金屬拉結(jié)件在預(yù)制混凝土夾心保溫外墻板中的應(yīng)用

文/力維拓（中國(guó)）建筑科技有限公司 曹海山

0 引言

裝配式混凝土建筑在我國(guó)的應(yīng)用日漸廣泛，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及各地方標(biāo)準(zhǔn)中也有較系統(tǒng)和完整的技術(shù)要求。但在應(yīng)用過(guò)程中，仍出現(xiàn)各種共性的技術(shù)問(wèn)題。

在此背景下，三明治夾心墻板在超低能耗建筑中的應(yīng)用成為可能，這是目前應(yīng)用于裝配式+超低能耗外圍護(hù)構(gòu)件的重要選項(xiàng)。1969—1978年德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)的烏泰舍教授在德國(guó)多本權(quán)威期刊的多篇論文奠定了三明治夾心墻板設(shè)計(jì)和驗(yàn)算的理論依據(jù)。

預(yù)制混凝土夾心保溫外墻板由位于建筑外表面的外葉墻板、中間的保溫層和內(nèi)側(cè)的內(nèi)葉墻板組成，形成“三明治”結(jié)構(gòu)，俗稱三明治外墻板。其可用于裝配式建筑的承重或非承重外圍護(hù)墻，相較傳統(tǒng)的外保溫方式，其耐久、防火性能較好，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)保溫裝飾一體化。穿過(guò)保溫層將內(nèi)、外葉墻板連接在一起的配件稱為夾心保溫拉結(jié)件。拉結(jié)件用以連接外葉層混凝土與內(nèi)葉層混凝土，并將外葉層的荷載、作用等長(zhǎng)期傳遞至內(nèi)葉層及主結(jié)構(gòu)中，滿足建筑造型、節(jié)能保溫等需求。

在我國(guó)拉結(jié)件市場(chǎng)上，國(guó)外產(chǎn)品應(yīng)用較多，國(guó)內(nèi)以引進(jìn)和吸收國(guó)外技術(shù)為主，自主創(chuàng)新和深入研究不足。拉結(jié)件設(shè)計(jì)在深化設(shè)計(jì)階段普遍由廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)制作；產(chǎn)品廠家采用的設(shè)計(jì)方法不公開、不透明，設(shè)計(jì)時(shí)常采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，存在與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的銜接問(wèn)題。各類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和安全水準(zhǔn)不統(tǒng)一；拉結(jié)件性能要求及設(shè)計(jì)方法不完善。部分拉結(jié)件受力狀態(tài)與預(yù)期不符，存在安全隱患；拉結(jié)件安裝質(zhì)量控制不好，影響拉結(jié)件性能的發(fā)揮；缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各類產(chǎn)品開發(fā)缺乏依據(jù)，產(chǎn)品質(zhì)量不一。

若拉結(jié)件應(yīng)用不當(dāng)，夾心保溫外墻板的優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮，甚至變?yōu)榱觿?shì)；若外葉墻板有脫落可能，其危險(xiǎn)性遠(yuǎn)大于普通的外保溫系統(tǒng)脫落。對(duì)于夾心保溫墻板中的拉結(jié)件系統(tǒng)的深入研究及制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是重要工作。

1 拉結(jié)件分類

拉結(jié)件可從受力性能和材料2個(gè)角度進(jìn)行劃分。

1）受力性能 可分為完全組合式、非組合式和部分組合式。拉結(jié)件連接的強(qiáng)弱決定了夾心保溫外墻板的受力性能：當(dāng)連接較強(qiáng)時(shí)，內(nèi)、外葉墻板通過(guò)拉結(jié)件可完全協(xié)同受力，稱為“完全組合式”，此時(shí)墻板內(nèi)外葉共同受力，剛度和承載力大，但在溫差、混凝土收縮等作用下，內(nèi)、外葉墻板彼此約束，無(wú)法有效釋放應(yīng)力，導(dǎo)致墻板發(fā)生開裂或嚴(yán)重變形；當(dāng)連接較弱時(shí)，內(nèi)、外葉墻不協(xié)同受力或協(xié)同受力能力較弱，設(shè)計(jì)中一般認(rèn)為由內(nèi)葉墻板單獨(dú)承受所有內(nèi)力，外葉墻板的荷載通過(guò)拉結(jié)件及保溫層傳遞到內(nèi)葉墻板上，稱為“非組合式”，此時(shí)內(nèi)、外葉墻板可獨(dú)立變形；當(dāng)連接強(qiáng)度介于二者之間時(shí)，夾心保溫外墻板受力處于完全組合式和非組合式之間，稱為“部分組合式”，其計(jì)算復(fù)雜，難以準(zhǔn)確衡量其組合程度和受力性能，一般需通過(guò)試驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組合程度較高時(shí)，拉結(jié)件一般采用連續(xù)的桁架形式；組合程度較低時(shí)，一般采用點(diǎn)狀分布的金屬或FRP等非金屬拉結(jié)件。

