AL網(wǎng)架板裝配式墻體中V形連接件力學性能試驗研究

梁永朵 易露軍 付素娟 張學勇 孫治國

摘? 要：為了解一種新型的AL網(wǎng)架板裝配式墻體中V形鋼筋桁架連接件的力學性能，對其在夾心保溫墻體構件中的拉拔和剪切性能進行了試驗研究。試驗結果表明：1）V形鋼筋桁架連接件在內葉板的錨固深度分別為25 mm、35 mm時，后者的峰值荷載較于前者增加了33.5%，對應位移減少了10.1%。2）保溫板厚度增加，其峰值荷載降低顯著，保溫板厚度100 mm的峰值荷載比80 mm的降低了12.1%，對應位移增加了1.2%;豎向加載比橫向加載試件峰值荷載增加明顯，增量為43.1%，但完全破壞時荷載接近，對應位移減少了4.8%。剪切試驗結果表明，保溫板對試驗結果的影響較明顯。

關鍵詞：夾心保溫墻體;裝配式墻體;V形鋼筋桁架連接件;AL網(wǎng)架板;拉拔試驗;剪切試驗

中圖分類號：TU528.585.2? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.005

0? ? 引言

隨著國家大力發(fā)展裝配式混凝土建筑綠色、節(jié)能、環(huán)保的理念也愈發(fā)深入人心，應運而生的裝配式墻體受到業(yè)界越來越多的關注。裝配式墻體是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要舉措之一。而裝配式墻體中的連接件是連接夾心保溫墻體內外葉混凝土板和保溫板的關鍵部件，同時是抵抗自重荷載下層間剪切力和風荷載下拉壓力的關鍵部件[1-8]。因此，夾心保溫墻體的研究引起了國內有關專家學者的關注。楊佳林等[1，5-8]對預制夾芯保溫墻體中FRP（fiber reinforced polymer/plastic，F(xiàn)RP）連接件、桁架式不銹鋼連接件、棒狀不銹鋼連接件、鉤形鋼芯復合連接件、GFRP（glass fiber reinforced plastic ，GFRP）連接件進行了拔出試驗和抗剪試驗;尹展[9]對預制混凝土夾心保溫墻內外葉墻體連接性能的受拉、剪切和拉剪試驗進行研究;韓鵬濤等[10-13]就連接件對混凝土夾芯保溫外掛墻板結構性能的影響進行研究;叢茂林等[14]對預制夾心保溫墻體中拉結件設計要求及設計方法進行了研究;樊均等[15]進行了預制混凝土夾芯保溫墻體的熱工耐久性研究。但目前對V形鋼筋桁架連接件的研究未見有相關文獻報道，因此，對V形鋼筋桁架連接件的力學性能進行試驗研究很有必要。為了解新型的AL網(wǎng)架板裝配式墻體中V形鋼筋桁架連接件的力學性能，本文進行了相應的拉拔試驗和剪切試驗研究。

1? ? 拉拔試驗

1.1? ?試件設計

為了對比研究，設計制作2組試件，每組3塊，共計6塊。每塊尺寸均為250 mm×250 mm×340 mm，其中外葉板和內葉板厚度相同，均為170 mm，保溫板厚度為100 mm，內葉板配置3層C10的鋼筋網(wǎng)片，外頁板配置雙層C10的鋼筋網(wǎng)片，V形鋼筋桁架連接件（以下簡稱為連接件）的開口段與外頁板內第3層A3的鋼絲網(wǎng)片焊接連接，網(wǎng)片間距為? ?50 mm。每塊試件使用一個連接件，單個連接件包含2個相同的V形結構，采用直徑為4 mm的鍍鋅鋼絲彎制成45°角，其直徑為3 mm，間距為? ? ? 100 mm，通過上弦桿和腹桿連接。混凝土中預埋鋼拉桿以施加拉力，拉桿直徑為16 mm，預埋深度為90 mm，拉桿與混凝土采用加固連接的方式，加強錨固力，防止發(fā)生錨固破壞。2組（PO25組、PO35組）試件的變量設置為連接件在內葉板的錨固深度，分別為25 mm 、35 mm，試件編號為? PO25-1、PO25-2、PO25-3、PO35-1、PO35-2、PO35-3。PO25組試件尺寸及具體構造如圖1所示。

