预制混凝土夹芯保温墙桁架连接件抗剪性能研究*

张曰果 赵志刚 尹 展 车向东 朱 斌 王志礼 吕安安

(1.沈阳建筑大学土木工程学院， 沈阳 110168； 2.北京市燕通建筑构件有限公司， 北京 102202； 3.北京市住宅产业化集团股份有限公司， 北京 100161； 4.佩克建筑配件(张家港)有限公司， 江苏张家港 215600)

0 前 言

预制混凝土夹芯保温外墙板是由两侧的混凝土叶板和中间的保温层组成，两侧叶墙板通过连接件连接。夹芯保温外墙具有低能耗、耐久、防火等特点，以其良好结构性能和经济效益而逐渐受到建筑行业的青睐[1-3]。预制混凝土夹芯墙体中的连接件关系到其内外叶墙片之间的协同工作，是决定夹芯墙体整体工作性能的关键因素。目前，国内外学者对非金属材料连接件的研究比较深入全面，已有研究成果表明夹芯保温墙体非金属材料连接件的抗剪能力不高，但抗拉性能较好，环境适应性较强。其中，国外学者Kazem等对纤维增强复材(FRP)连接件的受剪性能进行了研究[4]，Ekenel对纤维增强复合材料连接件的受力性能做了试验研究[5]。国内学者王勃等对FRP连接件和预制夹芯保温墙板的研究进展进行了综述和展望[6]，陈东等对FRP连接件进行了抗拉和抗剪数值模拟[7]。虽然FRP等非金属连接件在导热和耐腐蚀性等方面较金属连接件有一定的优势，但是随着科技的进步，新工艺和新材料的不断发展，金属材料的耐腐蚀性等有了较大的改善和提高，其力学性能也明显优于一些非金属材料，所以对金属连接件的研究势在必行，其中不锈钢桁架连接件(图1)因具有强度高、耐腐蚀、制造简单、施工方便等优点而被采用，因此，深入研究金属桁架连接件的受力性能对于预制混凝土夹芯保温墙的应用和发展具有重大的意义。

a—不锈钢桁架连接件； b—桁架连接件简图，mm。

预制混凝土夹芯保温墙与传统的夹芯墙有所不同，其可通过加大内外叶墙板间保温层的厚度来实现超低耗能的目的，这就给连接件的受力性能提出了更高的要求，可以说夹芯保温墙中连接件的可靠性，是预制混凝土夹芯保温墙推广应用的前提。夹芯保温墙在其外叶墙自重作用下墙体连接件将处于受剪状态，为研究其抗剪性能，本文通过试验和有限元分析的方法对不锈钢桁架连接件的抗剪性能进行研究，综合评估影响该类连接件剪切承载性能的因素，为其设计和工程应用提供参考。

1 桁架连接件的抗剪性能试验

1.1 试件设计及材料性能

为研究预制混凝土夹芯保温墙桁架连接件的抗剪性能，基于实际工程应用考虑了不同保温层厚度，分别取保温层厚度为200 mm和250 mm。考虑试验加载的便利性和可行性，本次抗剪试验试件采用双剪切模型，可有效考察多个桁架连接件的协同工作性能。4个双剪切试件编号分别为S-PD-200a(b)、S-PD-250a(b)。每个试件有2个受剪面，每个受剪面设有两个竖向布置的桁架连接件，间距为600 mm。桁架连接件的弦杆采用直径为5 mm的HRB400钢筋制作，腹杆采用直径5.5 mm的国产光面不锈钢(S304)杆制作。两侧混凝土外叶墙板厚度为60 mm；中间混凝土墙板厚度为200 mm，模拟内叶墙；保温层厚度分为200 mm和250 mm。内外叶墙混凝土强度等级为C30，墙板钢筋网保护层厚度25 mm。试件配筋及细部尺寸如图2所示。

1—桁架连接件腹杆； 2—桁架连接件弦杆； 3—外叶墙； 4—内叶墙； 5—保温层。

在制作试件时，采用塑料薄膜将保温板与混凝土进行隔离，以去除保温板与混凝土的黏结作用，以此考虑实际工程中保温板老化等问题。

a—桁架腹杆力-变形曲线； b—桁架弦杆力-变形曲线。

a—带肋弦杆； b—光面不锈钢腹杆。

表1 混凝土力学特性

表2 桁架连接件材性试验结果

本试验采用了密度较低的保温板，用来保守地考虑保温板的受压性能。实测所得保温板荷载-变形曲线和应力-应变曲线如图5所示。由图5b可见保温板抗压能力较低，当压应力达到0.03 MPa后，其压应变快速增加，表现出高压缩性特性。

a—荷载-变形曲线； b—压应力-应变曲线。

1.2 加载和量测

剪切试验装置如图6所示。试件外叶墙底部支承，而内叶墙底部自由，通过竖向千斤顶对内叶墙竖向加载，实现桁架连接件剪切受力。为保证内叶墙加载端均匀受力，避免应力集中的影响，在内叶墙顶部加载端放置刚性分配梁。为了准确测得夹芯保温墙在荷载作用下的位移变化，在试件外叶墙顶部、内叶墙底部以及外叶墙底部垫梁处均设置了位移计。为了获得桁架连接件腹杆的应变，在所有连接件腹杆中部均粘贴了应变片，以量测连接件在受剪过程中连接件腹杆的应变大小和变化情况。