2）材料 可分為金屬拉結(jié)件和非金屬拉結(jié)件，金屬拉結(jié)件主要采用不銹鋼材質(zhì)，非金屬拉結(jié)件主要采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）。不銹鋼拉結(jié)件的形式主要有筒式、板式、夾式、針式、桁架式，其中針式拉結(jié)件主要用于受拉，起限位作用，稱為限位拉結(jié)件，其余拉結(jié)件均可同時(shí)用于受拉和受剪，主要起支承作用，稱為支承拉結(jié)件。不銹鋼拉結(jié)件系統(tǒng)一般由豎向支承拉結(jié)件、水平支承拉結(jié)件和若干個(gè)限位拉結(jié)件組成，按支承拉結(jié)件不同，可分為筒式拉結(jié)件系統(tǒng)、板式拉結(jié)件系統(tǒng)、夾式拉結(jié)件系統(tǒng)、桁架式拉結(jié)件系統(tǒng)，其中對(duì)桁架式拉結(jié)件系統(tǒng)，可僅布置桁架式拉結(jié)件。不銹鋼拉結(jié)件的優(yōu)勢(shì)為安裝工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、安全性較高，但材料導(dǎo)熱系數(shù)較大，對(duì)夾心保溫外墻板的熱工性能存在不利影響。FRP拉結(jié)件包括桿式、板式，導(dǎo)熱系數(shù)小，產(chǎn)生的熱橋影響小，對(duì)夾心保溫外墻板的熱工性能影響小，當(dāng)保溫厚度較大時(shí)，采用桿式拉結(jié)件不經(jīng)濟(jì)，需同時(shí)采用板式拉結(jié)件；在保溫厚度較小時(shí)，桿件抗剪剛度較大，不利于外葉墻板在溫度、收縮作用下的自由變形，此外其錨固性能受安裝工藝及質(zhì)量影響較大。

拉結(jié)件的受力與夾心保溫外墻板所處階段和工況有關(guān)，包括生產(chǎn)運(yùn)輸、施工安裝和使用階段，需考慮自重、風(fēng)荷載、溫度、地震、混凝土收縮作用等。單個(gè)拉結(jié)件的受力狀態(tài)包括受拉、受剪、受壓、拉剪復(fù)合、壓剪復(fù)合等。夾心保溫外墻板中一般布置多個(gè)拉結(jié)件，形成拉結(jié)件系統(tǒng)，以抵抗上述作用，滿足受力要求。

由于非組合式夾心保溫外墻板可有效釋放溫度應(yīng)力，且受力明確、便于設(shè)計(jì)，因此我國(guó)目前裝配式建筑中基本采用非組合式夾心保溫外墻板。在非組合式夾心外墻板中，不銹鋼拉結(jié)件便于安裝，價(jià)格合理，可靠性更高。經(jīng)多年實(shí)踐和市場(chǎng)選擇，板式拉結(jié)件系統(tǒng)是市場(chǎng)的主流形式。

2 拉結(jié)件布置

2.1 布置分類

承重拉結(jié)件一般對(duì)稱布置，豎向承重拉結(jié)件承受豎向荷載，包括外葉板、裝飾面和保溫板的重量；水平承重拉結(jié)件承受平面內(nèi)地震荷載、運(yùn)輸安裝、風(fēng)荷載和平面內(nèi)溫度應(yīng)力。

限位拉結(jié)件一般在外葉板內(nèi)均勻布置，相隔間距為200～1200mm，實(shí)際間距應(yīng)以計(jì)算為準(zhǔn)，限位拉結(jié)件承受平面外地震荷載、風(fēng)荷載和平面外溫度應(yīng)力（見圖1）。

圖1 拉結(jié)件布置

2.2 受力模式

拉結(jié)件的計(jì)算一般基于有限元原理，需考慮荷載外葉板、裝飾面、風(fēng)荷載和模具黏結(jié)力，工況方面包括持久設(shè)計(jì)狀況、地震設(shè)計(jì)狀況、脫模驗(yàn)算和運(yùn)輸安裝。此外還需注意溫度應(yīng)力和混凝土干燥過(guò)程中引起的收縮徐變及外葉板的平面膨脹和翹曲。

預(yù)制構(gòu)件必須驗(yàn)算短暫設(shè)計(jì)狀況下的承載力，原因是：在制作和施工過(guò)程中的荷載、受力狀態(tài)和計(jì)算模式經(jīng)常與使用階段不一致；預(yù)制構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度在此階段尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。預(yù)制構(gòu)件在翻轉(zhuǎn)、運(yùn)輸、吊運(yùn)、安裝等短暫設(shè)計(jì)工況下的施工驗(yàn)算應(yīng)乘以相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)；預(yù)制構(gòu)件在脫模驗(yàn)算時(shí)，自重乘以動(dòng)力系數(shù)后還應(yīng)加上脫模吸附力，脫模吸附力應(yīng)根據(jù)構(gòu)件和模具的實(shí)際狀況取用。脫模時(shí)應(yīng)保證混凝土立方體抗壓強(qiáng)度不小于15N/mm2。減小脫模吸附力的方法：對(duì)于帶槽、帶肋等有側(cè)模的構(gòu)件，其側(cè)模宜在脫模前拆除；當(dāng)薄板可采用翻轉(zhuǎn)脫?；驓鈮悍ā㈩A(yù)頂法、振動(dòng)法等方式時(shí)，模板和構(gòu)件表面松脫后再脫模；模具應(yīng)清理干凈，不應(yīng)具有銹或混凝土垢等雜物；選用質(zhì)量好的脫模劑；起吊速度應(yīng)均勻且不宜過(guò)大；合理設(shè)置吊點(diǎn)。

