張?jiān)还?趙志剛 尹 展 車向東 朱 斌 王志禮 呂安安

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 沈陽 110168； 2.北京市燕通建筑構(gòu)件有限公司， 北京 102202； 3.北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)股份有限公司， 北京 100161； 4.佩克建筑配件(張家港)有限公司， 江蘇張家港 215600)

0 前 言

預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板是由兩側(cè)的混凝土葉板和中間的保溫層組成，兩側(cè)葉墻板通過連接件連接。夾芯保溫外墻具有低能耗、耐久、防火等特點(diǎn)，以其良好結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)效益而逐漸受到建筑行業(yè)的青睞[1-3]。預(yù)制混凝土夾芯墻體中的連接件關(guān)系到其內(nèi)外葉墻片之間的協(xié)同工作，是決定夾芯墻體整體工作性能的關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)外學(xué)者對非金屬材料連接件的研究比較深入全面，已有研究成果表明夾芯保溫墻體非金屬材料連接件的抗剪能力不高，但抗拉性能較好，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。其中，國外學(xué)者Kazem等對纖維增強(qiáng)復(fù)材(FRP)連接件的受剪性能進(jìn)行了研究[4]，Ekenel對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連接件的受力性能做了試驗(yàn)研究[5]。國內(nèi)學(xué)者王勃等對FRP連接件和預(yù)制夾芯保溫墻板的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和展望[6]，陳東等對FRP連接件進(jìn)行了抗拉和抗剪數(shù)值模擬[7]。雖然FRP等非金屬連接件在導(dǎo)熱和耐腐蝕性等方面較金屬連接件有一定的優(yōu)勢，但是隨著科技的進(jìn)步，新工藝和新材料的不斷發(fā)展，金屬材料的耐腐蝕性等有了較大的改善和提高，其力學(xué)性能也明顯優(yōu)于一些非金屬材料，所以對金屬連接件的研究勢在必行，其中不銹鋼桁架連接件(圖1)因具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、制造簡單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)而被采用，因此，深入研究金屬桁架連接件的受力性能對于預(yù)制混凝土夾芯保溫墻的應(yīng)用和發(fā)展具有重大的意義。

a—不銹鋼桁架連接件； b—桁架連接件簡圖，mm。

預(yù)制混凝土夾芯保溫墻與傳統(tǒng)的夾芯墻有所不同，其可通過加大內(nèi)外葉墻板間保溫層的厚度來實(shí)現(xiàn)超低耗能的目的，這就給連接件的受力性能提出了更高的要求，可以說夾芯保溫墻中連接件的可靠性，是預(yù)制混凝土夾芯保溫墻推廣應(yīng)用的前提。夾芯保溫墻在其外葉墻自重作用下墻體連接件將處于受剪狀態(tài)，為研究其抗剪性能，本文通過試驗(yàn)和有限元分析的方法對不銹鋼桁架連接件的抗剪性能進(jìn)行研究，綜合評估影響該類連接件剪切承載性能的因素，為其設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 桁架連接件的抗剪性能試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)及材料性能

為研究預(yù)制混凝土夾芯保溫墻桁架連接件的抗剪性能，基于實(shí)際工程應(yīng)用考慮了不同保溫層厚度，分別取保溫層厚度為200 mm和250 mm?？紤]試驗(yàn)加載的便利性和可行性，本次抗剪試驗(yàn)試件采用雙剪切模型，可有效考察多個(gè)桁架連接件的協(xié)同工作性能。4個(gè)雙剪切試件編號分別為S-PD-200a(b)、S-PD-250a(b)。每個(gè)試件有2個(gè)受剪面，每個(gè)受剪面設(shè)有兩個(gè)豎向布置的桁架連接件，間距為600 mm。桁架連接件的弦桿采用直徑為5 mm的HRB400鋼筋制作，腹桿采用直徑5.5 mm的國產(chǎn)光面不銹鋼(S304)桿制作。兩側(cè)混凝土外葉墻板厚度為60 mm；中間混凝土墻板厚度為200 mm，模擬內(nèi)葉墻；保溫層厚度分為200 mm和250 mm。內(nèi)外葉墻混凝土強(qiáng)度等級為C30，墻板鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度25 mm。試件配筋及細(xì)部尺寸如圖2所示。

