預(yù)制夾芯保溫墻體棒狀FRP 連接件力學(xué)性能試驗研究

郝雨杭，付素娟，匡田，郭佳偉

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050227；3.河北省綠色建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 石家莊 050227；4.河北省裝配式住宅工程研究中心（籌），河北 石家莊 050227；5.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

0 引言

在我國的居住建筑能耗中，采暖和空調(diào)所消耗的能源占到建筑總能耗的65%[1]。建筑保溫主要依靠于外圍護結(jié)構(gòu)，提高建筑外墻的保溫性能將成為減少建筑能耗的有效途徑之一[2]，超低能耗預(yù)制夾芯保溫墻體結(jié)構(gòu)是目前主流發(fā)展方向。夾芯保溫墻體依靠內(nèi)部連接件將內(nèi)外葉混凝土板連接起來形成整體，F(xiàn)RP 材料因其優(yōu)越的隔熱性能在預(yù)制夾芯保溫墻體中應(yīng)用廣泛[3]。FRP 材料導(dǎo)熱系數(shù)低至0.2～0.4 W/（m·K），能有效防止建筑內(nèi)部的熱量通過外墻體流失掉[4]。同時，連接件作為墻體結(jié)構(gòu)主要受力部件，要承受外葉墻的自重、外葉墻所受的風(fēng)荷載和地震作用等，需要保障內(nèi)外葉混凝土板整體穩(wěn)定性[5]。因此，研究預(yù)制夾芯保溫墻體內(nèi)部FRP 連接件的受力性能具有重要意義。本研究通過對不同連接件截面尺寸、不同混凝土強度的FRP 連接件試件進行抗拔和抗剪試驗，研究FRP 連接件的力學(xué)性能。

1 FRP 連接件力學(xué)性能試驗

1.1 連接件抗拔試驗

1.1.1 試件設(shè)計

參考JG/T 561—2019《預(yù)制保溫墻體用纖維增強塑料連接件》，設(shè)計FRP 連接件在單調(diào)荷載作用下的抗拔試驗。本次抗拔試驗中，根據(jù)連接件截面尺寸、混凝土強度共設(shè)計了27個試件，試件參數(shù)如表1 所示。

表1 螺旋形連接件抗拔試件參數(shù)

為了防止在試驗過程中混凝土過早發(fā)生劈裂破壞，在試件兩側(cè)混凝土塊內(nèi)布置雙層鋼筋網(wǎng)片，并預(yù)埋斜拉鋼筋與鋼拉桿，具體布置及鋼筋選用見圖1。本次力學(xué)性能試驗選用的棒狀FRP 連接件見圖2，制作現(xiàn)場如圖3。拉桿埋深75 mm，拉桿鋼筋與預(yù)埋筋的連接采用雙面焊的形式進行連接（60 mm），預(yù)埋筋一端的彎曲角度為135°。試件中布置1 個連接件，連接件兩端帶錨頭的部分直接澆筑到兩側(cè)混凝土中，錨固深度為40 mm。

FRP 連接件的基本力學(xué)性能由連接件廠家提供，具體數(shù)值如表2 所示。混凝土試塊的性能試驗在制作力學(xué)試驗試件的構(gòu)件廠實驗室完成，等級分別為C25、C30 及C35 的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度均達(dá)強度要求。

表2 FRP 連接件材料力學(xué)性能

1.1.2 試驗加載

抗拔試驗采用電液伺服萬能試驗機進行加載，混凝土之間的相對位移由試驗機測得并記錄，試驗過程中對試件施加連續(xù)均勻的拉拔力，試驗機加載設(shè)置為位移控制，加載速度為1 mm/min，當(dāng)達(dá)到極限承載力時試驗機自動停止加載。

1.2 連接件抗剪試驗

1.2.1 試件設(shè)計

本抗剪試驗參照J(rèn)G/T 561—2019 中對連接件抗剪試驗的要求，設(shè)計直徑分別為16、18、20 mm 的FRP16、FRP18、FRP20 各2 組共6 個抗剪試件，進行在單調(diào)作用荷載下的雙剪切試驗。

