一種新型自保溫過梁抗彎及保溫性能試驗(yàn)分析

黃 靚，蔣文龍，王 輝，江 超，黃梅梅，高小寶，王 海

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082; 3.中國(guó)建筑國(guó)際集團(tuán)有限公司,香港 999077)

一種新型自保溫過梁抗彎及保溫性能試驗(yàn)分析

黃 靚1,2?，蔣文龍1,2，王 輝3，江 超1,2，黃梅梅1,2，高小寶1，王 海1

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082; 2.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410082; 3.中國(guó)建筑國(guó)際集團(tuán)有限公司,香港 999077)

對(duì)研制的一種通過在梁內(nèi)開縫并填充保溫材料來阻斷冷熱橋?qū)崿F(xiàn)自保溫功能的過梁進(jìn)行了試驗(yàn)分析.進(jìn)行了2根實(shí)心過梁和8根自保溫過梁的抗彎性能試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明,自保溫過梁中外葉梁和內(nèi)葉梁的協(xié)調(diào)工作性能良好，在正常使用極限狀態(tài)下的實(shí)測(cè)最大裂縫寬度均小于短期荷載下的限值，能滿足正常使用要求.同時(shí)，開縫和寬度比對(duì)初裂荷載和破壞模式基本沒有影響.此外，雖然開縫導(dǎo)致自保溫過梁承載力略小于實(shí)心過梁，但兩者承載力的差值不明顯.自保溫過梁的傳熱系數(shù)值比實(shí)心過梁下降65%，熱工性能明顯優(yōu)于實(shí)心過梁.

過梁；開縫；抗彎性能；保溫；承載力

持續(xù)推進(jìn)建筑節(jié)能保溫是中國(guó)的一項(xiàng)基本政策.建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為建筑與外界環(huán)境能量交換的窗口，成為解決建筑節(jié)能保溫最重要的一個(gè)環(huán)節(jié).在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成外墻的自隔熱保溫墻體材料[1-4]和構(gòu)成門窗的建筑真空玻璃[5-6]在國(guó)內(nèi)外的研究與應(yīng)用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，無須再做內(nèi)、外保溫.但外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中重要組成部分的過梁是典型的結(jié)構(gòu)性冷熱橋，一般采用外墻內(nèi)保溫或外保溫來解決冷熱橋問題，但內(nèi)保溫存在易發(fā)霉、效果差、占面積，外保溫存在易脫落、與建筑不同壽命等諸多缺點(diǎn)，而自隔熱保溫構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的研究又很少．因此，本文從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種自保溫過梁，其方法是在過梁中間開縫，縫中填充保溫材料，阻斷過梁中冷熱橋的形成.

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)普通鋼筋混凝土梁的研究較多，李志華[7]對(duì)梁的受彎承載力、裂縫和撓度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)試驗(yàn)梁的裂縫影響不明顯；Makhlouf和Malhas[8]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)配筋率對(duì)裂縫寬度沒有明顯影響;王新寧[9]做了4種8根T形截面鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)，分析了加載方式、混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)梁的開裂、裂縫寬度、撓度等的影響.以上研究成果為自保溫過梁力學(xué)性能試驗(yàn)分析提供了參考.本文對(duì)2根實(shí)心過梁和8根自保溫過梁的抗彎性能和保溫性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和材料性能

為了研究這種自保溫過梁內(nèi)、外葉梁的協(xié)同工作性能以及開縫和內(nèi)外葉梁的寬度比對(duì)其抗彎性能的影響，本文以是否開縫、寬度比和混凝土強(qiáng)度等級(jí)為主要參數(shù)設(shè)計(jì)并制作了10根過梁，包括2根實(shí)心對(duì)比梁(編號(hào)分別為CB1和CB2)和8根自保溫過梁(編號(hào)分別為B1～B8)，其中自保溫過梁的內(nèi)葉梁用A表示，外葉梁用B表示，內(nèi)葉梁、外葉梁以及縫的寬度之和與實(shí)心過梁相同，因此對(duì)于自保溫過梁，其真實(shí)的混凝土截面寬度要比實(shí)心過梁小30 mm.參照實(shí)際工程，梁的截面總寬度設(shè)計(jì)分別為240 mm和300 mm，截面高度為180 mm，具體尺寸及配筋如圖1所示．外葉梁和內(nèi)葉梁在端部現(xiàn)澆成一個(gè)整體，其長(zhǎng)度為150 mm，試件具體參數(shù)見表1，鋼筋實(shí)測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)見表2.

