吳超強,王 俊,李 帥,晉 強

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.昆山城市建設(shè)投資發(fā)展集團有限公司,江蘇 昆山 215300;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000)

現(xiàn)階段建筑業(yè)存在著能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。針對這些問題,我國近幾年提出了建筑節(jié)能的要求,其中墻體節(jié)能是實現(xiàn)綠色建筑的關(guān)鍵,具有良好的發(fā)展前景。目前,工程中常用的保溫墻體包括內(nèi)保溫、外保溫及夾芯保溫墻體3種。

預(yù)制混凝土夾芯保溫墻體是通過連接件將兩側(cè)的預(yù)制混凝土葉板、中間的保溫層連接在一起所組成的復(fù)合墻體,這種墻體不僅具有承重、圍護和保溫功能,還能有效避免外部環(huán)境和內(nèi)部裝修的影響,實現(xiàn)與結(jié)構(gòu)同壽命[1-5]。目前,國內(nèi)外常用的連接件主要有普通鋼筋、不銹鋼和纖維增強復(fù)合材料(FRP)。其中,FRP連接件具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、高熱阻等優(yōu)點,可以有效避免熱橋效應(yīng),提高保溫效果,是目前應(yīng)用最為廣泛的一種連接件[6-17]。

Woltman等[18]通過連接件的直徑和布置間隔來研究不同形式玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)連接件的抗剪性能,結(jié)果表明:GFRP連接件的抗剪強度可達(dá)到 60～120 MPa,遠(yuǎn)高于普通塑料連接件,且連接件的尺寸、橫截面及布置間隔對抗剪承載力有較大影響。Choi等[19]研究了網(wǎng)格型GFRP連接的預(yù)制混凝土夾芯板,得出其面內(nèi)剪切行為受混凝土和保溫層之間的界面黏結(jié)強度的影響,且隨著保溫層厚度增加,剪切性能下降。Gregory等[20]對GFRP連接的混凝土夾芯板的熱工性能進(jìn)行了試驗研究,結(jié)果表明:與鋼筋相比,GFRP連接件可以更好地避免熱橋效應(yīng),且保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)是影響熱阻的最重要參數(shù),而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)對墻板熱阻沒有顯著影響。Kim等[21]對網(wǎng)格型GFRP連接的新型增強混凝土夾芯墻板進(jìn)行四點彎試驗,結(jié)果表明:采用網(wǎng)格型GFRP連接件的墻板具有更好的抗彎強度,且保溫層采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)與采用擠塑聚苯板(XPS)的墻板相比，具有更好的抗彎性能。

本文深入探討了豎向荷載作用下GFRP-鋼復(fù)合桁架筋、GFRP-鋼復(fù)合豎筋與GFRP豎筋混凝土夾芯墻板在抗彎性能上的表現(xiàn),分析了連接件結(jié)構(gòu)形式、連接件布置、網(wǎng)格筋規(guī)格等因素對墻板抗彎性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

依據(jù)JG/T 169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》,本試驗設(shè)計出8塊不同連接情況的標(biāo)準(zhǔn)板,尺寸為2 100 mm×600 mm×180 mm,每塊板的中間保溫層以及上下層鋼筋混凝土板厚度均為60 mm,內(nèi)部連接件的保護層厚度為15 mm,面層混凝土強度等級為C10,并設(shè)置間距110 mm的雙向分布鋼筋。連接件主要分為桁架式和豎直式兩種,桁架式連接件由GFRP包裹直徑為6 mm的HPB235型桁架鋼筋制成,包裹層數(shù)為2和6層;豎直式連接件分別采取GFRP-鋼復(fù)合筋和GFRP筋兩種材料,GFRP-鋼復(fù)合筋連接件由GFRP包裹直徑為16 mm的HRB400型豎向鋼筋制成,包裹層數(shù)為0和2層,GFRP筋連接件采用南京鋒暉復(fù)合材料有限公司提供的B70-16型、直徑16 mm的材料,連接件按3種形式布置。試件構(gòu)造見圖1,試件參數(shù)見表1。

1.2 試驗裝置和測量方法

試驗裝置主要包括反力架、千斤頂、分配梁、荷載傳感器、位移計以及TST3826F型動靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)等,采用反力架作為反力支撐,進(jìn)行集中加載,試件兩端簡支,凈跨度1 920 mm,加載點間距640 mm,支座兩端各留出90 mm,加載點與支座處均墊寬100 mm、高10 mm的鋼板,以防止發(fā)生局部壓壞,在兩個加載點上設(shè)置分配梁。試驗采用千斤頂直接加載,在放置分配梁之前,采集一次初始數(shù)據(jù),然后放置分配梁,在分配梁中間上部放置千斤頂,此時采集一級荷載的數(shù)據(jù)。試驗加載過程中，為了測量墻板的整體撓度和變形,分別在板底跨中、兩端支座處各放置1個位移計。荷載按每級1 kN施加,每級荷載持續(xù)時間為10 min,同時采用動靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》判定加載是否停止。

圖1 夾芯墻板(mm)Fig.1 Sandwich wall panels(mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

