文根据拉结件的实际受力条件, 结合GFRP材料性能参数, 合理地设计拉结件构造形式及尺寸, 从而开发承载力较大的GFRP拉结件产品, 以减少预制夹心保温墙体中拉结件的使用数量, 最终达到降低总成本的目的。

目前国内尚无预制夹心保温墙体拉结件的相关标准, 同济大学等单位正在编制国家产品标准《预制保温墙体用纤维增强塑料拉结件》。对于拉结件材料性能, 主要参照美国标准ACI320《锚固于混凝土中的纤维加固复合拉结件验收标准》^[3]的相关规定;对于拉结件产品力学性能, 应分析其边界条件及受力情况, 根据实际荷载作用效应的种类及大小设计与之相适应的承载力, 最终保证拉结件各项承载力设计值均大于荷载设计值。

ACI320中的4.1.3规定:“拉结件最小弯曲弹性模量应为4.5×10⁶psi (31 026MPa) ”。表1为本文所采用GFRP材料的基本性能参数。

图1为拉结件受力模型。根据图1可知, 拉结件锚固于内叶墙的一端属于固端约束;而拉结件锚固于外叶墙的一端由于转动受到限制, 只可发生竖向平动, 因此属于双链杆约束。拉结件受到的竖向荷载包括外叶墙重力、竖向地震作用等;拉结件受到的水平荷载包括风荷载、水平地震作用等。综合上述分析可知, 拉结件受到的荷载作用效应有轴力、剪力和弯矩, 因此对于某一具体工况, 在给定拉结件布置间距的情况下, 拉结件必须具备足够的锚固抗拉承载力、锚固抗剪承载力及抗弯承载力^[4], 以承受相应的轴力、剪力及弯矩。

GFRP拉结件一般包括GFRP受力杆和塑料定位套2部分。其中GFRP受力杆垂直穿过保温板, 且受力杆两端分别锚固于内、外叶墙混凝土中, 起到传力作用, 是GFRP拉结件的核心部件;而塑料定位套通常采用注塑的方式一体浇铸在受力杆中部, 起到控制拉结件插入深度及密封保温板与受力杆之间孔隙的作用。因此GFRP拉结件产品设计的核心内容是受力杆设计。

为增强受力杆在内、外叶墙混凝土中的锚固效果, 可在受力杆锚固区域的某一位置开槽, 这种做法的优点是增强受力杆与混凝土的机械咬合效果, 防止受力杆从混凝土中拔出;缺点是开槽处削弱了受力杆截面, 且容易出现应力集中, 导致受力杆断裂。因此需在受力杆锚固区域设计合理的开槽形式, 既增强受力杆与混凝土的机械咬合效果, 同时最大限度地减小截面削弱和应力集中, 从而使拉结件获得较大的锚固承载力。

图2为本文所设计的3种拉结件受力杆形状:图2a为矩形截面, 并在两端锚固区域加工哑铃形锚固槽 (受力杆a) ;图2b同样为矩形截面, 并在两端锚固区域加工燕尾形锚固槽 (受力杆b) ;图2c为圆形截面, 并在两端锚固区域加工圆锥形锚固槽 (受力杆c) 。采用ANSYS分别对3种拉结件受力杆建立有限元模型, 并模拟其边界条件及荷载形式, 进行受力分析, 有限元分析得到的3种拉结件受力杆的应力分布如图3所示。根据图3可知, 受力杆a和受力杆b在开槽区域应力集中较为明显, 且在变截面处的局部应力较大, 而受力杆c在开槽区域的应力分布相对较均匀, 无明显应力集中, 有利于受力杆的传力。因此, 对于受力杆锚固区域开槽的拉结件设计方案, 本文采用圆形截面受力杆, 并在两端锚固区域加工圆锥形锚固槽。锚固区域开槽拉结件如图4所示。

对于钢筋在混凝土中的锚固, GB50010—2010《混凝土结构设计规范》的8.3.3条及JGJ256—2011《钢筋锚固板应用技术规程》中涉及一种钢筋端部安装锚固板的机械锚固形式, 可显著增强锚固效果、减小钢筋锚固长度。因此本文考虑在GFRP拉结件受力杆的两端安装GFRP锚固板, 以增强受力杆在内、外叶墙混凝土中的锚固承载力。