1—反力架； 2—千斤顶； 3—力传感器； 4—加载分配梁； 5—试件； 6—位移计； 7—垫梁。

剪切试验采用分级加载制度，先按力每级2 kN控制加载，当达到屈服荷载时，降为每级1 kN进行，达到极限荷载后，按每级2 mm位移控制加载，直至桁架连接件破坏不能继续承载为止。

1.3 试验现象、结果及分析

试验加载前，为检测试验设备工作情况以及消除试件和加载设备之间的安装缝隙等，正式加载前进行了预加载，以测试试验设备的可靠性。

观察整个试验过程，两种保温层厚度共4个试件的试验现象相同，所有试件在加载初期，竖向变形很小，当加载至后期时变形持续增大，最终试件内若干连接件腹杆被拉断或拔出，试件发生倾斜，试验结束。各试件破坏后，将保温板去除，察看内部连接件的破坏形态，可看到受压腹杆已经明显弯曲失稳，而受拉腹杆被拉断或发生节点混凝土锚固破坏，节点处混凝土表面变化不大，未发生明显碎裂破坏，试件典型的破坏状态如图7所示。

a—整体破坏状态； b—桁架连接件破坏状态。

图8为实测荷载-位移(V-U)关系曲线。由曲线可见4个试件受力过程相似，荷载-位移曲线形式一致。加载初期，荷载较小，混凝土板与保温板接触面无明显滑移，内外墙板无明显相对位移，荷载和位移基本呈线性关系。随着荷载的进一步增加，受压腹杆发生失稳而退出工作，内外叶墙之间的压力全部由保温板承担，由于保温板的高抗压缩性，导致荷载-位移曲线斜率明显减小。继续加载，桁架连接件的受拉腹杆所受拉力不断增大至屈服，变形快速增加，V-U曲线的斜率突降，随受拉腹杆塑性变形的加大，内外叶墙之间的相对位移不断加大，继续加载到120 kN左右时，桁架断裂声也随之发生，试件发生整体倾斜而停止加载。试件S-PD-250a和S-PD-250b两试件荷载-位移曲线后期出现分离，V-U曲线不再重合，究其原因可能与试件制作误差和试验加载误差有关，但两个试件的破坏荷载基本相当。

a—S-PD-200a(b)； b—S-PD-250a(b)。

由以上试验现象可见，预制混凝土夹芯保温墙在外叶墙面内剪力作用下，内外叶墙间的相对变形大小取决于保温板的压缩变形性能。由于桁架连接件的受压腹杆长细比很大，压力作用下很容易失稳，对外叶墙面内抗剪贡献很低，其外叶墙面内抗剪承载力主要取决于桁架连接件的受拉腹杆。

比较 PAC吸附和 Fenton试剂降解对 HHCB与AHTN的去除效果可以发现，在适宜的条件下，Fenton试剂比PAC吸附对HHCB与AHTN的去除效果更好，但Fenton试剂反应受pH值的影响更大。

试验实测各试件的屈服荷载和极限荷载及其对应的平均位移如表3所示。可以看出：桁架连接件的实测屈服荷载Vy随保温层厚度的增大而减小，主要由于保温层厚度的变化改变了桁架连接件腹杆的受力夹角，腹杆所受力的分量发生变化；不同保温层厚度时桁架连接件的极限荷载Vu相差不大，这是因为保温板具有大变形特点，桁架连接件后期受力性能趋于一致，连接件极限荷载取决于受拉腹杆的抗拉承载力。总体来看达到屈服荷载Vy时其变形δy随保温层厚度的增大而增大。由于本次试件数量有限加之发生了不同的破坏模式，导致破坏时实测极限变形相差较大。

由V-U曲线可以确定达到墙板抗剪设计荷载Vd时的变形值δd；同理，根据桁架连接件墙板生产厂家给出的设计允许变形值δ=2.54 mm，由曲线可得对应荷载值Vδ。Vd、δd及Vδ相应数值列于表3，可见达到设计承载力时，平均位移为0.7～1.6 mm，均小于正常使用时的允许变形值2.54 mm；而达到允许变形最大值δ=2.54 mm时对应的荷载与设计承载力的比值为1.41～1.92，说明设计时按设计承载力控制时可不对变形进行验算，且有较大的变形储备；此外，达到设计承载力时平均变形值远小于胶缝的剪切及受压变形量10 mm，满足接缝密封胶的变形性能要求。