1—桁架連接件腹桿； 2—桁架連接件弦桿； 3—外葉墻； 4—內(nèi)葉墻； 5—保溫層。

在制作試件時(shí)，采用塑料薄膜將保溫板與混凝土進(jìn)行隔離，以去除保溫板與混凝土的黏結(jié)作用，以此考慮實(shí)際工程中保溫板老化等問題。

a—桁架腹桿力-變形曲線； b—桁架弦桿力-變形曲線。

a—帶肋弦桿； b—光面不銹鋼腹桿。

表1 混凝土力學(xué)特性

表2 桁架連接件材性試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)采用了密度較低的保溫板，用來保守地考慮保溫板的受壓性能。實(shí)測所得保溫板荷載-變形曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5b可見保溫板抗壓能力較低，當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到0.03 MPa后，其壓應(yīng)變快速增加，表現(xiàn)出高壓縮性特性。

a—荷載-變形曲線； b—壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.2 加載和量測

剪切試驗(yàn)裝置如圖6所示。試件外葉墻底部支承，而內(nèi)葉墻底部自由，通過豎向千斤頂對內(nèi)葉墻豎向加載，實(shí)現(xiàn)桁架連接件剪切受力。為保證內(nèi)葉墻加載端均勻受力，避免應(yīng)力集中的影響，在內(nèi)葉墻頂部加載端放置剛性分配梁。為了準(zhǔn)確測得夾芯保溫墻在荷載作用下的位移變化，在試件外葉墻頂部、內(nèi)葉墻底部以及外葉墻底部墊梁處均設(shè)置了位移計(jì)。為了獲得桁架連接件腹桿的應(yīng)變，在所有連接件腹桿中部均粘貼了應(yīng)變片，以量測連接件在受剪過程中連接件腹桿的應(yīng)變大小和變化情況。

1—反力架； 2—千斤頂； 3—力傳感器； 4—加載分配梁； 5—試件； 6—位移計(jì)； 7—墊梁。

剪切試驗(yàn)采用分級加載制度，先按力每級2 kN控制加載，當(dāng)達(dá)到屈服荷載時(shí)，降為每級1 kN進(jìn)行，達(dá)到極限荷載后，按每級2 mm位移控制加載，直至桁架連接件破壞不能繼續(xù)承載為止。

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果及分析

試驗(yàn)加載前，為檢測試驗(yàn)設(shè)備工作情況以及消除試件和加載設(shè)備之間的安裝縫隙等，正式加載前進(jìn)行了預(yù)加載，以測試試驗(yàn)設(shè)備的可靠性。

觀察整個(gè)試驗(yàn)過程，兩種保溫層厚度共4個(gè)試件的試驗(yàn)現(xiàn)象相同，所有試件在加載初期，豎向變形很小，當(dāng)加載至后期時(shí)變形持續(xù)增大，最終試件內(nèi)若干連接件腹桿被拉斷或拔出，試件發(fā)生傾斜，試驗(yàn)結(jié)束。各試件破壞后，將保溫板去除，察看內(nèi)部連接件的破壞形態(tài)，可看到受壓腹桿已經(jīng)明顯彎曲失穩(wěn)，而受拉腹桿被拉斷或發(fā)生節(jié)點(diǎn)混凝土錨固破壞，節(jié)點(diǎn)處混凝土表面變化不大，未發(fā)生明顯碎裂破壞，試件典型的破壞狀態(tài)如圖7所示。

a—整體破壞狀態(tài)； b—桁架連接件破壞狀態(tài)。

圖8為實(shí)測荷載-位移(V-U)關(guān)系曲線。由曲線可見4個(gè)試件受力過程相似，荷載-位移曲線形式一致。加載初期，荷載較小，混凝土板與保溫板接觸面無明顯滑移，內(nèi)外墻板無明顯相對位移，荷載和位移基本呈線性關(guān)系。隨著荷載的進(jìn)一步增加，受壓腹桿發(fā)生失穩(wěn)而退出工作，內(nèi)外葉墻之間的壓力全部由保溫板承擔(dān)，由于保溫板的高抗壓縮性，導(dǎo)致荷載-位移曲線斜率明顯減小。繼續(xù)加載，桁架連接件的受拉腹桿所受拉力不斷增大至屈服，變形快速增加，V-U曲線的斜率突降，隨受拉腹桿塑性變形的加大，內(nèi)外葉墻之間的相對位移不斷加大，繼續(xù)加載到120 kN左右時(shí)，桁架斷裂聲也隨之發(fā)生，試件發(fā)生整體傾斜而停止加載。試件S-PD-250a和S-PD-250b兩試件荷載-位移曲線后期出現(xiàn)分離，V-U曲線不再重合，究其原因可能與試件制作誤差和試驗(yàn)加載誤差有關(guān)，但兩個(gè)試件的破壞荷載基本相當(dāng)。

