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    超低能耗夹芯墙中格构式连结件受拉试验分析

    时间：2023-01-27 08:26:07来源：百花范文网本文已影响人

    王立军 姚志鑫 付素娟

    (1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；
    2.张家口职业技术学院，河北 张家口 075000；
    3.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050000)

    随着社会的不断进步，能源消耗日益提高.大力发展绿色节能的建筑是当下建筑发展的重要趋势，因此对超低能耗保温夹芯墙的研究显得更加重要[1～2].超低能耗保温夹芯墙由装饰作用的外页、保温作用的保温层、结构作用的内页以及将三者连接起来的连结件组成.连结件是内外页墙板间传递剪力与风荷载、抵抗水平地震荷载的重要构件，其受力性能直接关系到夹心墙体使用的安全性和耐久性[3]；
    同时超低能耗夹芯墙的保温层厚度可以达到150 mm至250 mm，还会承受墙板平放浇筑、脱模和垂直吊装运输的外力，使得对连结件力学性能有更高要求.目前市面上连结件形式有棒状、片状、格构式、U型、L型和H型等.连结件材料有普通钢筋、金属合金及FRP等.其中格构式能够很好的限制位移，FRP可能满足断热桥效应，基于此制作出满足超低能耗保温夹芯墙[4-6]的格构式FRP连结件，对其进行试验研究.

    1.1 试验设计

    表1 抗拔试件参数表

    依据国内外试验及研究成果[7-10]，设计了两组抗拔试件，其中编号KB10-1中10代表连结件直径为10 mm，1代表同条件试件的编号，试件的参数如表1.每个试件中放置一段长度为600 mm的格构式连结件，连结件形状和尺寸如图1，锚固深度为30 mm.试件尺寸为800 mm×200 mm×480 mm.保温层厚度为240 mm.为防止试件在拉拔过程中C30混凝土过早地发生劈裂情况，抗拉试件上下两层混凝土应设置双层钢筋网并预埋钢拉杆和锚固筋，钢拉杆和锚固筋应进行焊接，钢筋网片的间距为90 mm，钢拉杆长度为150 mm，直径为16 mm，嵌入深度为75 mm，抗拉试验设计如图2.

    图1 连结件的形状与尺寸 图2 抗拔构件设计图

    为方便浇注，将试件平放，采用钢模板进行浇注.在试件制作过程中，预先在紧挨上下层混凝土的钢模板中间留出拉杆孔洞，并将保温板(XPS)裁成需要的尺寸，与连结件进行组合，孔隙用发泡剂进行填充，然后将焊接好的钢筋网、预埋件、拉杆按设计位置放入模板中，要保证各个构件的中心在同一直线上，最后浇筑混凝土，在浇筑过程中要时刻检查各个构件位置.

    1.2 试验装置与测量

    图3 抗拔试验加载设备

    试验主要的设备是电液伺服万能试验机，具体试验装置如图3.试验机对试件上拉杆施加位移荷载，上下层混凝土之间的相对滑移由试验机自身测量.试验开始前试验机夹具夹在抗拔试件上下拉杆端部，要保证夹具、拉杆垂直.试验加载方式为位移加载，加载速度为1 mm/min，当试验仪器显示的荷载迅速下降或者连结件出现明显破坏时，即为试验结束，停止加载，从而获取试件的极限承载力以及位移变化.

    1.3 试验材料的力学性能

    1.3.1 混凝土的力学性能

    试验中所有抗拔试件均采用C30混凝土.根据GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定，在浇注抗剪试件时预留了标准立方体试块，试块尺寸为150×150×150 mm，并与抗拔试件进行同条件养护28d，在试验开始前对试块进行混凝土立方体抗压强度值的测量，测量结果如表2，测量值均已满足试验要求.

    表2 抗剪试件混凝土试块强度表

    1.3.2 连结件的力学性能

    格构式连结件由工厂定制，通过工厂检测得到的连结件材料的力学性能如表3.

    表3 FRP连接件材料力学性能

    2.1 试验现象

    在抗拔试验过程中并没有将保温板扣除，导致无法直接观察到连结件随位移变化的破坏过程，只能通过试验机上数据与试验现象来判断试验进程.具体的破坏形态是在试验结束之后将保温板抠出进行观察.在实验过程中可以明显看到随着荷载不断的增加，试件上下层混凝土的位移也在不断增加，当荷载加载到2.5 kN左右时会听到很大一声保温板被拉坏的声响；
    随后荷载与位移基本呈线性增加；
    当加载到极限荷载时，连结件与下层混凝土连接的一个节点上发生破坏，荷载迅速下降.试件破坏形态如图4.

    图4 抗拔试件破坏图

    所有试件加载到极限荷载以后的破坏形式均为连结件拔出破坏，并未发现连结件本身破坏，说明格构式FRP连结件有很强的抗拉承载力.

    所有试件除连结件直径不同以外其他参数都一样，破坏的位置均在下层混凝土，这是由于连结件与上层混凝土的连接点是一个完整的直角，与下层混凝土的连接点是连结件的末端，不是完整的直角，所以上侧的连接点相对抗拔性能相对较好.

