預(yù)制夾心混凝土墻板連接件性能研究

張佳陽(yáng)，郭振雷，高志杰，段中劍

（北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100041）

近幾年來，預(yù)制夾心混凝土墻板技術(shù)隨著裝配式建筑在國(guó)內(nèi)興起并迅速普及，保溫連接件是制作預(yù)制夾心混凝土墻板的關(guān)鍵產(chǎn)品，連接件在與內(nèi)、外葉墻板混凝土共同工作時(shí)，除了要求具有足夠的承載能力和耐久性能以外，還需要具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)，以降低外墻板熱橋的影響。在裝配式建筑中，通過降低夾心保溫層傳熱系數(shù)的方法提高墻板的保溫性能，主要采用導(dǎo)熱系數(shù)更低的保溫材料或增加保溫材料的厚度，在進(jìn)行預(yù)制夾心混凝土墻板設(shè)計(jì)時(shí)，隨著保溫材料厚度的增加，連接件的尺寸與末端撓度也要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析[1]。

1 預(yù)制夾心混凝土墻板構(gòu)造

連接件是制作預(yù)制夾心混凝土墻板的關(guān)鍵產(chǎn)品，常用的保溫拉接件有非金屬連接件和金屬連接件2類，預(yù)制夾心混凝土墻板的非金屬連接件采用GFRP材質(zhì)，用于連接內(nèi)外葉墻板[2]。GFRP連接件可以降低保溫墻的冷熱橋效應(yīng)，連接件一般采用矩陣式排列，距邊模100~200 mm，與鋼筋網(wǎng)片沖突時(shí)微調(diào)鋼筋間距。預(yù)制夾心混凝土墻板外葉墻板厚60 mm，內(nèi)葉墻板厚200 mm，夾心層保溫采用擠塑聚苯板，連接件采用GFRP非金屬連接件，墻板構(gòu)造如圖1所示。

2 連接件末端撓度研究

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所制備的保溫連接件最早在美國(guó)出現(xiàn)，而經(jīng)過40多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可知，只要連接件的布置相對(duì)均勻，風(fēng)荷載和外葉墻自重偏心彎矩作用下引起的拉壓應(yīng)力非常微小[3-4]，除了受力安全外，還應(yīng)該保證墻板的正常使用功能。JC/T 2504—2019《預(yù)制混凝土夾心保溫墻板》中6.6.2要求內(nèi)外葉墻板垂直位移不大于2.5 mm。根據(jù)ACI 320中的3.3.3.4，連接件在外葉墻重力作用下的撓度按式（1）計(jì)算：

式中：Δ——連接件末端撓度，mm；

Qg——自重剪力，N；

dA——連接件的等效懸臂長(zhǎng)度，mm；

EAB——連接件的彈性模量，N/mm2；

IA——連接件截面慣性矩，mm4。

根據(jù)撓度計(jì)算公式，分別計(jì)算連接件間距為300、350、400、450 mm時(shí)，夾心保溫層厚度由50 mm增加至120 mm的連接件末端撓度，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出：

（1）當(dāng)連接件間距為300 mm時(shí)，夾心保溫層厚度由50 mm增加至120 mm，連接件末端撓度由0.30 mm增大至2.74 mm。連接件末端撓度在夾心保溫層厚度增加至100 mm以上時(shí)增加幅度較大，夾心保溫層厚度由100 mm增加至110 mm，連接件末端撓度增大了0.49 mm；夾心保溫層厚度由110 mm增加至120 mm，連接件末端撓度增大了0.59 mm。當(dāng)保溫層厚度超過110 mm以上，連接件末端撓度超過2.5 mm。

（2）當(dāng)連接件間距為350 mm時(shí)，夾心保溫層厚度由50 mm增加至120 mm，連接件末端撓度由0.41 mm增加至3.72 mm，當(dāng)保溫層厚度超過100 mm以上，連接件末端撓度超過2.5 mm。

（3）當(dāng)連接件間距為400 mm時(shí)，夾心保溫層厚度由50 mm增加至120 mm，連接件末端撓度由0.54 mm增加至4.87 mm，連接件末端撓度在夾心保溫層厚度增加至90 mm以上時(shí)增加幅度為0.15 mm左右，且當(dāng)保溫層厚度超過90 mm以上時(shí)，連接件末端撓度超過2.5 mm。

（4）當(dāng)連接件間距為450 mm時(shí)，夾心保溫層厚度由50 mm增加至120 mm，連接件末端撓度由0.68 mm增加至6.16 mm，連接件末端撓度在夾心薄層厚度為100 mm時(shí)增加最多，且當(dāng)保溫層厚度超過80 mm以上，連接件末端撓度超過2.5 mm。

綜合可知，連接件末端撓度隨著夾心保溫層厚度增加而增大，且增幅呈遞增的趨勢(shì)；連接件的間距越大，連接件末端撓度隨著夾心保溫層厚度增加的幅度越大。建議當(dāng)連接件間距為300、350、400、450 mm時(shí)，夾心保溫層厚度分別不應(yīng)超過110、100、90、80 mm。