2 有限元分析

2.1 模型建立

本文采用ABAQUS有限元软件对夹芯保温墙进行模拟分析，其中，混凝土采用塑性损伤模型[8]，带肋弦杆和不锈钢腹杆均采用理想弹塑性双折线模型。各材料的力学性能指标均取实测值。有限元模型中，钢筋采用杆单元T3D2，桁架连接件采用梁单元B31，混凝土和保温板采用实体单元C3D81。内外叶墙板不考虑钢筋和混凝土之间黏结滑移，通过嵌入实现它们之间的相互作用。假定桁架连接件和混凝土之间黏结良好，不出现滑移，桁架连接件通过部分内置嵌入的约束方式实现两者之间的连接关系。保温板和内外叶墙体通过设置接触对来实现其相互作用，法向硬接触，切向设置摩擦系数。模型的边界条件为外叶墙下端铰支，上端仅约束垂直墙面的侧向变形。采取位移加载方式，加载点为内叶墙顶面耦合点，受剪分析模型如图9所示。

图9 受剪分析模型

为了考虑连接件腹杆在加载过程中发生失稳破坏，本文通过非线性屈曲分析的方法首先得出受压杆的临界应力。当压杆应力达到临界应力后，视为受压腹杆弯曲失稳退出工作。具体的分析步设置如下：分析步1：采用线性加载至桁架压杆达到临界应力；分析步2：令桁架受压腹杆失效，继续加载至试件破坏。

为验证数值模拟方法的正确性，对试验模型做了数值模拟，分析所得荷载-位移曲线如图8所示，可见模拟曲线与试验曲线吻合良好，数值模拟方法具有可靠精度。

2.2 变参数分析

影响预制混凝土夹芯墙承载力的因素有很多，基于试验模型，本文主要就桁架连接件腹杆筋的直径、桁架节点间距、保温层厚度做了变参数分析。模型变参数数值模拟荷载-位移曲线如图10所示。

a—变腹杆直径； b—变节点间距； c—变保温层厚度。

由图10模型的荷载-位移曲线可见，对于保温板厚度为200 mm的模型，桁架连接件的抗剪承载力随着其腹杆直径的增大而增大，桁架连接件腹杆直径由5.5 mm增大到8 mm，当受压腹杆达到临界应力时，其抗剪承载力提高约2.6倍，同时连接件初始抗剪刚度明显提高，表现为曲线斜率增大(图10a)；取保温层厚度200 mm不变，随桁架节点间距的增加，桁架连接件的抗剪能力下降，这是由于桁架节点间距增加，腹杆与弦杆的夹角减小，剪力作用下腹杆内力分量增大，受压腹杆失稳提前，造成桁架连接件抗剪承载力下降(图10b)；对于节点间距600 mm的桁架连接件模型，随着保温层厚度的减小，抗剪承载力增加，这是由于保温层厚度减小，桁架连接件受压腹杆长度变小，临界力提高，导致桁架连接件抗剪承载力提高(图10c)。图10模型的荷载-位移曲线说明，不同参数的桁架连接件，在剪力作用下，均表现出典型的两阶段受力特性，即受压腹杆失稳前刚度较大，剪力和位移基本呈线性变化。而受压腹杆失稳后刚度突降，剪力作用下变形迅速增加，曲线斜率接近为零。因此，为防止桁架连接件夹芯保温墙板使用过程中出现过大剪切变形，其最大设计荷载应保证连接件受压腹杆不失稳。

3 结 论

本文对预制混凝土夹芯保温墙桁架连接件抗剪性能进行了试验研究和数值分析，可得出以下结论：

1)预制混凝土夹芯保温墙桁架连接件剪切破坏过程为：受压腹杆先屈曲，受拉腹杆被拉断或端部拔出锚固破坏。

2)桁架连接件的腹杆直径和连接件节点间距对夹芯墙的受剪性能影响很大，其屈服和极限承载力随着腹杆直径的增大而增加，随着节点间距的减小而增大；随着保温层厚度的减小，墙体的屈服承载力增大，而对极限承载力影响不大。

3)夹芯保温墙桁架连接件的受压腹杆屈曲后，内外叶墙间的压力主要由保温板承担，工程中该类墙体的保温材料应具备一定的抗压能力。偏于安全考虑，设计时可不考虑桁架连接件受压腹杆的作用。

4)满足本文试件设计参数条件下，采用国产304不锈钢制作桁架连接件满足该类墙板现行设计承载力和变形的要求。

需要说明的是，本文数值分析时未考虑节点锚固破坏问题，而试验表明桁架节点处与混凝土墙板的锚固可能发生破坏，因此，设计时应采取加大桁架腹杆端部埋深或采取机械锚固等措施，以防止发生桁架节点处的锚固破坏。