試件采用C30自密實混凝土，經(jīng)現(xiàn)場試驗測定該自密實混凝土的立方體抗壓強度為37.8 MPa，標準差為1.2 MPa。鍍鋅鋼絲的極限抗拉強度為514.4 MPa，標準差為9.2 MPa。為模擬連接件的最不利受力狀態(tài)，同時考慮到保溫層對連接件拉拔性能的影響很小，可以忽略，因此，試驗前將保溫層人為去掉。

1.2? ?加載和量測

該拉拔試驗在WAW-300B電液伺服萬能試驗機上進行。試件中預埋的拉桿對中垂直夾在萬能試驗機的夾具上，試驗加載速率為1 kN/min。設備自動采集荷載和位移并存入電腦，加載前的設備和試件狀態(tài)如圖2所示。

1.3? ?試驗結果與分析

試驗加載過程中，隨著荷載的不斷增加，位移變形量也隨之增加，大致呈線性關系，此時內葉板和外葉板混凝土均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂縫開展。隨著荷載繼續(xù)增加，荷載到達最大值，突然聽到“噔”的聲音，荷載迅速下降。值得注意的是：荷載陡降具有明顯的突然性，反應時間短，沒有明顯的先兆。此時停止加載，觀察試件，發(fā)現(xiàn)混凝土表面無明顯破壞，連接件和外葉板連接處有明顯滑移，該處混凝土有明顯松動。此時分析“噔”的聲音可能來自于連接件和A3鋼筋網(wǎng)的脫焊聲，也有可能是外葉板內連接件斷裂的聲音。

繼續(xù)加載，荷載增長趨勢較之前變緩，位移增長明顯，因為此時連接件和外葉板的錨固力由之前的A3鋼筋網(wǎng)和V形結構共同提供，變?yōu)閮H由V形結構提供，此階段能明顯看到連接件開口段被慢慢拔出。然后荷載迅速下降，連接件錨固失效，終止試驗。取下連接件，并觀察整個試件，發(fā)現(xiàn)連接件破壞形式均為開口段斷裂破壞，證實了之前的分析，同時開口段和外葉板連接處混凝土被拉潰。重點檢查了連接件和內葉板的錨固，無明顯松動和破壞。試件的典型破壞狀態(tài)如圖3所示。

拉拔試驗中2組試件的荷載-位移曲線如圖4所示。試件的加載全過程可分為2個階段，第1階段為正常工作階段，對應2組試件曲線前半段荷載和位移呈線性關系，連接件處于類彈性階段，試件正常工作。第2階段為破壞階段，2組試件達到最大承載力后，均出現(xiàn)明顯“噔”的聲音，曲線出現(xiàn)陡降，驗證了1.3的分析。然后，試件再次平衡后重新工作，此時曲線變得平穩(wěn)，但較峰值下降明顯，主要原因是連接件和外葉板鋼絲網(wǎng)的焊接被破壞。隨后連接件和外葉板混凝土的機械咬合力被逐漸破壞，連接件從外葉板內被慢慢拔出，承載力曲線再次陡降，試驗終止。

值得注意的是圖4（a）中的PO25-1曲線最前段荷載增加隨位移增加較慢，主要原因是試件在加載前未完全平衡，并且圖4（a）中PO25-1和圖4（b）中的PO35-3曲線在第2階段終止試驗前出現(xiàn)了2次曲線陡降，原因主要是這2塊試件連接件2支脫焊并非同時發(fā)生，試件加載過程中可能出現(xiàn)了偏心，一次曲線陡降對應連接件的1支脫焊。

2組試件的抗拔承載力和位移等數(shù)據(jù)如表1所示，連接件在內葉板的錨固深度增加對試件的抗拔承載力提升較明顯，同時位移也有一定降低，主要原因是1.3的連接件和混凝土的相對滑移變小了。隨著連接件在內葉板錨固深度的增加，其對應的峰值荷載明顯增加，35 mm比25 mm增加了33.5%，而位移呈下降趨勢，35 mm比25 mm下降了10.1%。但是PO35組的位移標準差較大，主要原因是PO35-2和PO35-3試件存在制作誤差，導致錨固深度略有不足，且連接件也稍有偏心，還有待后續(xù)進一步研究。

