超低能耗夾芯墻中格構(gòu)式連結(jié)件受拉試驗(yàn)分析

王立軍 姚志鑫 付素娟

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075000；3.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050000)

0 概 述

隨著社會的不斷進(jìn)步，能源消耗日益提高.大力發(fā)展綠色節(jié)能的建筑是當(dāng)下建筑發(fā)展的重要趨勢，因此對超低能耗保溫夾芯墻的研究顯得更加重要[1～2].超低能耗保溫夾芯墻由裝飾作用的外頁、保溫作用的保溫層、結(jié)構(gòu)作用的內(nèi)頁以及將三者連接起來的連結(jié)件組成.連結(jié)件是內(nèi)外頁墻板間傳遞剪力與風(fēng)荷載、抵抗水平地震荷載的重要構(gòu)件，其受力性能直接關(guān)系到夾心墻體使用的安全性和耐久性[3]；同時(shí)超低能耗夾芯墻的保溫層厚度可以達(dá)到150 mm至250 mm，還會承受墻板平放澆筑、脫模和垂直吊裝運(yùn)輸?shù)耐饬?，使得對連結(jié)件力學(xué)性能有更高要求.目前市面上連結(jié)件形式有棒狀、片狀、格構(gòu)式、U型、L型和H型等.連結(jié)件材料有普通鋼筋、金屬合金及FRP等.其中格構(gòu)式能夠很好的限制位移，F(xiàn)RP可能滿足斷熱橋效應(yīng)，基于此制作出滿足超低能耗保溫夾芯墻[4-6]的格構(gòu)式FRP連結(jié)件，對其進(jìn)行試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 抗拔試件參數(shù)表

依據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)及研究成果[7-10]，設(shè)計(jì)了兩組抗拔試件，其中編號KB10-1中10代表連結(jié)件直徑為10 mm，1代表同條件試件的編號，試件的參數(shù)如表1.每個(gè)試件中放置一段長度為600 mm的格構(gòu)式連結(jié)件，連結(jié)件形狀和尺寸如圖1，錨固深度為30 mm.試件尺寸為800 mm×200 mm×480 mm.保溫層厚度為240 mm.為防止試件在拉拔過程中C30混凝土過早地發(fā)生劈裂情況，抗拉試件上下兩層混凝土應(yīng)設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)并預(yù)埋鋼拉桿和錨固筋，鋼拉桿和錨固筋應(yīng)進(jìn)行焊接，鋼筋網(wǎng)片的間距為90 mm，鋼拉桿長度為150 mm，直徑為16 mm，嵌入深度為75 mm，抗拉試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2.

圖1 連結(jié)件的形狀與尺寸 圖2 抗拔構(gòu)件設(shè)計(jì)圖

為方便澆注，將試件平放，采用鋼模板進(jìn)行澆注.在試件制作過程中，預(yù)先在緊挨上下層混凝土的鋼模板中間留出拉桿孔洞，并將保溫板(XPS)裁成需要的尺寸，與連結(jié)件進(jìn)行組合，孔隙用發(fā)泡劑進(jìn)行填充，然后將焊接好的鋼筋網(wǎng)、預(yù)埋件、拉桿按設(shè)計(jì)位置放入模板中，要保證各個(gè)構(gòu)件的中心在同一直線上，最后澆筑混凝土，在澆筑過程中要時(shí)刻檢查各個(gè)構(gòu)件位置.

1.2 試驗(yàn)裝置與測量

圖3 抗拔試驗(yàn)加載設(shè)備

試驗(yàn)主要的設(shè)備是電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，具體試驗(yàn)裝置如圖3.試驗(yàn)機(jī)對試件上拉桿施加位移荷載，上下層混凝土之間的相對滑移由試驗(yàn)機(jī)自身測量.試驗(yàn)開始前試驗(yàn)機(jī)夾具夾在抗拔試件上下拉桿端部，要保證夾具、拉桿垂直.試驗(yàn)加載方式為位移加載，加載速度為1 mm/min，當(dāng)試驗(yàn)儀器顯示的荷載迅速下降或者連結(jié)件出現(xiàn)明顯破壞時(shí)，即為試驗(yàn)結(jié)束，停止加載，從而獲取試件的極限承載力以及位移變化.

1.3 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

1.3.1 混凝土的力學(xué)性能

試驗(yàn)中所有抗拔試件均采用C30混凝土.根據(jù)GB/T50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，在澆注抗剪試件時(shí)預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試塊尺寸為150×150×150 mm，并與抗拔試件進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)28d，在試驗(yàn)開始前對試塊進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值的測量，測量結(jié)果如表2，測量值均已滿足試驗(yàn)要求.