過梁的受力形式類似于簡(jiǎn)支梁，故試驗(yàn)選擇兩點(diǎn)加載的簡(jiǎn)支梁形式，試驗(yàn)加載示意圖如圖2所示，按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載取開裂彎矩Mcr的30%，Mcr=0.256ftbh2[11]，測(cè)讀數(shù)據(jù)，觀察試件、裝置和儀表工作是否正常并及時(shí)排除故障.正式加載采用單調(diào)分級(jí)加載，按照混凝土靜載加載方法進(jìn)行.試驗(yàn)過程中觀察裂縫發(fā)展情況并進(jìn)行撓度、應(yīng)變和裂縫寬度的量測(cè).

(a)實(shí)心過梁(240 mm寬)

(b)自保溫過梁(240 mm寬)

(c)實(shí)心過梁(300 mm寬)

(d)自保溫過梁(300 mm寬)

表1 各試件參數(shù)

表2 鋼筋實(shí)測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)

圖2 加載裝置示意圖(mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)過程及破壞形態(tài)

在試驗(yàn)荷載作用下，自保溫過梁裂縫發(fā)展的過程和形態(tài)與實(shí)心過梁相同，當(dāng)荷載超過開裂荷載后，第1條裂縫均出現(xiàn)在梁的純彎段，其位置在跨中附近，且總是外葉梁先開裂，然后隨著荷載繼續(xù)加大，內(nèi)葉梁出現(xiàn)裂縫.隨著荷載增加，垂直裂縫陸續(xù)在純彎段出現(xiàn)，裂縫間距比較均勻，裂縫寬度發(fā)展緩慢；當(dāng)純彎段裂縫基本出齊后，隨著荷載增大，在梁的剪力和彎矩共同作用區(qū)段出現(xiàn)了彎剪斜裂縫；臨近破壞時(shí)，裂縫寬度發(fā)展很快，破壞預(yù)兆明顯，梁頂混凝土從出現(xiàn)鼓起痕跡到被壓碎的過程中，一般都是內(nèi)葉梁先出現(xiàn)鼓起痕跡，接著外葉梁梁頂鼓起，然后內(nèi)、外葉梁先后發(fā)生破壞.部分試件破壞后裂縫情況見圖3.由圖3可以看出，自保溫過梁內(nèi)、外葉梁裂縫數(shù)量、形態(tài)基本一致，說明內(nèi)、外葉梁在荷載作用下協(xié)調(diào)工作性能良好.

2.2 主要試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中測(cè)量試件初裂荷載、實(shí)測(cè)極限荷載、計(jì)算極限荷載以及觀察試件破壞形態(tài)，全部試件的試驗(yàn)參數(shù)如表3所示.

2.3 開縫對(duì)過梁的影響分析

選取整體寬度相同，開縫與不開縫的過梁進(jìn)行受彎承載力對(duì)比(B2vs.CB1,B3vs.B4vs.CB2)，如表3所示，由于試驗(yàn)誤差以及材料強(qiáng)度存在一定的離散性，實(shí)心過梁和自保溫過梁之間的初裂荷載和實(shí)測(cè)極限荷載有大有小，但差距并不明顯，實(shí)心過梁與自保溫過梁的初裂荷載最大差值為0.4 kN，最小差值為0.0，其初裂荷載幾乎是相同的，且破壞模式都為受彎破壞．實(shí)心過梁的極限荷載比對(duì)應(yīng)的自保溫過梁都要大，最小差值為2.9 kN(占實(shí)心過梁極限承載力的4%)，最大差值為5.3 kN(占實(shí)心過梁極限承載力的6%)，這是由于開縫導(dǎo)致自保溫過梁的混凝土實(shí)際截面寬度比實(shí)心過梁小，其極限承載力會(huì)有一定程度的降低，因此，開縫對(duì)試驗(yàn)梁的開裂和破壞模式基本沒有影響，而開縫將導(dǎo)致過梁的極限承載力略微下降.

圖3 裂縫圖

表3 過梁的受彎性能參數(shù)

將規(guī)范受彎承載力計(jì)算公式中的fc和fy分別取混凝土和鋼筋的強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，計(jì)算出極限彎矩M，再由力和彎矩的平衡求出計(jì)算極限荷載Pc，結(jié)果列于表3.實(shí)測(cè)極限荷載Pe和計(jì)算極限荷載Pc的比值均大于1，其平均值為1.17，標(biāo)準(zhǔn)差為0.03，這說明規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果比較準(zhǔn)確，具有一定的安全儲(chǔ)備，適合對(duì)實(shí)心過梁和自保溫過梁進(jìn)行承載力計(jì)算.

