王立軍 姚志鑫 付素娟

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口職業(yè)技術學院，河北 張家口 075000；3.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050000)

0 概 述

隨著社會的不斷進步，能源消耗日益提高.大力發(fā)展綠色節(jié)能的建筑是當下建筑發(fā)展的重要趨勢，因此對超低能耗保溫夾芯墻的研究顯得更加重要[1～2].超低能耗保溫夾芯墻由裝飾作用的外頁、保溫作用的保溫層、結構作用的內(nèi)頁以及將三者連接起來的連結件組成.連結件是內(nèi)外頁墻板間傳遞剪力與風荷載、抵抗水平地震荷載的重要構件，其受力性能直接關系到夾心墻體使用的安全性和耐久性[3]；同時超低能耗夾芯墻的保溫層厚度可以達到150 mm至250 mm，還會承受墻板平放澆筑、脫模和垂直吊裝運輸?shù)耐饬?，使得對連結件力學性能有更高要求.目前市面上連結件形式有棒狀、片狀、格構式、U型、L型和H型等.連結件材料有普通鋼筋、金屬合金及FRP等.其中格構式能夠很好的限制位移，F(xiàn)RP可能滿足斷熱橋效應，基于此制作出滿足超低能耗保溫夾芯墻[4-6]的格構式FRP連結件，對其進行試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試驗設計

表1 抗拔試件參數(shù)表

依據(jù)國內(nèi)外試驗及研究成果[7-10]，設計了兩組抗拔試件，其中編號KB10-1中10代表連結件直徑為10 mm，1代表同條件試件的編號，試件的參數(shù)如表1.每個試件中放置一段長度為600 mm的格構式連結件，連結件形狀和尺寸如圖1，錨固深度為30 mm.試件尺寸為800 mm×200 mm×480 mm.保溫層厚度為240 mm.為防止試件在拉拔過程中C30混凝土過早地發(fā)生劈裂情況，抗拉試件上下兩層混凝土應設置雙層鋼筋網(wǎng)并預埋鋼拉桿和錨固筋，鋼拉桿和錨固筋應進行焊接，鋼筋網(wǎng)片的間距為90 mm，鋼拉桿長度為150 mm，直徑為16 mm，嵌入深度為75 mm，抗拉試驗設計如圖2.

圖1 連結件的形狀與尺寸 圖2 抗拔構件設計圖

為方便澆注，將試件平放，采用鋼模板進行澆注.在試件制作過程中，預先在緊挨上下層混凝土的鋼模板中間留出拉桿孔洞，并將保溫板(XPS)裁成需要的尺寸，與連結件進行組合，孔隙用發(fā)泡劑進行填充，然后將焊接好的鋼筋網(wǎng)、預埋件、拉桿按設計位置放入模板中，要保證各個構件的中心在同一直線上，最后澆筑混凝土，在澆筑過程中要時刻檢查各個構件位置.

1.2 試驗裝置與測量

圖3 抗拔試驗加載設備

試驗主要的設備是電液伺服萬能試驗機，具體試驗裝置如圖3.試驗機對試件上拉桿施加位移荷載，上下層混凝土之間的相對滑移由試驗機自身測量.試驗開始前試驗機夾具夾在抗拔試件上下拉桿端部，要保證夾具、拉桿垂直.試驗加載方式為位移加載，加載速度為1 mm/min，當試驗儀器顯示的荷載迅速下降或者連結件出現(xiàn)明顯破壞時，即為試驗結束，停止加載，從而獲取試件的極限承載力以及位移變化.

1.3 試驗材料的力學性能

1.3.1 混凝土的力學性能

試驗中所有抗拔試件均采用C30混凝土.根據(jù)GB/T50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的規(guī)定，在澆注抗剪試件時預留了標準立方體試塊，試塊尺寸為150×150×150 mm，并與抗拔試件進行同條件養(yǎng)護28d，在試驗開始前對試塊進行混凝土立方體抗壓強度值的測量，測量結果如表2，測量值均已滿足試驗要求.