表2 抗剪試件混凝土試塊強(qiáng)度表

1.3.2 連結(jié)件的力學(xué)性能

格構(gòu)式連結(jié)件由工廠定制，通過工廠檢測得到的連結(jié)件材料的力學(xué)性能如表3.

表3 FRP連接件材料力學(xué)性能

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在抗拔試驗(yàn)過程中并沒有將保溫板扣除，導(dǎo)致無法直接觀察到連結(jié)件隨位移變化的破壞過程，只能通過試驗(yàn)機(jī)上數(shù)據(jù)與試驗(yàn)現(xiàn)象來判斷試驗(yàn)進(jìn)程.具體的破壞形態(tài)是在試驗(yàn)結(jié)束之后將保溫板摳出進(jìn)行觀察.在實(shí)驗(yàn)過程中可以明顯看到隨著荷載不斷的增加，試件上下層混凝土的位移也在不斷增加，當(dāng)荷載加載到2.5 kN左右時(shí)會聽到很大一聲保溫板被拉壞的聲響；隨后荷載與位移基本呈線性增加；當(dāng)加載到極限荷載時(shí)，連結(jié)件與下層混凝土連接的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上發(fā)生破壞，荷載迅速下降.試件破壞形態(tài)如圖4.

圖4 抗拔試件破壞圖

所有試件加載到極限荷載以后的破壞形式均為連結(jié)件拔出破壞，并未發(fā)現(xiàn)連結(jié)件本身破壞，說明格構(gòu)式FRP連結(jié)件有很強(qiáng)的抗拉承載力.

所有試件除連結(jié)件直徑不同以外其他參數(shù)都一樣，破壞的位置均在下層混凝土，這是由于連結(jié)件與上層混凝土的連接點(diǎn)是一個(gè)完整的直角，與下層混凝土的連接點(diǎn)是連結(jié)件的末端，不是完整的直角，所以上側(cè)的連接點(diǎn)相對抗拔性能相對較好.

由于試件在澆注時(shí)鋼筋網(wǎng)與連結(jié)件進(jìn)行了綁扎固定，將保溫板去除以后可以清楚看到混凝土連結(jié)件將鋼筋網(wǎng)一起拔出，如圖4.混凝土破壞形式為錐形破壞，由于試件在制作過程中存在誤差，不能完全將鋼筋網(wǎng)放置在指定位置以及混凝土并不是受到垂直于混凝土表面的拉力，使得混凝土的破壞方向不是同時(shí)的、均勻的向四周擴(kuò)散，而是先在某一個(gè)方向出現(xiàn)裂縫，再在其他方向出現(xiàn)裂縫，最終混凝土被拉壞.

試件的破壞位置都是在下層混凝土，這是由于下層連結(jié)件的節(jié)點(diǎn)不是一個(gè)完整的直角，使得下層混凝土中連結(jié)件對節(jié)點(diǎn)的作用面積要小于上層混凝土中連結(jié)件對節(jié)點(diǎn)的作用面積，并且拉拔力是由拉桿先傳遞到上層混凝土的連結(jié)件節(jié)點(diǎn)上，再傳遞到連結(jié)件的兩根腹桿上，使拉力一分為二，最后傳遞到連結(jié)件與上層混凝相連的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上.

2.2 荷載-位移曲線分析

圖5 各試件荷載-滑移關(guān)系曲線

根據(jù)圖5可知試驗(yàn)中荷載與位移基本呈線性增加，分析是由于格構(gòu)式連結(jié)件在澆注時(shí)與混凝土內(nèi)部鋼筋網(wǎng)相連，當(dāng)荷載達(dá)到混凝土屈服強(qiáng)度時(shí)，連結(jié)件將部分荷載傳遞到鋼筋網(wǎng)，從而增強(qiáng)了試件的整體性.連接件在整個(gè)抗拉過程中表現(xiàn)出很好的彈性性能.

隨著格構(gòu)式連結(jié)件直徑增加，抗拔試件的極限承載力相差不大，分析是由于荷載并未加載到連結(jié)件的屈服強(qiáng)度，但是試件上下層混凝土的相對位移在增加.因此，總結(jié)參考文獻(xiàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：影響格構(gòu)式連結(jié)件抗拔承載力的主要原因可能是混凝土的強(qiáng)度以及連結(jié)件的埋深.