2.4 內(nèi)、外葉梁寬度比對(duì)自保溫過梁的影響分析

在試驗(yàn)的自保溫梁中選取配筋量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、截面面積(寬度相同)都相同而內(nèi)、外葉梁寬度比不同的兩個(gè)對(duì)比組進(jìn)行受彎承載力對(duì)比(B3 vs. B4 , B5 vs. B6).從表4中可以看出，不同寬度比的自保溫過梁之間的初裂荷載最大差值為0.4 kN，最小差值為0，其初裂荷載幾乎是相同的；內(nèi)、外葉梁寬度比不同的自保溫過梁的極限荷載最小差值為1.7 kN(僅占自保溫過梁極限承載力的約2%)，最大差值為2.4 kN(僅占自保溫過梁極限承載力的3%)，兩組自保溫梁實(shí)測(cè)極限荷載比值分別為0.968和1.019，平均值為0.99，不同寬度比自保溫梁的極限承載力近似相同.因此，自保溫過梁內(nèi)、外葉梁寬度比不同對(duì)梁的開裂和破壞模式基本沒有影響，過梁的承載力近似相同，規(guī)范受彎承載力計(jì)算公式適用于內(nèi)、外葉梁寬度比不同的自保溫過梁.

依據(jù)規(guī)范[12]，梁的保護(hù)層厚度最小為25 mm，受力縱筋最小間距不小于25 mm或主筋直徑，實(shí)際工程中考慮內(nèi)外墻抹灰厚度情況對(duì)保護(hù)層的有利作用，綜合以上分析內(nèi)外葉梁設(shè)計(jì)時(shí)最小截面寬度不應(yīng)小于80 mm.實(shí)際施工中，為方便施工、保證效果，建議內(nèi)外墻寬度比設(shè)為1∶1.

表4 內(nèi)、外葉梁寬度比不同的過梁受彎承載力對(duì)比

3 自保溫過梁正常使用狀態(tài)分析

與實(shí)心過梁相比，自保溫過梁相當(dāng)于在實(shí)心過梁中間開了一條縫，其受力狀態(tài)、截面剛度等與實(shí)心過梁相比會(huì)有區(qū)別，所以自保溫過梁承擔(dān)荷載時(shí)，裂縫寬度和撓度有可能成為構(gòu)件設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素.

按照GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[13]規(guī)定，荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值應(yīng)從可變荷載效應(yīng)控制的組合和永久荷載效應(yīng)控制的組合之中取最不利值確定，正常使用極限狀態(tài)下，荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合為：

式中：SGk為按永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)；SQ1k為在所有可變荷載效應(yīng)中起控制作用的荷載效應(yīng)；SQik為按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的荷載效應(yīng)；ψci為第i個(gè)可變荷載效應(yīng)的組合系數(shù)；

對(duì)于本次試驗(yàn)梁，可按SGk/SQk=2即Mk=Mu/1.267計(jì)算.以鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值算出梁的極限彎矩，再推算極限承載力計(jì)算值Pu，由Pk=Pu/1.267求得正常使用極限狀態(tài)承載力計(jì)算值Pk.一般地，實(shí)測(cè)短期最大裂縫寬度乘以擴(kuò)大系數(shù)1.5可推算出長(zhǎng)期最大裂縫寬度，這里，將規(guī)范[12]的裂縫寬度限值0.3 mm除以1.5推得短期荷載下的裂縫寬度限值為0.2 mm，然后與對(duì)應(yīng)Pk作用下的實(shí)測(cè)短期最大裂縫寬度去比較，即可看出梁的裂縫寬度是否滿足正常使用要求(如表4所示).

以磚砌體為例，過梁上的墻體高度hw取ln/3，墻體荷載按墻體的均布自重采用[14]，取普通磚自重為18 kN/m3[13]，則普通磚對(duì)過梁產(chǎn)生的彎矩僅為其承載力設(shè)計(jì)值的10%左右，遠(yuǎn)小于正常使用極限狀態(tài)時(shí)的荷載，因此，開縫不會(huì)影響過梁在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的使用.

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]規(guī)定：當(dāng)受彎構(gòu)件的計(jì)算跨度小于7 m時(shí)，其最大撓度不應(yīng)超過其計(jì)算跨度的1/200.受彎構(gòu)件的撓度應(yīng)按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮荷載長(zhǎng)期作用影響的剛度B進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

如上所述，取可變荷載與永久荷載的比值Qk/Gk=0.5，取可變荷載的準(zhǔn)永久系數(shù)為0.5，則

梁的計(jì)算跨度為1 600 mm，規(guī)范[13]允許的撓度限值為1 600/ 200=8 mm，撓度與剛度成反比，因此，短期荷載下的撓度限值為8×0.545=4.36 mm.

