玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料-鋼復(fù)合筋混凝土夾芯墻板抗彎性能

吳超強(qiáng),王 俊,李 帥,晉 強(qiáng)

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211800;2.昆山城市建設(shè)投資發(fā)展集團(tuán)有限公司,江蘇 昆山 215300;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000)

現(xiàn)階段建筑業(yè)存在著能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。針對(duì)這些問題,我國(guó)近幾年提出了建筑節(jié)能的要求,其中墻體節(jié)能是實(shí)現(xiàn)綠色建筑的關(guān)鍵,具有良好的發(fā)展前景。目前,工程中常用的保溫墻體包括內(nèi)保溫、外保溫及夾芯保溫墻體3種。

預(yù)制混凝土夾芯保溫墻體是通過(guò)連接件將兩側(cè)的預(yù)制混凝土葉板、中間的保溫層連接在一起所組成的復(fù)合墻體,這種墻體不僅具有承重、圍護(hù)和保溫功能,還能有效避免外部環(huán)境和內(nèi)部裝修的影響,實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)同壽命[1-5]。目前,國(guó)內(nèi)外常用的連接件主要有普通鋼筋、不銹鋼和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)。其中,FRP連接件具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、高熱阻等優(yōu)點(diǎn),可以有效避免熱橋效應(yīng),提高保溫效果,是目前應(yīng)用最為廣泛的一種連接件[6-17]。

Woltman等[18]通過(guò)連接件的直徑和布置間隔來(lái)研究不同形式玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)連接件的抗剪性能,結(jié)果表明:GFRP連接件的抗剪強(qiáng)度可達(dá)到 60～120 MPa,遠(yuǎn)高于普通塑料連接件,且連接件的尺寸、橫截面及布置間隔對(duì)抗剪承載力有較大影響。Choi等[19]研究了網(wǎng)格型GFRP連接的預(yù)制混凝土夾芯板,得出其面內(nèi)剪切行為受混凝土和保溫層之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響,且隨著保溫層厚度增加,剪切性能下降。Gregory等[20]對(duì)GFRP連接的混凝土夾芯板的熱工性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:與鋼筋相比,GFRP連接件可以更好地避免熱橋效應(yīng),且保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)是影響熱阻的最重要參數(shù),而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)墻板熱阻沒有顯著影響。Kim等[21]對(duì)網(wǎng)格型GFRP連接的新型增強(qiáng)混凝土夾芯墻板進(jìn)行四點(diǎn)彎試驗(yàn),結(jié)果表明:采用網(wǎng)格型GFRP連接件的墻板具有更好的抗彎強(qiáng)度,且保溫層采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)與采用擠塑聚苯板(XPS)的墻板相比，具有更好的抗彎性能。

本文深入探討了豎向荷載作用下GFRP-鋼復(fù)合桁架筋、GFRP-鋼復(fù)合豎筋與GFRP豎筋混凝土夾芯墻板在抗彎性能上的表現(xiàn),分析了連接件結(jié)構(gòu)形式、連接件布置、網(wǎng)格筋規(guī)格等因素對(duì)墻板抗彎性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)JG/T 169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)出8塊不同連接情況的標(biāo)準(zhǔn)板,尺寸為2 100 mm×600 mm×180 mm,每塊板的中間保溫層以及上下層鋼筋混凝土板厚度均為60 mm,內(nèi)部連接件的保護(hù)層厚度為15 mm,面層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C10,并設(shè)置間距110 mm的雙向分布鋼筋。連接件主要分為桁架式和豎直式兩種,桁架式連接件由GFRP包裹直徑為6 mm的HPB235型桁架鋼筋制成,包裹層數(shù)為2和6層;豎直式連接件分別采取GFRP-鋼復(fù)合筋和GFRP筋兩種材料,GFRP-鋼復(fù)合筋連接件由GFRP包裹直徑為16 mm的HRB400型豎向鋼筋制成,包裹層數(shù)為0和2層,GFRP筋連接件采用南京鋒暉復(fù)合材料有限公司提供的B70-16型、直徑16 mm的材料,連接件按3種形式布置。試件構(gòu)造見圖1,試件參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

試驗(yàn)裝置主要包括反力架、千斤頂、分配梁、荷載傳感器、位移計(jì)以及TST3826F型動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)等,采用反力架作為反力支撐,進(jìn)行集中加載,試件兩端簡(jiǎn)支,凈跨度1 920 mm,加載點(diǎn)間距640 mm,支座兩端各留出90 mm,加載點(diǎn)與支座處均墊寬100 mm、高10 mm的鋼板,以防止發(fā)生局部壓壞,在兩個(gè)加載點(diǎn)上設(shè)置分配梁。試驗(yàn)采用千斤頂直接加載,在放置分配梁之前,采集一次初始數(shù)據(jù),然后放置分配梁,在分配梁中間上部放置千斤頂,此時(shí)采集一級(jí)荷載的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)加載過(guò)程中，為了測(cè)量墻板的整體撓度和變形,分別在板底跨中、兩端支座處各放置1個(gè)位移計(jì)。荷載按每級(jí)1 kN施加,每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間為10 min,同時(shí)采用動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》判定加載是否停止。

圖1 夾芯墻板(mm)Fig.1 Sandwich wall panels(mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件T-S2-Ⅰ、T-S6-Ⅰ雖然GFRP包裹連接件層數(shù)不同,但均采用現(xiàn)澆泡沫混凝土芯材以及GFRP-桁架鋼筋連接件。加載初期，變形和撓度都較??；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的56%時(shí),板側(cè)加載點(diǎn)附近出現(xiàn)斜裂縫,隨著荷載的增加,整板出現(xiàn)彎曲變形,跨中位移較為明顯;當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí),芯材與混凝土板發(fā)生分離，繼續(xù)加載,試件發(fā)出斷續(xù)的混凝土開裂聲,撓度上升明顯,桁架筋連接件墻板的板間相對(duì)滑移最大達(dá)到8 mm,最終發(fā)生混凝土材料破壞。