2.3 安全性評定

依據(jù)河北省某地設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010、《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JBJ133-2013以及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》JB50009-2012計(jì)算出由風(fēng)荷載、地震荷載及墻板澆注吊裝時(shí)產(chǎn)生的荷載，并對荷載組合，選取最不利荷載值作為夾芯墻的抗拔荷載設(shè)計(jì)值[12]，設(shè)計(jì)值為1.785kN，與試驗(yàn)值進(jìn)行對比如表4.所有試件安全系數(shù)均大于國內(nèi)規(guī)范擬定的最小值4，表明本試驗(yàn)中格構(gòu)式FRP連結(jié)件滿足夾芯墻的抗拔設(shè)計(jì)要求，并且具有較高的安全儲備，完全滿足工程設(shè)計(jì)要求.

表4 抗拔試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)《錨固于混凝土中的纖維加固復(fù)合連接器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》AC320，試件達(dá)到承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，上下層混凝土最大位移在2.54 mm以內(nèi)，認(rèn)為預(yù)制夾芯墻板之間的密封膠不會發(fā)生剪切破壞.由于保溫板之間的粘接力對試驗(yàn)初期的荷載有一定影響，將試件設(shè)計(jì)值放大一倍后對應(yīng)的上下層混凝土相對滑移如表5.通過表5發(fā)現(xiàn)試件達(dá)到承載力設(shè)計(jì)值時(shí)均小于2.54 mm，表明該格構(gòu)式連結(jié)件在正常使用情況下滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求.

表5 拉結(jié)件承載力與對應(yīng)變形量

試件達(dá)到極限荷載后對應(yīng)的相對滑移量在6.14～8.85 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范中密封膠的最大剪切變形量，說明要充分發(fā)揮試件的承載力，就必須控制夾芯墻在正常使用情況下的滑移量.

3 有限元模擬

試件的有限元模型完全依據(jù)抗拉試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行.由于在抗拉試驗(yàn)中保溫板對抗拉承載力并沒有很大影響，建模時(shí)不考慮上下層混凝土之間XPS的影響.對試件上下層混凝土采用三維實(shí)體單元C3D8R(又稱縮減積分單元)，鋼筋采用桿單元T3D2(三維線性單元).為了使格構(gòu)式連結(jié)件的受力模擬情況與實(shí)際更加接近，連接件采用梁單元B31進(jìn)行模擬.混凝土本構(gòu)關(guān)系選用塑形損傷模型輸入.由于不考慮鋼筋之間混凝土的相對滑移，混凝土和鋼筋網(wǎng)采用嵌入?yún)^(qū)域約束.對試件下層混凝土采用完全固定的約束方式，對上層混凝土施加位移荷載.連結(jié)件直徑為10mm、12mm的抗拔試件應(yīng)力云圖如圖6～8.

圖6 上層混凝土應(yīng)力云圖(左圖連結(jié)件直徑為10mm的試件、右圖連結(jié)件直徑為12mm的試件)

圖7 下層混凝土應(yīng)力云圖(左圖連結(jié)件直徑為10mm的試件、右圖連結(jié)件直徑為12mm的試件)

(d=10 mm) (d=12 mm)

根據(jù)圖8可知，連結(jié)件的應(yīng)力在模擬過程中并沒有達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度.根據(jù)圖6和圖7，下層混凝土板的最大應(yīng)力均大于上層混凝土板，說明下層混凝土板先破壞.混凝土最大應(yīng)力集中在連結(jié)件與混凝土的連接節(jié)點(diǎn)處，并且應(yīng)力以節(jié)點(diǎn)處為中心向四周擴(kuò)散逐漸減小，這與試驗(yàn)破壞現(xiàn)象一致，說明了模擬結(jié)果是可靠的.

4 總 結(jié)

通過超低能耗保溫夾心墻格構(gòu)式GFRP連結(jié)件的抗拉試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)試件的破壞均為連結(jié)件拔出破壞，并沒有很明顯地觀察到連結(jié)件本身發(fā)生破壞，說明連結(jié)件本身的抗拉強(qiáng)度高.

(2)兩種直徑連結(jié)件的平均極限抗拔承載力分別是24.90 kN、23.67 kN，表明試件的抗拔承載力與連結(jié)件直徑?jīng)]有直接關(guān)系.但是上下層板相對滑移隨連結(jié)件直徑增加在減少，最小直徑10 mm連結(jié)件的平均位移為8.4 mm.

(3)當(dāng)連結(jié)件錨固深度為30 mm時(shí)，試件的抗拔承載力大約在24kN，有很大的安全儲備，滿足超低能耗保溫夾芯墻的抗拔承載力設(shè)計(jì)要求.

(4)抗拉試件的混凝土受拉破壞，且抗拔承載力與上下層混凝土的滑移基本承線性增加，屬于脆性破壞.