3 連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響研究

根據(jù)三明治夾心保溫墻板構(gòu)造設(shè)計(jì)及GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的多層材料層熱阻公式、雙向非勻質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻公式及考慮熱橋影響的圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元平均傳熱系數(shù)計(jì)算，采用連接件處的傳熱系數(shù)與墻體主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的面積加權(quán)進(jìn)行墻體平均傳熱系數(shù)計(jì)算，同時(shí)計(jì)算連接件對(duì)墻板平均傳熱系數(shù)的影響。當(dāng)連接件間距為300、350、400、450 mm時(shí)，按3000 mm×3000 mm墻體計(jì)算，同時(shí)滿足矩陣排列，且連接件距墻板邊緣100～200 mm，則連接件數(shù)量分別為100、81、64、49個(gè)，墻板連接件布置方案見圖3。

墻板主斷面及連接件處的傳熱系數(shù)如圖4所示，連接件間距對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)（使用連接件的墻板傳熱系數(shù)與無連接件的墻板傳熱系數(shù)的比值）如圖5所示。

由圖4可以看出，墻板主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著夾心保溫層厚度的增加而減小，當(dāng)夾心保溫層厚度由50 mm增加至60、70、80、90、100、110、120 mm時(shí)，墻板主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別減小了0.079、0.058、0.046、0.037、0.029、0.025、0.021 W/（m2·K），當(dāng)夾心保溫層厚度大于100 mm時(shí)，每增加10 mm，墻板傳熱系數(shù)降低小于0.03 W/（m2·K），說明當(dāng)夾心保溫層厚度超過100 mm時(shí)，單純?cè)黾訆A心保溫層厚度對(duì)墻板傳熱系數(shù)的降低效果越不明顯。

由圖5可以看出，夾心層厚度由50 mm增加至120 mm，當(dāng)連接件間距為300 mm時(shí)，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)由1.37%增加至2.69%；當(dāng)連接件間距為350 mm時(shí)，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)由1.11%增加至2.19%；當(dāng)連接件間距為400 mm時(shí)，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)由0.88%增加至1.74%；當(dāng)連接件間距為450 mm時(shí)，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)由0.68%增加至1.33%。說明隨著夾心保溫層厚度的增加，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)逐漸增大，主要原因是夾心保溫層厚度增加，墻板主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低；隨著連接件間距的增加，連接件的使用數(shù)量逐漸減少，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響趨勢(shì)逐漸降低，且隨著保溫層厚度的增加，增加連接件的間距可顯著降低連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響。

由此可知，墻板主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨著夾心保溫層厚度的增加而降低，連接件處傳熱系數(shù)隨夾心保溫層厚度的降低，其傳熱系數(shù)的降低基本呈線性趨勢(shì)；隨著夾心保溫層厚度的增加，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響系數(shù)逐漸增加，隨著連接件間距的增加，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響趨勢(shì)逐漸降低，且隨著保溫層厚度的增加，增加連接件的間距可顯著降低連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響。

4 抗震試驗(yàn)研究

剪力墻作為一種抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式，在我國(guó)應(yīng)用十分廣泛，而對(duì)于裝配式建筑夾心保溫混凝土墻板的抗震性能研究目相對(duì)匱乏。因此，對(duì)預(yù)制裝配式剪力墻抗震性能的研究已成為國(guó)內(nèi)外裝配式建筑領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[5-7]。在現(xiàn)階段建筑節(jié)能要求不斷提高的背景下，北京率先實(shí)施居住建筑節(jié)能80%的要求，在考慮連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響下，經(jīng)計(jì)算，采用100 mm厚擠塑聚苯板可滿足傳熱系數(shù)≤0.35 W/（m2·K）的要求，所以設(shè)計(jì)連接件間距300 mm、夾心層厚度100 mm的夾心墻進(jìn)行抗震試驗(yàn)，研究其抗震性能。

4.1 抗震試驗(yàn)設(shè)計(jì)

抗震試驗(yàn)設(shè)計(jì)1個(gè)試件，墻體高2820 mm、寬4200 mm、厚360 mm，墻體厚度包括200 mm內(nèi)葉板、100 mm保溫板、60 mm外葉板，三部分通過非金屬連接件相連。試驗(yàn)過程中采用液壓千斤頂施加軸向荷載，分別放置于東西兩側(cè)墻肢中心。采用2000 kN拉壓液壓千斤頂施加水平往復(fù)荷載。試件在達(dá)到位移角為1%前，每級(jí)加載往復(fù)2次，之后每級(jí)加載往復(fù)1次。當(dāng)剪力墻水平承載力下降至峰值荷載的85%以下或不宜繼續(xù)加載時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

生產(chǎn)墻板選用冀東水泥灤縣有限責(zé)任公司的P·Ⅱ42.5R水泥，其物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