抗剪試件的設(shè)計如圖4 所示，由3 層混凝土板和2 層保溫層構(gòu)成，保溫層選用擠塑板，試件制作現(xiàn)場見圖5?；炷涟寰捎肅30 混凝土澆筑，內(nèi)葉混凝土板內(nèi)配制雙層鋼筋網(wǎng)，間距為200 mm；外葉混凝土板則配制單層鋼筋網(wǎng)，間距150 mm。為避免扭轉(zhuǎn)，每個試件采用8 個連接件，連接件間距400 mm，連接件采用螺旋型連接件。

1.2.2 試驗加載

本試驗的設(shè)備主要包括試驗機、1 個加載梁及2 個支座。在施加荷載過程中，為了保證抗剪試件內(nèi)葉混凝土板上表面均勻受力，同時避免由偏心豎向荷載導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)，試驗時應(yīng)將分配梁和內(nèi)葉混凝土板頂面兩端對齊。本試驗通過位移控制進行加載，加載速率為2 mm/min，當(dāng)抗剪構(gòu)件達(dá)到極限承載力時試驗機自動停止加載。

2 連接件力學(xué)性能分析

2.1 連接件抗拔性能分析

2.1.1 試驗現(xiàn)象

抗拔試件均因連接件端部混凝土發(fā)生破壞而失去承載力，去除保溫層材料可明顯觀察到混凝土與保溫層接觸的一面均已出現(xiàn)裂縫或發(fā)生劈裂破壞，裂縫從連接件錨固混凝土處向四周延伸，如圖6 所示。當(dāng)試件失去承載力時，連接件本身均未發(fā)生破壞，且連接件未從混凝土中拔出。

2.1.2 試驗數(shù)據(jù)分析（見表3）

表3 抗拔試件試驗數(shù)據(jù)

由表3 可知，在所有抗拔試件中最小極限承載力為21.38 kN，約為荷載設(shè)計值的12 倍，表明試件的極限承載力可以滿足荷載要求，具有較高的安全儲備；當(dāng)連接件直徑相同時，試件抗拔承載力隨混凝土強度的提高呈現(xiàn)增長的趨勢。試件FRP-R18C25 與試件FRP-R18C35 強度偏低，推測主要與構(gòu)件澆筑過程的操作有關(guān)；當(dāng)混凝土強度相同的情況下，試件承載力隨著連接件直徑的增加也表現(xiàn)出增長的趨勢，但是增長的幅度較小。對比試件FRP-R18C25 與試件FRP-R20C25，2個試件承載力相差不大，推斷當(dāng)混凝土達(dá)到一定強度時，連接件直徑對抗拔承載力影響較小。

（1）承載力分析

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和JGJ 133—2013《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》計算，墻體由風(fēng)荷載和水平地震荷載引起的抗拔荷載設(shè)計值為1.74 kN。JC/T 2504—2019《裝配式建筑預(yù)制混凝土夾心保溫墻板》中，對預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板內(nèi)、外葉墻板連接的承載力提出了要求，如表4 所示。

表4 FRP 拉結(jié)件的連接承載力要求

（2）位移分析

當(dāng)連接件直徑相同，混凝土強度增大時，雖然承載力也在相應(yīng)增加，但是2 塊混凝土之間的位移也在增大。因此，在對墻體FRP 連接件進行抗拔設(shè)計時，也應(yīng)該對位移進行驗算。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著連接件截面尺寸的增大，試件兩側(cè)混凝土相對位移可能增大也可能減小，試件混凝土的相對位移與連接件截面尺寸之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的關(guān)系。