試件T-S2-Ⅰ、T-S6-Ⅰ雖然GFRP包裹連接件層數(shù)不同,但均采用現(xiàn)澆泡沫混凝土芯材以及GFRP-桁架鋼筋連接件。加載初期，變形和撓度都較小；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的56%時,板側(cè)加載點附近出現(xiàn)斜裂縫,隨著荷載的增加,整板出現(xiàn)彎曲變形,跨中位移較為明顯;當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時,芯材與混凝土板發(fā)生分離，繼續(xù)加載,試件發(fā)出斷續(xù)的混凝土開裂聲,撓度上升明顯,桁架筋連接件墻板的板間相對滑移最大達(dá)到8 mm,最終發(fā)生混凝土材料破壞。

對于夾芯墻板,其彎曲破壞分為3個階段:①開裂前為彈性階段,此時試件荷載較小,在小范圍內(nèi)產(chǎn)生彈性變形,變形是可恢復(fù)的,當(dāng)集中力達(dá)到某一開裂荷載時,由于受拉區(qū)混凝土有一定的塑性變形，試件的抗彎剛度有所折減;②開裂后為彈塑性階段,剛開始位移隨荷載的增大仍基本呈線性關(guān)系,隨著荷載的增大,試件的抗彎剛度隨彎矩的增大而不斷降低，繼續(xù)加載后各測點位移增大的幅度相比荷載增大的幅度更大,原因為試件所承受的力超過了其彈性承載力,到達(dá)極限荷載后,試件發(fā)生明顯的彎曲變形;③之后為塑性階段,此階段荷載不斷下降而撓度上升明顯,豎向連接件墻板的板間相對滑移最大達(dá)到30 mm,直至混凝土發(fā)生材料破壞,試驗加載結(jié)束。

2.2 荷載-位移曲線與極限承載力

圖2為根據(jù)四點彎試驗數(shù)據(jù)所得各構(gòu)件的荷載-位移曲線,表2為各試件的極限承載力以及撓度。由圖2和表2可知：連接件形式、連接件材料、連接件間距、GFRP包裹連接件層數(shù)以及網(wǎng)格筋規(guī)格均會對構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。

圖2 不同構(gòu)件的荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different components

表2 不同構(gòu)件極限承載力和撓度

2.2.1 連接件形式

試件T-S2-Ⅰ 極限承載力較試件V-S2-Ⅰ 上升了37.5%,這是因為采用桁架式連接件能夠更緊密地連接上下面板,提高墻板的整體性,因此具備更高的承載能力。由圖2還可知:桁架連接件形式的夾芯墻板在第2階段保持的時間更長,這是因為桁架筋由GFRP包裹鋼筋制成,與GFRP筋相比,材料本身具備良好的延性,而GFRP筋多表現(xiàn)為脆性破壞,破壞時將很快由第2階段向第3階段發(fā)展。

2.2.2 連接件材料

試件V-S2-Ⅰ極限承載力較試件V-F25-Ⅰ下降了4.0%;試件V-S0-Ⅰ極限承載力較試件V-F25-Ⅰ下降了8.0%,這是因為GFRP筋連接件具備更高的抗壓強度,因此極限承載力要高于GFRP-鋼筋連接件以及鋼筋連接件墻板。

2.2.3 連接件間距

V-F43-Ⅰ和V-F32-Ⅱ均較V-F25-Ⅰ和V-F25-Ⅱ極限承載力提高明顯,這是因為縮小連接件間距能使連接件更易集中受力,對混凝土構(gòu)件剛度的貢獻(xiàn)也就越大,因此極限承載力提升顯著,極限承載力分別增大104%和37%。

2.2.4 GFRP包裹連接件層數(shù)

T-S6-Ⅰ和V-S2-Ⅰ分別較T-S2-Ⅰ和V-S0-Ⅰ極限承載力提升了9.1%和4.4%,這是因為GFRP包裹連接件使連接件的物理與力學(xué)性能都得到了改善,從而提高了構(gòu)件的極限承載力。

2.2.5 網(wǎng)格筋規(guī)格

V-F25-Ⅱ的極限承載力較V-F25-Ⅰ得到了提高,說明網(wǎng)格筋規(guī)格的改變會影響構(gòu)件的物理與力學(xué)性能。

3 結(jié)論

本文通過混凝土夾芯墻板的四點彎試驗,研究了連接件形式、連接件材料、連接件間距、GFRP包裹連接件層數(shù)以及網(wǎng)格筋規(guī)格對混凝土夾芯墻板抗彎性能的影響。

1)彎曲荷載作用下,3種連接件形式的夾芯墻板破壞均出現(xiàn)3個階段,即開裂前彈性階段、開裂后彈塑性階段、塑性階段。桁架連接件在第2階段保持時間更長,表明具備良好的延性,因此桁架連接件更利于保持構(gòu)件的整體性,減少因滑移現(xiàn)象產(chǎn)生的抗彎剛度折減,可廣泛應(yīng)用于新型建筑保溫墻板領(lǐng)域。

2)連接件間距縮短幅度越大,單位長度內(nèi)連接件的數(shù)量越多,構(gòu)件的極限承載力提升幅度也越大。

3)GFRP-鋼復(fù)合豎筋連接件中, GFRP包裹連接件層數(shù)為2層的構(gòu)件極限承載力與0層的構(gòu)件相比基本沒有變化。在直徑相同的情況下,GFRP豎筋連接件墻板比鋼筋豎向連接件極限承載力略有提高,因此復(fù)合材料筋可替代鋼筋豎向連接件用于混凝土夾芯墻板。