試件的承載力主要來自于連接件在內葉板和外葉板混凝土的錨固力，以及連接件開口段與外葉板內鋼筋網(wǎng)架焊接后所提供的抗拔力，所以連接件在內葉板錨固深度的增加使得PO35組試件的峰值承載力增加明顯。

試件的位移則主要來自于以下4點：1）是連接件在荷載作用下的彈性變形;2）是錨固在內外葉板混凝土內的連接件和混凝土的相對滑移;3）是預埋的拉桿與內葉板、外葉板混凝土之間的相對滑移;4）是拉桿和萬能試驗機夾具之間的相對滑移。所以連接件在內葉板內錨固深度增加，在增加其錨固力的同時，使得第2點所產(chǎn)生的位移有所減少，最終試驗總位移得到了改善。

夾心保溫墻板屬于外圍護結構，根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012 ）[16]及《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范》（JGJ 133—2013）[17]規(guī)定：高度30 m及以下的建筑物，連接件排布為橫向間距 100 mm，縱向間距500 mm，連接件與內葉板鋼筋綁扎連接，夾心保溫墻體按照石家莊市較不利環(huán)境下最不利荷載取值估算，計算得到實際工程應用中連接件的拉拔承載力設計值為1.48 kN，將試驗結果和設計值對比，結果如表2所示。

由表2可知，連接件的抗拔承載力滿足設計需求，安全系數(shù)均在8.0以上，具有很高的安全儲備，能保證結構安全。

2? ? 剪切試驗

2.1? ?試件設計

剪切試驗中設計制作了4塊試件，試件部分信息如表3所示。4塊試件均按照實際工程中的墻體參數(shù)以及《鋼筋桁架混凝土復合保溫系統(tǒng)應用技術規(guī)程》（DB13（J）/T 265—2018）[18]和《鋼筋桁架混凝土復合保溫系統(tǒng)建筑構造》（DBJT 02—150—2018）[19]來設計，取實際墻體的一個單元，每塊試件設置? ?4個V形鋼筋桁架連接件（以下簡稱為連接件），連接件夾角均為45°，在內外葉板的錨固深度均為30 mm，保溫層厚度的改變使得試件尺寸稍有差異。針對連接件的不同受力模型，設置了2種不同的加載方向，豎向加載時連接件受力模型類似于拉壓桿模型，橫向加載時連接件的受力模型類似于懸臂受彎模型。為了對比分析保溫板在橫向加載時對連接件位移的限制作用，且方便觀察連接件的變形情況，設置了一塊橫向加載并且去除保溫板的試件?；炷列阅?、配筋直徑連接件原材等均與拉拔試件相同，以保溫層厚度為80 mm的試件為例，其尺寸及構造如圖5所示。

實際工程和試驗時，保溫板厚度均需要根據(jù)不同的地區(qū)和建筑節(jié)能要求計算得到，EPS作為保溫板材料時，要求建筑節(jié)能率達到65%，根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》（GB 50176—2016）[20]計算保溫板厚度，公式如下：

[R0=Ri+ΣR+ReK0=1R0] ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[R0]——外掛墻板的傳熱阻（m2·K/W），[Ri]——內葉墻表面換熱阻，取0.11 m2·K/W;[ΣR]——外掛墻板各層材料的熱阻（m2·K/W），[Re]——外葉板表面換熱阻（m2·K/W），取0.04 m2·K/W;[K0]——外掛墻板的傳熱系數(shù)（W/（m2·K）），本文試驗取值為0.6 （W/（m2·K））。

式（1）中除了[ΣR]和各層材料的厚度外，其余均可查表得到。

[ΣR=2δ1λ1+δ2λ2] ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[δ1]——外葉板墻板厚度（mm），本文試驗取值為60 mm;[λ1]——混凝土導熱系數(shù)，取1.28 W/（m·K）;[δ2]——EPS板厚度（mm），[λ2]——EPS導熱系數(shù)，取0.033 W/（m·K）。