2.2 連接件抗剪性能分析

2.2.1 試驗現(xiàn)象（見圖7）

由圖7 可知，抗剪試件在發(fā)生破壞時，連接件中間部位出現(xiàn)通長裂縫，破壞形式均為連接件發(fā)生層間剪切破壞，且內(nèi)、外葉混凝土板的相對位移較大。內(nèi)、外葉混凝土板整體保持良好，混凝土本身沒有明顯的破壞現(xiàn)象，只是在外葉混凝土板下側(cè)受壓部分出現(xiàn)輕微的破壞，連接件錨固處混凝土未發(fā)生破壞。

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

（1）承載力分析

根據(jù)GB 50009—2012 和JGJ 133—2013，考慮風(fēng)荷載及地震荷載最不利組合，連接件的抗剪荷載設(shè)計值為2.3 kN，試驗具體數(shù)據(jù)見表5。試件極限承載力與荷載設(shè)計值進行對比，直徑為16、18、20 mm 時試件的平均承載力分別為9.3、14.1、17 kN（剔除FRP20-2 異常數(shù)據(jù)），安全系數(shù)均大于4，表4 中雖無對應(yīng)保溫層厚度選項，但可見三類直徑的FRP 連接件抗剪承載力均高于規(guī)定中最高要求。

表5 抗剪試件試驗數(shù)據(jù)

（2）位移分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AC320《錨固于混凝土中的纖維加固復(fù)合連接器驗收標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，由豎向作用力引起的內(nèi)、外葉混凝土板相對滑移量不得超過2.54 mm，以保證墻體的接縫性能不受影響。各抗剪試件達(dá)到荷載設(shè)計值時，連接件直徑分別為16、18、20 mm 的內(nèi)、外墻體相對位移平均值分別為5.16、3.46、2.23 mm。僅當(dāng)連接件直徑為20 mm 時，可以滿足墻體的相對滑移限值。由各抗剪試件的試驗數(shù)據(jù)可知，連接件的抗剪強度較低，內(nèi)、外葉墻體產(chǎn)生的相對位移較大。

試驗機所記錄的荷載位移曲線如圖8 所示。

從圖8 可以看出：在抗剪試件的整個試驗過程中可分為3個受力階段：（1）彈性受力變形階段，整個試件所承受的施加力與內(nèi)、外葉混凝土板相對滑移基本呈現(xiàn)線性變化的關(guān)系；（2）非線性增長階段，隨著荷載的不斷施加，連接件嵌入到混凝土部分首先出現(xiàn)細(xì)小裂紋，試件相對變形不斷增大，連接件的中間部位開始出現(xiàn)裂縫，荷載增長幅度開始變小；（3）破壞階段，隨著試驗機不斷施加至抗剪構(gòu)件的最大荷載承受值，試驗機自動卸力，試件完全失去承載能力。

3 結(jié)論

（1）FRP 試件抗拔試驗中，破壞形式均為混凝土出現(xiàn)裂縫或劈裂，F(xiàn)RP 連接件均未拔出，抗拔試件的極限承載力均符合規(guī)范要求。經(jīng)對比，F(xiàn)RP 連接件預(yù)制夾芯墻體的抗拔性能主要受混凝土強度的影響。

（2）FRP 試件抗剪試驗中，試件抗剪性能較差，內(nèi)、外葉墻板易出現(xiàn)過大相對位移。當(dāng)試件的混凝土相對位移為規(guī)范限值2.54 mm 時，F(xiàn)RP 連接件直徑為16、18 mm 的試件承載力均小于荷載設(shè)計值。只有連接件直徑為20 mm 時，試件承載力及墻體間的位移符合規(guī)范的設(shè)計要求。

（3）進行超低能耗夾芯保溫墻體內(nèi)部FRP 連接件設(shè)計時，當(dāng)保溫層厚度較大時，應(yīng)考慮由豎向荷載引起的彎矩對其抗剪性能產(chǎn)生的影響，建議提高采用FRP 連接件的預(yù)制夾芯墻體的抗剪承載力安全系數(shù)。