夾心板構(gòu)件常出現(xiàn)翹曲，尤其是長(zhǎng)度超過(guò)6m的大夾心板更易受變形的影響。收縮在混凝土干燥過(guò)程中產(chǎn)生，這種干燥從外向內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致夾心板構(gòu)件的內(nèi)層和外層在不同方向上翹曲。表面干燥越快，內(nèi)部干燥越慢，翹曲越明顯。為防止混凝土干燥過(guò)快，應(yīng)保持一定的濕度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并使用吸水能力較低的保溫層。采用混凝土技術(shù)（外加劑等）可降低混凝土的收縮并將產(chǎn)生的不利影響降至最小。

隨著溫度的快速升高，相對(duì)于靠近保溫層的未暴露面，飾面層的外表面變形更大。冬季直射陽(yáng)光可能導(dǎo)致翹曲。夏季突發(fā)性雷雨使表面突然冷卻，會(huì)導(dǎo)致飾面層收縮?？赏ㄟ^(guò)采用淺色飾面層和減小飾面層的厚度降低此影響。

3 應(yīng)用介紹

拉結(jié)件在預(yù)制夾心墻板中的布置流程（反打法）。

1）在外葉鋼筋網(wǎng)上定位并放置對(duì)應(yīng)型號(hào)的片狀拉結(jié)件。

2）安裝附加鋼筋，并按照?qǐng)D紙確定針狀拉結(jié)件位置，進(jìn)行安裝固定。

3）外葉混凝土板澆筑前，核對(duì)圖紙檢查拉結(jié)件型號(hào)、數(shù)量、方向、埋深等。

4）在外葉混凝土初凝前安裝保溫板，安裝完成后將傾斜拉結(jié)件扶正，保證垂直度要求。

5）布設(shè)內(nèi)葉鋼筋網(wǎng)片，安裝附加鋼筋。

6）內(nèi)葉混凝土澆筑前核對(duì)圖紙，再次檢查拉結(jié)件型號(hào)、數(shù)量、方向、埋深等。

實(shí)際應(yīng)用中還存在正打法和立模制作等制作方式，情況較復(fù)雜，如出現(xiàn)異形板、PCF懸挑板、飄窗等情況。而拉結(jié)件的布置也受限于內(nèi)葉鋼筋位置、窗邊墻尺寸和減重塊等。在此總結(jié)以下原則。

1）異形板存在懸挑，綜合考慮保溫厚度、懸挑長(zhǎng)度、高度、利用率等，確定是否增加承重拉結(jié)件。

2）當(dāng)存在對(duì)稱的PCF懸挑板，且寬度在650mm以內(nèi)時(shí)，可僅放豎向承重拉結(jié)件。

3）盡量避開減重塊。

4）外葉帶懸挑飄窗，懸挑突出部分四周均需增加承重拉結(jié)件。

在拉結(jié)件布置過(guò)程中還需注意：保溫板在鋪到混凝土上后不得被劃破；拉結(jié)件穿過(guò)隔熱板垂直插入底層混凝土層，直至層底，最大允許向后拉回；拉結(jié)件插入混凝土應(yīng)為初凝狀態(tài)，以確?；炷量梢院芎玫匕潭ㄗ″^固件；錨固件在底層混凝土中的長(zhǎng)度至少達(dá)55mm；拉結(jié)件必須探出隔熱層至少50mm；無(wú)論是澆筑或壓實(shí)混凝土，底層混凝土層中的錨固件均不得發(fā)生位移；脫模時(shí)預(yù)制廠應(yīng)采取措施減小脫膜吸附力。鋼筋混凝土墻板的運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和安裝應(yīng)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)夾心保溫拉結(jié)件技術(shù)，后續(xù)仍存在有待深入研究的問(wèn)題，需全行業(yè)共同解決。從設(shè)計(jì)角度看，應(yīng)注意夾心保溫墻板及拉結(jié)件系統(tǒng)在墻板受溫度作用及混凝土收縮作用時(shí)的受力變形肌理；從施工角度看，預(yù)制工廠的工人技術(shù)能力和施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于PCF墻板的安裝精度有待提高，管理模式有待健全；拉結(jié)件需統(tǒng)一設(shè)計(jì)及進(jìn)行性能檢測(cè)要求，從而為行業(yè)提供安全合理、經(jīng)濟(jì)適用的拉結(jié)件產(chǎn)品，促進(jìn)裝配式建筑的健康發(fā)展。