表2 抗剪試件混凝土試塊強度表

1.3.2 連結件的力學性能

格構式連結件由工廠定制，通過工廠檢測得到的連結件材料的力學性能如表3.

表3 FRP連接件材料力學性能

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

在抗拔試驗過程中并沒有將保溫板扣除，導致無法直接觀察到連結件隨位移變化的破壞過程，只能通過試驗機上數(shù)據(jù)與試驗現(xiàn)象來判斷試驗進程.具體的破壞形態(tài)是在試驗結束之后將保溫板摳出進行觀察.在實驗過程中可以明顯看到隨著荷載不斷的增加，試件上下層混凝土的位移也在不斷增加，當荷載加載到2.5 kN左右時會聽到很大一聲保溫板被拉壞的聲響；隨后荷載與位移基本呈線性增加；當加載到極限荷載時，連結件與下層混凝土連接的一個節(jié)點上發(fā)生破壞，荷載迅速下降.試件破壞形態(tài)如圖4.

圖4 抗拔試件破壞圖

所有試件加載到極限荷載以后的破壞形式均為連結件拔出破壞，并未發(fā)現(xiàn)連結件本身破壞，說明格構式FRP連結件有很強的抗拉承載力.

所有試件除連結件直徑不同以外其他參數(shù)都一樣，破壞的位置均在下層混凝土，這是由于連結件與上層混凝土的連接點是一個完整的直角，與下層混凝土的連接點是連結件的末端，不是完整的直角，所以上側(cè)的連接點相對抗拔性能相對較好.

由于試件在澆注時鋼筋網(wǎng)與連結件進行了綁扎固定，將保溫板去除以后可以清楚看到混凝土連結件將鋼筋網(wǎng)一起拔出，如圖4.混凝土破壞形式為錐形破壞，由于試件在制作過程中存在誤差，不能完全將鋼筋網(wǎng)放置在指定位置以及混凝土并不是受到垂直于混凝土表面的拉力，使得混凝土的破壞方向不是同時的、均勻的向四周擴散，而是先在某一個方向出現(xiàn)裂縫，再在其他方向出現(xiàn)裂縫，最終混凝土被拉壞.

試件的破壞位置都是在下層混凝土，這是由于下層連結件的節(jié)點不是一個完整的直角，使得下層混凝土中連結件對節(jié)點的作用面積要小于上層混凝土中連結件對節(jié)點的作用面積，并且拉拔力是由拉桿先傳遞到上層混凝土的連結件節(jié)點上，再傳遞到連結件的兩根腹桿上，使拉力一分為二，最后傳遞到連結件與上層混凝相連的兩個節(jié)點上.

2.2 荷載-位移曲線分析

圖5 各試件荷載-滑移關系曲線

根據(jù)圖5可知試驗中荷載與位移基本呈線性增加，分析是由于格構式連結件在澆注時與混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)相連，當荷載達到混凝土屈服強度時，連結件將部分荷載傳遞到鋼筋網(wǎng)，從而增強了試件的整體性.連接件在整個抗拉過程中表現(xiàn)出很好的彈性性能.

隨著格構式連結件直徑增加，抗拔試件的極限承載力相差不大，分析是由于荷載并未加載到連結件的屈服強度，但是試件上下層混凝土的相對位移在增加.因此，總結參考文獻與試驗數(shù)據(jù)得出：影響格構式連結件抗拔承載力的主要原因可能是混凝土的強度以及連結件的埋深.