a—S-PD-200a(b)； b—S-PD-250a(b)。

由以上試驗(yàn)現(xiàn)象可見，預(yù)制混凝土夾芯保溫墻在外葉墻面內(nèi)剪力作用下，內(nèi)外葉墻間的相對變形大小取決于保溫板的壓縮變形性能。由于桁架連接件的受壓腹桿長細(xì)比很大，壓力作用下很容易失穩(wěn)，對外葉墻面內(nèi)抗剪貢獻(xiàn)很低，其外葉墻面內(nèi)抗剪承載力主要取決于桁架連接件的受拉腹桿。

比較 PAC吸附和 Fenton試劑降解對 HHCB與AHTN的去除效果可以發(fā)現(xiàn)，在適宜的條件下，F(xiàn)enton試劑比PAC吸附對HHCB與AHTN的去除效果更好，但Fenton試劑反應(yīng)受pH值的影響更大。

試驗(yàn)實(shí)測各試件的屈服荷載和極限荷載及其對應(yīng)的平均位移如表3所示?？梢钥闯觯鸿旒苓B接件的實(shí)測屈服荷載Vy隨保溫層厚度的增大而減小，主要由于保溫層厚度的變化改變了桁架連接件腹桿的受力夾角，腹桿所受力的分量發(fā)生變化；不同保溫層厚度時(shí)桁架連接件的極限荷載Vu相差不大，這是因?yàn)楸匕寰哂写笞冃翁攸c(diǎn)，桁架連接件后期受力性能趨于一致，連接件極限荷載取決于受拉腹桿的抗拉承載力。總體來看達(dá)到屈服荷載Vy時(shí)其變形δy隨保溫層厚度的增大而增大。由于本次試件數(shù)量有限加之發(fā)生了不同的破壞模式，導(dǎo)致破壞時(shí)實(shí)測極限變形相差較大。

由V-U曲線可以確定達(dá)到墻板抗剪設(shè)計(jì)荷載Vd時(shí)的變形值δd；同理，根據(jù)桁架連接件墻板生產(chǎn)廠家給出的設(shè)計(jì)允許變形值δ=2.54 mm，由曲線可得對應(yīng)荷載值Vδ。Vd、δd及Vδ相應(yīng)數(shù)值列于表3，可見達(dá)到設(shè)計(jì)承載力時(shí)，平均位移為0.7～1.6 mm，均小于正常使用時(shí)的允許變形值2.54 mm；而達(dá)到允許變形最大值δ=2.54 mm時(shí)對應(yīng)的荷載與設(shè)計(jì)承載力的比值為1.41～1.92，說明設(shè)計(jì)時(shí)按設(shè)計(jì)承載力控制時(shí)可不對變形進(jìn)行驗(yàn)算，且有較大的變形儲備；此外，達(dá)到設(shè)計(jì)承載力時(shí)平均變形值遠(yuǎn)小于膠縫的剪切及受壓變形量10 mm，滿足接縫密封膠的變形性能要求。

2 有限元分析

2.1 模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對夾芯保溫墻進(jìn)行模擬分析，其中，混凝土采用塑性損傷模型[8]，帶肋弦桿和不銹鋼腹桿均采用理想彈塑性雙折線模型。各材料的力學(xué)性能指標(biāo)均取實(shí)測值。有限元模型中，鋼筋采用桿單元T3D2，桁架連接件采用梁單元B31，混凝土和保溫板采用實(shí)體單元C3D81。內(nèi)外葉墻板不考慮鋼筋和混凝土之間黏結(jié)滑移，通過嵌入實(shí)現(xiàn)它們之間的相互作用。假定桁架連接件和混凝土之間黏結(jié)良好，不出現(xiàn)滑移，桁架連接件通過部分內(nèi)置嵌入的約束方式實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接關(guān)系。保溫板和內(nèi)外葉墻體通過設(shè)置接觸對來實(shí)現(xiàn)其相互作用，法向硬接觸，切向設(shè)置摩擦系數(shù)。模型的邊界條件為外葉墻下端鉸支，上端僅約束垂直墻面的側(cè)向變形。采取位移加載方式，加載點(diǎn)為內(nèi)葉墻頂面耦合點(diǎn)，受剪分析模型如圖9所示。