锚固板的尺寸设计主要参考JGJ256—2011的3.1.2条:“部分锚固板承压面积不应小于锚固钢筋公称面积的4.5倍”、“锚固板厚度不应小于锚固钢筋公称直径”。受力杆采用圆截面直杆, 截面直径设计为10mm, 因此圆形锚固板直径设计为23.5mm, 厚度设计为10mm, 锚固板与受力杆采用直螺纹连接。两端安装锚固板拉结件如图5所示。

对于锚固区域开槽拉结件, 浇筑150mm×150mm×150mm混凝土试块, 在混凝土初凝前将拉结件一端锚固区域插入混凝土试块中央并进行标准工况养护, 待拉结件-混凝土试件养护至28d, 对不同试件分别进行拉拔试验和剪切试验。混凝土强度等级采用C30。共制作拉拔试件3个, 编号分别为L1, L2, L3;剪切试件3个, 编号分别为J1, J2, J3;立方体混凝土试块3个, 编号分别为B1, B2, B3。拉拔试验和剪切试验的试验装置如图6所示。

试验时3个立方体混凝土试块B1, B2, B3的实测抗压强度分别为35.56, 33.33, 33.60MPa。3个拉拔试件破坏形式均为混凝土劈裂破坏。3个剪切试件破坏形式均为GFRP受力杆截面突变处剪切断裂。各试件的实测承载力如表2所示。

试验结果表明, 本文所设计锚固区域开槽拉结件在混凝土中的锚固效果良好, 其中拉拔试验的破坏形式均为混凝土劈裂破坏, 拉结件锚固抗拉承载力较高, 而剪切试验的破坏形式均为GFRP受力杆截面突变处剪切断裂, 说明受力杆突变截面以上的混凝土局部受压破坏、剪切荷载主要由受力杆突变截面承担, 因此可通过增大受力杆突变截面距离混凝土表面的深度来进一步提高拉结件的锚固抗剪承载力。

对于两端安装锚固板拉结件, 其受力杆与锚固板通过直螺纹连接, 在对GFRP受力杆和GFRP锚固板分别加工外螺纹和内螺纹的过程中, 将GFRP材料中的纵向玻璃纤维打断, 螺纹连接仅依靠GFRP材料中的树脂基体传递荷载, 因此GFRP受力杆与GFRP锚固板间螺纹连接的力学性能有待验证。本文对受力杆与锚固板间的螺纹连接进行拉拔试验, 以检测GFRP受力杆与GFRP锚固板螺纹连接的抗拉承载力。

共进行3组拉拔试验, 试件编号分别为M1, M2, M3, 拉拔试验结果如表3所示。根据试验结果可知, 3组拉拔试件的破坏形式均为螺纹丝扣拉脱, 且实测抗拉承载力均为3k N左右, 约为锚固区域开槽拉结件锚固抗拉承载力的20%, 因此GFRP受力杆与GFRP锚固板间螺纹连接的抗拉承载力不足, 两端安装锚固板拉结件无法达到理想的锚固抗拉承载力。

本文根据预制夹心保温墙体拉结件的实际使用要求, 结合GFRP材料性能参数, 设计了2种不同形式的GFRP拉结件, 并进行相关产品力学性能试验, 最终得出以下结论。

1) 为提高预制夹心保温墙体拉结件在混凝土中的锚固效果, 可在受力杆锚固区域加工适当的凹槽, 通过合理地设计凹槽位置、形状和尺寸, 降低应力集中, 可显著提高拉结件的锚固抗拉承载力和锚固抗剪承载力。

2) 对于在受力杆两端通过直螺纹连接方式安装锚固板的拉结件设计方案, 由于在对受力杆和锚固板分别加工外螺纹和内螺纹的过程中, 将GFRP材料中的纵向玻璃纤维打断, 螺纹连接仅依靠GFRP材料中的树脂基体传递荷载, 因此GFRP螺纹连接的抗拉承载力不足, 两端安装锚固板拉结件无法达到理想的锚固抗拉承载力。