對(duì)于夾芯墻板,其彎曲破壞分為3個(gè)階段:①開裂前為彈性階段,此時(shí)試件荷載較小,在小范圍內(nèi)產(chǎn)生彈性變形,變形是可恢復(fù)的,當(dāng)集中力達(dá)到某一開裂荷載時(shí),由于受拉區(qū)混凝土有一定的塑性變形，試件的抗彎剛度有所折減;②開裂后為彈塑性階段,剛開始位移隨荷載的增大仍基本呈線性關(guān)系,隨著荷載的增大,試件的抗彎剛度隨彎矩的增大而不斷降低，繼續(xù)加載后各測(cè)點(diǎn)位移增大的幅度相比荷載增大的幅度更大,原因?yàn)樵嚰惺艿牧Τ^(guò)了其彈性承載力,到達(dá)極限荷載后,試件發(fā)生明顯的彎曲變形;③之后為塑性階段,此階段荷載不斷下降而撓度上升明顯,豎向連接件墻板的板間相對(duì)滑移最大達(dá)到30 mm,直至混凝土發(fā)生材料破壞,試驗(yàn)加載結(jié)束。

2.2 荷載-位移曲線與極限承載力

圖2為根據(jù)四點(diǎn)彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得各構(gòu)件的荷載-位移曲線,表2為各試件的極限承載力以及撓度。由圖2和表2可知：連接件形式、連接件材料、連接件間距、GFRP包裹連接件層數(shù)以及網(wǎng)格筋規(guī)格均會(huì)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。

圖2 不同構(gòu)件的荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different components

表2 不同構(gòu)件極限承載力和撓度

2.2.1 連接件形式

試件T-S2-Ⅰ 極限承載力較試件V-S2-Ⅰ 上升了37.5%,這是因?yàn)椴捎描旒苁竭B接件能夠更緊密地連接上下面板,提高墻板的整體性,因此具備更高的承載能力。由圖2還可知:桁架連接件形式的夾芯墻板在第2階段保持的時(shí)間更長(zhǎng),這是因?yàn)殍旒芙钣蒅FRP包裹鋼筋制成,與GFRP筋相比,材料本身具備良好的延性,而GFRP筋多表現(xiàn)為脆性破壞,破壞時(shí)將很快由第2階段向第3階段發(fā)展。

2.2.2 連接件材料

試件V-S2-Ⅰ極限承載力較試件V-F25-Ⅰ下降了4.0%;試件V-S0-Ⅰ極限承載力較試件V-F25-Ⅰ下降了8.0%,這是因?yàn)镚FRP筋連接件具備更高的抗壓強(qiáng)度,因此極限承載力要高于GFRP-鋼筋連接件以及鋼筋連接件墻板。

2.2.3 連接件間距

V-F43-Ⅰ和V-F32-Ⅱ均較V-F25-Ⅰ和V-F25-Ⅱ極限承載力提高明顯,這是因?yàn)榭s小連接件間距能使連接件更易集中受力,對(duì)混凝土構(gòu)件剛度的貢獻(xiàn)也就越大,因此極限承載力提升顯著,極限承載力分別增大104%和37%。

2.2.4 GFRP包裹連接件層數(shù)

T-S6-Ⅰ和V-S2-Ⅰ分別較T-S2-Ⅰ和V-S0-Ⅰ極限承載力提升了9.1%和4.4%,這是因?yàn)镚FRP包裹連接件使連接件的物理與力學(xué)性能都得到了改善,從而提高了構(gòu)件的極限承載力。

2.2.5 網(wǎng)格筋規(guī)格

V-F25-Ⅱ的極限承載力較V-F25-Ⅰ得到了提高,說(shuō)明網(wǎng)格筋規(guī)格的改變會(huì)影響構(gòu)件的物理與力學(xué)性能。

3 結(jié)論

本文通過(guò)混凝土夾芯墻板的四點(diǎn)彎試驗(yàn),研究了連接件形式、連接件材料、連接件間距、GFRP包裹連接件層數(shù)以及網(wǎng)格筋規(guī)格對(duì)混凝土夾芯墻板抗彎性能的影響。

1)彎曲荷載作用下,3種連接件形式的夾芯墻板破壞均出現(xiàn)3個(gè)階段,即開裂前彈性階段、開裂后彈塑性階段、塑性階段。桁架連接件在第2階段保持時(shí)間更長(zhǎng),表明具備良好的延性,因此桁架連接件更利于保持構(gòu)件的整體性,減少因滑移現(xiàn)象產(chǎn)生的抗彎剛度折減,可廣泛應(yīng)用于新型建筑保溫墻板領(lǐng)域。

2)連接件間距縮短幅度越大,單位長(zhǎng)度內(nèi)連接件的數(shù)量越多,構(gòu)件的極限承載力提升幅度也越大。

3)GFRP-鋼復(fù)合豎筋連接件中, GFRP包裹連接件層數(shù)為2層的構(gòu)件極限承載力與0層的構(gòu)件相比基本沒有變化。在直徑相同的情況下,GFRP豎筋連接件墻板比鋼筋豎向連接件極限承載力略有提高,因此復(fù)合材料筋可替代鋼筋豎向連接件用于混凝土夾芯墻板。