圖9 受剪分析模型

為了考慮連接件腹桿在加載過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞，本文通過非線性屈曲分析的方法首先得出受壓桿的臨界應(yīng)力。當(dāng)壓桿應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力后，視為受壓腹桿彎曲失穩(wěn)退出工作。具體的分析步設(shè)置如下：分析步1：采用線性加載至桁架壓桿達(dá)到臨界應(yīng)力；分析步2：令桁架受壓腹桿失效，繼續(xù)加載至試件破壞。

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥隽藬?shù)值模擬，分析所得荷載-位移曲線如圖8所示，可見模擬曲線與試驗(yàn)曲線吻合良好，數(shù)值模擬方法具有可靠精度。

2.2 變參數(shù)分析

影響預(yù)制混凝土夾芯墻承載力的因素有很多，基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，本文主要就桁架連接件腹桿筋的直徑、桁架節(jié)點(diǎn)間距、保溫層厚度做了變參數(shù)分析。模型變參數(shù)數(shù)值模擬荷載-位移曲線如圖10所示。

a—變腹桿直徑； b—變節(jié)點(diǎn)間距； c—變保溫層厚度。

由圖10模型的荷載-位移曲線可見，對于保溫板厚度為200 mm的模型，桁架連接件的抗剪承載力隨著其腹桿直徑的增大而增大，桁架連接件腹桿直徑由5.5 mm增大到8 mm，當(dāng)受壓腹桿達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)，其抗剪承載力提高約2.6倍，同時(shí)連接件初始抗剪剛度明顯提高，表現(xiàn)為曲線斜率增大(圖10a)；取保溫層厚度200 mm不變，隨桁架節(jié)點(diǎn)間距的增加，桁架連接件的抗剪能力下降，這是由于桁架節(jié)點(diǎn)間距增加，腹桿與弦桿的夾角減小，剪力作用下腹桿內(nèi)力分量增大，受壓腹桿失穩(wěn)提前，造成桁架連接件抗剪承載力下降(圖10b)；對于節(jié)點(diǎn)間距600 mm的桁架連接件模型，隨著保溫層厚度的減小，抗剪承載力增加，這是由于保溫層厚度減小，桁架連接件受壓腹桿長度變小，臨界力提高，導(dǎo)致桁架連接件抗剪承載力提高(圖10c)。圖10模型的荷載-位移曲線說明，不同參數(shù)的桁架連接件，在剪力作用下，均表現(xiàn)出典型的兩階段受力特性，即受壓腹桿失穩(wěn)前剛度較大，剪力和位移基本呈線性變化。而受壓腹桿失穩(wěn)后剛度突降，剪力作用下變形迅速增加，曲線斜率接近為零。因此，為防止桁架連接件夾芯保溫墻板使用過程中出現(xiàn)過大剪切變形，其最大設(shè)計(jì)荷載應(yīng)保證連接件受壓腹桿不失穩(wěn)。

3 結(jié) 論

本文對預(yù)制混凝土夾芯保溫墻桁架連接件抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，可得出以下結(jié)論：

1)預(yù)制混凝土夾芯保溫墻桁架連接件剪切破壞過程為：受壓腹桿先屈曲，受拉腹桿被拉斷或端部拔出錨固破壞。

2)桁架連接件的腹桿直徑和連接件節(jié)點(diǎn)間距對夾芯墻的受剪性能影響很大，其屈服和極限承載力隨著腹桿直徑的增大而增加，隨著節(jié)點(diǎn)間距的減小而增大；隨著保溫層厚度的減小，墻體的屈服承載力增大，而對極限承載力影響不大。

3)夾芯保溫墻桁架連接件的受壓腹桿屈曲后，內(nèi)外葉墻間的壓力主要由保溫板承擔(dān)，工程中該類墻體的保溫材料應(yīng)具備一定的抗壓能力。偏于安全考慮，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮桁架連接件受壓腹桿的作用。

4)滿足本文試件設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，采用國產(chǎn)304不銹鋼制作桁架連接件滿足該類墻板現(xiàn)行設(shè)計(jì)承載力和變形的要求。

需要說明的是，本文數(shù)值分析時(shí)未考慮節(jié)點(diǎn)錨固破壞問題，而試驗(yàn)表明桁架節(jié)點(diǎn)處與混凝土墻板的錨固可能發(fā)生破壞，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取加大桁架腹桿端部埋深或采取機(jī)械錨固等措施，以防止發(fā)生桁架節(jié)點(diǎn)處的錨固破壞。