    由于试件在浇注时钢筋网与连结件进行了绑扎固定，将保温板去除以后可以清楚看到混凝土连结件将钢筋网一起拔出，如图4.混凝土破坏形式为锥形破坏，由于试件在制作过程中存在误差，不能完全将钢筋网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，使得混凝土的破坏方向不是同时的、均匀的向四周扩散，而是先在某一个方向出现裂缝，再在其他方向出现裂缝，最终混凝土被拉坏.

    试件的破坏位置都是在下层混凝土，这是由于下层连结件的节点不是一个完整的直角，使得下层混凝土中连结件对节点的作用面积要小于上层混凝土中连结件对节点的作用面积，并且拉拔力是由拉杆先传递到上层混凝土的连结件节点上，再传递到连结件的两根腹杆上，使拉力一分为二，最后传递到连结件与上层混凝相连的两个节点上.

    2.2 荷载-位移曲线分析

    图5 各试件荷载-滑移关系曲线

    根据图5可知试验中荷载与位移基本呈线性增加，分析是由于格构式连结件在浇注时与混凝土内部钢筋网相连，当荷载达到混凝土屈服强度时，连结件将部分荷载传递到钢筋网，从而增强了试件的整体性.连接件在整个抗拉过程中表现出很好的弹性性能.

    随着格构式连结件直径增加，抗拔试件的极限承载力相差不大，分析是由于荷载并未加载到连结件的屈服强度，但是试件上下层混凝土的相对位移在增加.因此，总结参考文献与试验数据得出：影响格构式连结件抗拔承载力的主要原因可能是混凝土的强度以及连结件的埋深.

    2.3 安全性评定

    依据河北省某地设计要求，并根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010、《金属与石材幕墙工程技术规范》JBJ133-2013以及《建筑结构荷载规范》JB50009-2012计算出由风荷载、地震荷载及墙板浇注吊装时产生的荷载，并对荷载组合，选取最不利荷载值作为夹芯墙的抗拔荷载设计值[12]，设计值为1.785kN，与试验值进行对比如表4.所有试件安全系数均大于国内规范拟定的最小值4，表明本试验中格构式FRP连结件满足夹芯墙的抗拔设计要求，并且具有较高的安全储备，完全满足工程设计要求.

    表4 抗拔试件试验数据表

    根据《锚固于混凝土中的纤维加固复合连接器验收标准》AC320，试件达到承载力设计值时，上下层混凝土最大位移在2.54 mm以内，认为预制夹芯墙板之间的密封胶不会发生剪切破坏.由于保温板之间的粘接力对试验初期的荷载有一定影响，将试件设计值放大一倍后对应的上下层混凝土相对滑移如表5.通过表5发现试件达到承载力设计值时均小于2.54 mm，表明该格构式连结件在正常使用情况下满足规范标准的要求.

    表5 拉结件承载力与对应变形量

    试件达到极限荷载后对应的相对滑移量在6.14～8.85 mm，远大于规范中密封胶的最大剪切变形量，说明要充分发挥试件的承载力，就必须控制夹芯墙在正常使用情况下的滑移量.

    试件的有限元模型完全依据抗拉试验结果进行.由于在抗拉试验中保温板对抗拉承载力并没有很大影响，建模时不考虑上下层混凝土之间XPS的影响.对试件上下层混凝土采用三维实体单元C3D8R(又称缩减积分单元)，钢筋采用杆单元T3D2(三维线性单元).为了使格构式连结件的受力模拟情况与实际更加接近，连接件采用梁单元B31进行模拟.混凝土本构关系选用塑形损伤模型输入.由于不考虑钢筋之间混凝土的相对滑移，混凝土和钢筋网采用嵌入区域约束.对试件下层混凝土采用完全固定的约束方式，对上层混凝土施加位移荷载.连结件直径为10mm、12mm的抗拔试件应力云图如图6～8.

    图6 上层混凝土应力云图(左图连结件直径为10mm的试件、右图连结件直径为12mm的试件)

    图7 下层混凝土应力云图(左图连结件直径为10mm的试件、右图连结件直径为12mm的试件)

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

    根据图8可知，连结件的应力在模拟过程中并没有达到极限拉伸强度.根据图6和图7，下层混凝土板的最大应力均大于上层混凝土板，说明下层混凝土板先破坏.混凝土最大应力集中在连结件与混凝土的连接节点处，并且应力以节点处为中心向四周扩散逐渐减小，这与试验破坏现象一致，说明了模拟结果是可靠的.

    通过超低能耗保温夹心墙格构式GFRP连结件的抗拉试验，得出如下结论：

    (1)试件的破坏均为连结件拔出破坏，并没有很明显地观察到连结件本身发生破坏，说明连结件本身的抗拉强度高.

    (2)两种直径连结件的平均极限抗拔承载力分别是24.90 kN、23.67 kN，表明试件的抗拔承载力与连结件直径没有直接关系.但是上下层板相对滑移随连结件直径增加在减少，最小直径10 mm连结件的平均位移为8.4 mm.

    (3)当连结件锚固深度为30 mm时，试件的抗拔承载力大约在24kN，有很大的安全储备，满足超低能耗保温夹芯墙的抗拔承载力设计要求.

    (4)抗拉试件的混凝土受拉破坏，且抗拔承载力与上下层混凝土的滑移基本承线性增加，属于脆性破坏.

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