最后聯(lián)合式（1）和式（2），經(jīng)查表計算，在試驗所在地區(qū)外葉板厚度取值60 mm時，EPS保溫板厚度最小值為80 mm，才能滿足節(jié)能保溫的要求，同時該值也是試驗所在地區(qū)規(guī)范對于保溫板厚度的最低要求。

2.2? ?加載和量測

剪切試驗在WDT-W-100E1微控型電子萬能試驗機上進行，設備自動采集荷載和位移存入電腦，加載前的設備和試件狀態(tài)如圖6所示。

試驗采用位移控制加載，加載速度為2 mm/min，正式加載前先對試件進行預加載，并保持1 min觀察試件，然后數(shù)據(jù)清零后重新加載至豎向位移達到15 mm時，終止試驗。

2.3? ?試驗結果與分析

1）試驗現(xiàn)象

試驗加載過程中，隨著荷載逐漸增大，荷載和位移均成線性關系，荷載增長迅速，位移增加不明顯，此時試件無肉眼可見變化，混凝土無裂縫開展，試件正常工作，此階段為正常工作階段。

繼續(xù)加載，ST80和ST100試件均出現(xiàn)荷載下降，伴隨著吱吱聲，此時保溫板開始被壓縮變形，混凝土外葉板開始出現(xiàn)裂縫，裂縫快速開展，貫穿整個外葉板。裂縫產(chǎn)生的主要原因是內葉板位移帶動了連接件的受力變大，連接件拉扯外葉板混凝土，使外葉板混凝土和連接件連接處應力集中，外葉板混凝土上端出現(xiàn)類似被整塊掰斷的裂縫。STH80試件荷載僅出現(xiàn)短暫的下降，原因是保溫板和混凝土黏結被破壞造成的，此時試件也出現(xiàn)了保溫板被擠壓的吱吱聲。橫向加載試件的連接件因為類似于受彎變形，且有保溫板的限制，變形較豎向加載不明顯，且主要變形會出現(xiàn)在連接件的跨中部分，所以連接件和外葉板混凝土連接處不會出現(xiàn)明顯的應力集中，混凝土則無肉眼可見裂縫產(chǎn)生。此階段為界限階段。NSTH80試件因為沒有保溫板的緣故，未出現(xiàn)上述現(xiàn)象，主要是該試件的承載力過低，但連接件開始出現(xiàn)壓彎，荷載增長變得較之前緩慢。

位移繼續(xù)增加，ST80試件荷載基本穩(wěn)定在峰值荷載的80%，ST100的荷載則繼續(xù)緩慢下降，然后穩(wěn)定在峰值荷載的60%，后者的保溫板比前者開裂更嚴重，因為100 mm的保溫板有貼應變片時形成的拼接縫，這也是ST100試件荷載在此階段下降速率遠大于ST80試件的主要原因，隨試件位移的持續(xù)增加，連接件對外葉板混凝土的拉扯越發(fā)明顯，兩者的外葉板裂縫繼續(xù)開展，直至試驗結束裂縫寬度大約為3 mm，如圖7所示。STH80試件的荷載則繼續(xù)增加，但較第1階段變得緩慢，保溫板變形增大，保溫板形成明顯的剪切破壞，裂縫繼續(xù)開展。NSTH80試件與第2階段相同，但隨著連接件變形越來越大，連接件腹桿因為沒有保溫板的保護，焊點被破壞，開始脫落，此階段為破壞階段。