2.3 安全性評定

依據(jù)河北省某地設計要求，并根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010、《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范》JBJ133-2013以及《建筑結構荷載規(guī)范》JB50009-2012計算出由風荷載、地震荷載及墻板澆注吊裝時產(chǎn)生的荷載，并對荷載組合，選取最不利荷載值作為夾芯墻的抗拔荷載設計值[12]，設計值為1.785kN，與試驗值進行對比如表4.所有試件安全系數(shù)均大于國內(nèi)規(guī)范擬定的最小值4，表明本試驗中格構式FRP連結件滿足夾芯墻的抗拔設計要求，并且具有較高的安全儲備，完全滿足工程設計要求.

表4 抗拔試件試驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)《錨固于混凝土中的纖維加固復合連接器驗收標準》AC320，試件達到承載力設計值時，上下層混凝土最大位移在2.54 mm以內(nèi)，認為預制夾芯墻板之間的密封膠不會發(fā)生剪切破壞.由于保溫板之間的粘接力對試驗初期的荷載有一定影響，將試件設計值放大一倍后對應的上下層混凝土相對滑移如表5.通過表5發(fā)現(xiàn)試件達到承載力設計值時均小于2.54 mm，表明該格構式連結件在正常使用情況下滿足規(guī)范標準的要求.

表5 拉結件承載力與對應變形量

試件達到極限荷載后對應的相對滑移量在6.14～8.85 mm，遠大于規(guī)范中密封膠的最大剪切變形量，說明要充分發(fā)揮試件的承載力，就必須控制夾芯墻在正常使用情況下的滑移量.

3 有限元模擬

試件的有限元模型完全依據(jù)抗拉試驗結果進行.由于在抗拉試驗中保溫板對抗拉承載力并沒有很大影響，建模時不考慮上下層混凝土之間XPS的影響.對試件上下層混凝土采用三維實體單元C3D8R(又稱縮減積分單元)，鋼筋采用桿單元T3D2(三維線性單元).為了使格構式連結件的受力模擬情況與實際更加接近，連接件采用梁單元B31進行模擬.混凝土本構關系選用塑形損傷模型輸入.由于不考慮鋼筋之間混凝土的相對滑移，混凝土和鋼筋網(wǎng)采用嵌入?yún)^(qū)域約束.對試件下層混凝土采用完全固定的約束方式，對上層混凝土施加位移荷載.連結件直徑為10mm、12mm的抗拔試件應力云圖如圖6～8.

圖6 上層混凝土應力云圖(左圖連結件直徑為10mm的試件、右圖連結件直徑為12mm的試件)

圖7 下層混凝土應力云圖(左圖連結件直徑為10mm的試件、右圖連結件直徑為12mm的試件)

(d=10 mm) (d=12 mm)

根據(jù)圖8可知，連結件的應力在模擬過程中并沒有達到極限拉伸強度.根據(jù)圖6和圖7，下層混凝土板的最大應力均大于上層混凝土板，說明下層混凝土板先破壞.混凝土最大應力集中在連結件與混凝土的連接節(jié)點處，并且應力以節(jié)點處為中心向四周擴散逐漸減小，這與試驗破壞現(xiàn)象一致，說明了模擬結果是可靠的.

4 總 結

通過超低能耗保溫夾心墻格構式GFRP連結件的抗拉試驗，得出如下結論：

(1)試件的破壞均為連結件拔出破壞，并沒有很明顯地觀察到連結件本身發(fā)生破壞，說明連結件本身的抗拉強度高.

(2)兩種直徑連結件的平均極限抗拔承載力分別是24.90 kN、23.67 kN，表明試件的抗拔承載力與連結件直徑?jīng)]有直接關系.但是上下層板相對滑移隨連結件直徑增加在減少，最小直徑10 mm連結件的平均位移為8.4 mm.

(3)當連結件錨固深度為30 mm時，試件的抗拔承載力大約在24kN，有很大的安全儲備，滿足超低能耗保溫夾芯墻的抗拔承載力設計要求.

(4)抗拉試件的混凝土受拉破壞，且抗拔承載力與上下層混凝土的滑移基本承線性增加，屬于脆性破壞.