表5給出了自保溫過梁對(duì)應(yīng)Pk作用下的實(shí)測(cè)短期最大裂縫寬度和撓度.由表5可知，內(nèi)、外葉梁的裂縫寬度和跨中撓度都小于短期荷載下的限值，說明自保溫過梁能滿足正常使用的要求.

表5 短期荷載下的最大裂縫寬度和撓度

4 熱工性能分析

以常用的240 mm寬的過梁為例，因其厚度與墻體的厚度相同，故可按平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)GB 50176-93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，先將不同材料組成的過梁分層，如圖4所示.參照DBJ 43/001-2004《湖南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[16]和DB 51/T5061-2008《水泥基復(fù)合膨脹?；⒅榻ㄖ叵到y(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[17]給定的材料熱物理性能參數(shù)(見表6)，詳細(xì)計(jì)算見表7和表8.

圖4 材料分層

表6 材料熱物理性能參數(shù)

表7 實(shí)心過梁的熱工計(jì)算

表8 自保溫過梁的熱工計(jì)算

通過對(duì)實(shí)心過梁和自保溫過梁的熱工計(jì)算，可以得到在未做開縫及保溫處理時(shí)，實(shí)心過梁的傳熱系數(shù)達(dá)到3.23 W/ (m2·K)，而熱惰性指標(biāo)僅為2.62，在建筑中形成典型的熱橋.而自保溫過梁的傳熱系數(shù)為1.12 W/ (m2·K)，相對(duì)于實(shí)心過梁其降幅達(dá)65%，熱惰性指標(biāo)為3.01，也有相應(yīng)的提高.

5 結(jié)束語(yǔ)

由2根實(shí)心過梁和8根自保溫過梁的抗彎性能試驗(yàn)及熱工性能分析可得出以下結(jié)論：

1)開縫對(duì)相同配筋率和混凝土強(qiáng)度梁的初裂荷載和破壞模式基本沒有影響，但開縫會(huì)導(dǎo)致自保溫過梁的極限承載力略小于實(shí)心梁，但兩者承載力的差值不明顯，僅占到實(shí)心過梁極限承載力的4%～6%．

2)當(dāng)過梁截面面積相同(寬度相同)時(shí)，內(nèi)、外葉梁寬度比在一定范圍內(nèi)(內(nèi)外葉梁的最小截面寬度不應(yīng)小于80 mm)，自保溫過梁內(nèi)、外葉梁的寬度比不同對(duì)梁的承載力基本沒有影響，其承載力近似相同.

3)一般墻體作用在過梁上的荷載遠(yuǎn)小于正常使用極限狀態(tài)下的荷載，自保溫過梁在正常使用極限狀態(tài)下的短期最大裂縫寬度和撓度均小于規(guī)范限值，能滿足正常使用要求，故開縫不會(huì)影響過梁在實(shí)際工程中的使用．

4)自保溫過梁的傳熱系數(shù)值相較于實(shí)心過梁降幅達(dá)65%，而其熱惰性指標(biāo)有一定提高，熱工性能明顯優(yōu)于實(shí)心過梁，基本消除了過梁在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的冷熱橋影響.

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Experimental Analysis of the Flexural and Thermal Performance of One New Self-insulation Lintel

HUANG Liang1,2?, JIANG Wen-long1,2, WANG Hui3, JIANG Chao1,2, HUANG Mei-mei1,2, GAO Xiao-bao1, WANG Hai1

(1. College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China; 2. The Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency of the Ministry of Education, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China;3. China State Construction International Holdings Limited, Hong Kong 999077, China)

This study conducted a test to analyze the self-insulation lintel by filling the slit in lintel with the insulation materials to prevent the thermal bridge. Two solid lintels and eight self-insulation lintels were tested to study their flexural properties. The result shows that both the outer wythe and the inner wythe of the self-insulation lintels cooperate well with each other. The measured maximum crack width under the limit state of normal use is smaller when compared with the limit value under short-term load, so it can meet the normal requirement. In addition, the slit and width ratio of the self-insulation lintels has little effect on the initial crack load and failure mode, and because of the slit, the ultimate strength of the self-insulation lintels is slightly less than the solid lintels, while the difference is obvious. Though the heat-transferring coefficient of the self-insulation lintels decreases by 65% compared with the solid lintels, it has much better thermal performance.

lintel; slotted; flexural properties; thermal insulation; bearing capacity

1674-2974(2015)01-0047-06

2014-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378193),National Natural Science Foundation of China(51378193)；長(zhǎng)沙市墻改課題(2010-11-060，2011-12-042)

黃 靚(1979-)，男，湖南株洲人，湖南大學(xué)副教授，博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:huangliangstudy@126.com

TU375.1

A