選用唐山任各莊機(jī)制砂和唐山玉田碎石，中砂細(xì)度模數(shù)2.6，碎石針片狀顆粒含量2.9%，壓碎指標(biāo)7%；粉煤灰選用唐山林德商貿(mào)有限公司Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度19.5%，需水量比102%，燒失量4.7%；外加劑選用金隅科技（唐山）的聚羧酸高性能減水劑。

三明治夾心墻板主要生產(chǎn)工藝為先進(jìn)行模具排布、組裝，經(jīng)模具尺寸檢查后進(jìn)行鋼筋綁扎與埋件的布置，外葉板混凝土澆筑后鋪設(shè)保溫板與連接件，當(dāng)外葉板經(jīng)蒸養(yǎng)后，再進(jìn)行內(nèi)葉板鋼筋幫扎與埋件布置，經(jīng)過蒸養(yǎng)后滿足脫膜強(qiáng)度，進(jìn)行墻板構(gòu)件吊裝與堆場(chǎng)存放。

4.2 抗震試驗(yàn)結(jié)果及分析

預(yù)制夾心混凝土墻板加載至210 kN時(shí)西側(cè)下部窗角出現(xiàn)首條斜裂縫，繼續(xù)加載之后其他窗角相繼出現(xiàn)斜裂縫。當(dāng)達(dá)到0.2%位移角時(shí)，兩側(cè)墻肢底部與坐漿層交界面分離，出現(xiàn)首條彎曲裂縫；當(dāng)達(dá)到1%位移角時(shí)，兩側(cè)墻肢角部混凝土壓碎剝落，端部豎向裂縫延伸，外葉板東側(cè)下部窗角裂縫向下延伸貫通板底，墻體與外葉板水平位移相差10 mm；當(dāng)達(dá)到2%位移角時(shí)，東側(cè)墻肢角部混凝土壓潰，大塊剝離，下部?jī)纱敖翘帀w混凝土壓碎剝落，西側(cè)墻肢與坐漿層之間的裂縫寬度達(dá)25 mm，外葉板東西側(cè)2條豎縫裂縫寬度分別為14、20 mm，窗框與墻體脫開10 mm。墻體內(nèi)葉板與外葉板裂縫分布見圖6，局部破壞細(xì)節(jié)見圖7。

由圖6、圖7可以看出，試件裂縫對(duì)稱開展明顯，主要集中于東西側(cè)墻肢中下部、窗下墻、窗角、窗過梁處。最終破壞階段，墻體內(nèi)葉板角部混凝土被壓碎，洞口附近出現(xiàn)主斜裂縫，呈現(xiàn)明顯的彎剪破壞形態(tài)。由于內(nèi)葉板和外葉板有相對(duì)變形，裂縫處連接件粘結(jié)失效，但整體共同工作性能良好，在1%位移角時(shí)，內(nèi)、外葉板相對(duì)位移為10 mm，可以保證墻體的安全可靠。

試件的滯回曲線如圖8所示。

由圖8可見，試件滯回曲線飽滿，具有較好的耗能能力，加載初期，各試件的滯回曲線為一條直線，試件處于彈性工作階段，隨著荷載增大，混凝土開裂，試件剛度下降，卸載后殘余變形不斷增加，表明試件具有較高的恢復(fù)性。

試件外葉板作為保溫層的圍護(hù)構(gòu)件，當(dāng)內(nèi)葉板發(fā)生較大變形后外葉板的穩(wěn)定性成為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。內(nèi)葉板與外葉板的相對(duì)位移如圖9所示。

由圖9可見，當(dāng)墻體內(nèi)葉板變形達(dá)到1%和2%位移角時(shí)，外葉板與內(nèi)葉板最大相對(duì)變形分別達(dá)到10.00、18.63 mm。由于具有相對(duì)變形，外葉板在連接件處出現(xiàn)開裂，但整體具有較好的穩(wěn)定性，與內(nèi)葉板共同工作性能良好，未出現(xiàn)失穩(wěn)情況，墻體安全可靠。

由以上研究可以得出：

（1）試件具有較好的整體工作性能，內(nèi)葉板裂縫分布集中在兩側(cè)墻肢，呈彎剪破壞形態(tài)。試件保溫板與外葉板具有較好的整體性，可以滿足安全性要求。

（2）試件滯回曲線均較為飽滿，累計(jì)耗能隨加載過程不斷增大，具有較好的抗震性能。

5 結(jié)論與建議

（1）當(dāng)連接件間距為300、350、400、450 mm時(shí)，夾心保溫層厚度分別不應(yīng)超過110、100、90、80 mm。

（2）隨著夾心保溫層厚度的增加，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響逐漸增加，隨著連接件間距的增加，連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響趨勢(shì)逐漸降低，且隨著保溫層厚度的增加，增加連接件的間距可顯著降低連接件對(duì)墻板傳熱系數(shù)的影響。

（3）滿足北京居住建筑80%節(jié)能要求的墻板連接件可采用間距300 mm、夾心保溫層厚度100 mm的布置方案，預(yù)制夾心混凝土墻板具有較好的整體工作性能，試件滯回曲線均較為飽滿，累計(jì)耗能隨加載過程不斷增大，具有較好的抗震性能。