2）荷載-位移曲線

繪制4塊試件的荷載-位移曲線如圖8所示。由圖8（a）可知，豎向加載試件ST80、ST100的荷載-位移曲線大致可分為3個階段。第1階段為峰值荷載前的直線上升部分，連接件在材料的許用應力范圍內工作。第2階段則對應達到峰值后的曲線陡降部分，此時連接件突破了材料的變形限值，開始明顯變形，位移增加也較第1階段變快，同時試件的承載力也隨之下降。第3階段為余下曲線部分，此時連接件在荷載作用下持續(xù)變形，豎向加載試件ST80的承載力不再出現(xiàn)大幅變化，ST100試件承載力出現(xiàn)較大幅度降低，可能是試件制作時在連接件上粘貼應變片，破壞了連接件處保溫板的整體性。由圖8（b）可見，橫向加載試件STH80的加載同樣分為3個階段。第1階段與豎向加載試件相同。第2階段為達到峰值承載力后的小幅陡降段，主要原因是加載端保溫板和外葉板混凝土的黏結被慢慢破壞。第3階段為余下曲線部分，該階段試件的承載力隨位移開始緩慢增加，原因是橫向加載試件類似受彎模型，此時保溫板也被擠壓，保溫板對連接件受彎變形的限制尤為顯著，連接件不會出現(xiàn)類似豎向加載時的應力集中而刺破保溫板，所以導致了該階段的承載力增加。由圖8（c）可見，對于NSTH80試件，沒有保溫板限制變形，連接件突破了材料的變形限值后，試件位移明顯增加，承載力增加也變得緩慢。

3）承載力分析

將4塊剪切試件的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可看出，隨著保溫板厚度的增加，其對應的峰值荷載明顯減少，ST100試件比ST80試件減少了12.1%，對應位移增加不明顯，僅為1.2%。對比ST80試件和STH80試件，發(fā)現(xiàn)豎向加載時試件峰值荷載明顯增加，增量為43.1%，但完全破壞時荷載接近，對應位移減少了4.8%。最后對比STH80試件和NSTH80試件，發(fā)現(xiàn)橫向加載時，有無保溫板對試驗結果影響非常大。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[16]及《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范》（JG J133—2013）[17]，并按照石家莊市較不利環(huán)境下最不利荷載取值估算，實際工程應用中單個連接件的剪切荷載設計值為1.43 kN。將試驗結果和設計值對比，結果如表5所示，其中NSTH80荷載過小不滿足安全需要，不予比較。由表5可知，連接件的抗剪承載力滿足設計需求，安全系數(shù)均在5.0以上，具有很高的安全儲備，能保證結構安全。

3? ? 結論

1）V形鋼筋桁架連接件的抗拔、抗剪承載力均能滿足國內規(guī)范要求，具有較高的安全儲備，能夠滿足結構的安全性能要求。

2）拉拔試驗表明，V形鋼筋桁架連接件在內葉板錨固深度增加，對試件的承載力和位移都有一定改善。

3）剪切試驗表明，保溫板厚度增加，試件的峰值荷載變小，對應位移略有增加;相同的保溫層厚度，豎向加載的峰值荷載和對應位移均優(yōu)于橫向加載;同時在剪切試驗時，去除保溫板對試驗結果的影響不能忽略。

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Mechanical properties of V-shaped connector in AL mesh frame plate prefabricated wall

LIANG Yongduo1， YI Lujun1， FU Sujuan2，3， ZHANG Xueyong4， SUN Zhiguo5

（1. School of Civil Engineering and Architecture， East China University of China， Nanchang 330013， China;

2. Hebei Institute of Building Science， Shijiazhuang 050000， China; 3. Hebei Prefabricated Housing Engineering Research Center， Shijiazhuang 050000， China; 4. ANNENG Green Building Science and Technology Co.，Ltd.， Lingshou 050500， China; 5. China Earthquake Administration Key Laboratory of Building Collapse Mechanism and Disaster Prevention， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： The pulling and shear properties of the V-shaped truss connector in sandwich insulation wall components are studied through experiments to understand its mechanical properties in AL mesh frame plate prefabricated wall.The results show that： 1） When the anchor depth of the V-shaped connector is 25 mm and 35 mm respectively， the peak load of the latter increases by 33.5% and the corresponding displacement decreases by 10.1% compared with that of the former. 2） The peak load is reduced significantly with the increase of insulation plate thickness. The peak load of insulation board thickness of 100 mm is reduced by 12.1% and the corresponding displacement increases by 1.2% compared with that of 80 mm.The peak load of vertical load is higher than that of transverse load， increasing by 43.1%， while the load is close when the specimen is completely destroyed， and the corresponding displacement is reduced by 4.8%. The results of the shear test show that the thermal insulation board has a significant impact on the test results.

Key words： sandwich thermal insulation wall; prefabricated wall; V-shaped truss connector; AL mesh frame plate; pull-out test; shear test

（責任編輯：羅小芬）