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摘要：目前国内外夹心保温外挂墙板内部连接件存在造价高、施工复杂等问题，本文作者提出自行设计研发的一种新型非金属连接件系统，文章给出其中三种不同情况的连接布置方式，并通过具体试验研究和力学计算对该连接系统进行详细分析，最后给出该连接系统详细的设计方法。
关键词：夹心保温外墙板；玻璃纤维筋；推力；开裂荷载
目前预制混凝土墙板结构中夹心保温外墙板的内部连接件主要有以下几种：套有塑料套环的棒状连接件，这种连接件施工过程较为简单，但是连接件和墙体的锚固能力相对较差；波形格构式FRP连接件，这种连接件虽然具有较好的锚固和控制变形的能力，但是由于复杂的外形使得施工工艺较为复杂；Salmon研究的纤维复合材料制作的格构式桁架筋连接件，试验证明该连接件具有较高的抗剪抗震性能；以上所述的这些连接件存在造价太高、施工复杂、锚固能力相对较差等缺点，因此不利于大力推广。
针对以上所述连接件存在的问题，本文作者给出一种自行研究和设计的新型非金属连接系统，列出了其中三种不同的连接件布置方式，并对采用这三种连接件布置方式的标准夹心保温外墙板进行加载试验。绘出外叶墙所受荷载和位移的关系曲线，并通过力学计算最终形成连接件的整体设计方法。
1 试验概况
1.1 试件的形式
1.1.1 外墙板
本试验中外墙板形式采用的是“三明治”式的夹心保温外墙板，内叶墙设有两层分布钢筋，外叶墙设有一层分布钢筋，内外叶墙分布钢筋间距均为200mm，保温板采用的是普通挤塑苯板，内外叶墙均采用设计强度为C30的商品混凝土，配合比见下表1.1。
1.2 试件的制作与养护
试件的制作采用的是平躺浇筑，试验过程大体分为内叶墙的制作、保温板的安装、外叶墙的制作三个阶段。其中连接件的安装和内叶墙的制作是同时完成的。试件制作完成后浇水养护28天后进行加载试验。
1.3 试件的加载
1.3.1加载方案
将墙板的内叶墙贴地面平躺放置，用钢梁将内叶墙板固定在地面上，在墙板另一端外叶墙宽度方向放置一强度足够大的钢梁作为分载装置，将安有力传感器的60t液压千斤顶放在在分载装置和墙体宽度方向中间位置，在外叶墙另一端受力方向安装位移计，在固定内叶墙板的钢梁中间位置受力方向安装一个位移，目的是检测钢梁是否完全固定。用UCAM-70A及32通道的数据采集板对试验进行数据采集。加载示意图如图1.2所示。
2.1 Q1标准墙体的试验结果
Q1标准墙体为仅安装玻璃纤维筋的无窗洞口墙体，墙板内设置U型连接件12个，V型连接件5个。通过试验测定该连接件布置方式情况下外叶墙板受水平推力和墙板位移的关系，研究该墙板的整体强度，分析墙板安全使用的控制因素。外叶墙板受水平推力和墙板位移的关系曲线如图2.1所示。
图2.1 Q1 墙体外叶墙荷载和位移的关系曲线
从图2.1可以看出，当水平推力加载到107kN时，曲线斜率突然变小，同时听到混凝土挤压破坏的声音，此时认为墙体已经破坏，达到了墙体安全使用的临界值，此时外叶墙位移为1.5mm。继续加载位移以较快速度增加，同时听到连续的纤维筋和混凝土破坏的声音。当推力达到248kN时，曲线斜率变为负值，推力值开始减小，认为此时玻璃纤维筋已经完全破坏，此时位移22mm。
2.2 Q2标准墙体的试验结果
Q2标准墙体为仅安装玻璃纤维筋的带窗洞口标准墙体，墙板内设置U型连接件29个，V型连接件2个。通过试验测定该连接件布置方式情况下外叶墙板受水平推力和墙板位移的关系，研究该墙板的整体强度，分析墙板的安全使用的控制因素。曲线如图2.2所示。
图2.3 Q3 墙体外叶墙荷载和位移的关系曲线
从图2.3可以看出，当水平推力加载到321kN时，曲线斜率突然变小，同时听到混凝土挤压破坏的声音，钢板处混凝土开始破坏，认为墙体已经破坏，达到了到墙体安全使用的临界值，此时外叶墙位移为2.2mm。继续加载位移位移以较快速度增加，同时听到连续的纤维筋和混凝土破坏的声音，钢板处混凝土的破坏程度加大。当推力达到385kN时，曲线斜率变为负值，推力值开始减小，认为此时玻璃纤维筋已经完全破坏，不锈钢钢板完全失去作用，此时位移14.12mm。
由图表数据对比及加载现象可以看出，其中附加不锈钢连接件的Q3 标准墙体开裂荷载提高效果显著。并且不锈钢连接件附近破坏形态为混凝土压碎，连接件本身没有屈服，因此极限破坏位移也较小。
3 外墙板整体受力计算
根据以上三种形式标准墙体的试验数据，结合玻璃纤维筋的材料力学性能，考虑墙板的实际工况，计算连接件在墙体中的整体受力，将计算结果和试验结果进行对比，最终得出连接件的整体设计方法。
3.1 外墙板承载能力计算
考虑夹心墙保温外墙板在制作、安装、使用过程中的各种荷载工况，根据表1.2玻璃纤维筋的材料力学性能，采用安全系数法对外墙板承载力进行计算。计算主要考虑的工况有脱模工况、吊装工况、正常使用工况、风荷载工况、地震作用工况、温度作用工况等。
3.2 外墙板正常使用计算
外墙板正常使用计算包括内外叶墙板相对变形计算和外墙板裂缝计算两方面，内外墙相对位移计算是在吊装和正常使用工况下，外叶墙板和内叶墙板之间会有相对位移，考虑V型连接件和U型连接件刚度的不同，确定其力学计算模型，计算内外叶墙板之间的相对位移。
3.3 连接件数量计算
根据之前试验结论（每平米设置2组U型连接件，混凝土出现破坏时的水平推力11.1kN，相应相对位移为10.6mm，极限破坏时水平推力为28.8kN，相应相对位移为24.1mm。），每平米设置2组U型连接件满足夹心外墙板的承载力和变形要求。当单独设置V型连接件时，V型连接件刚度大于U型连接件（夹角45度V型连接件刚度为U型的5倍，夹角30度V型连接件刚度为U型的2.5倍）。V型连接件可参U型连接件的计算结果按照刚度进行折算。
再根据标准尺寸外墙板的试验结果对连接件的数量进行折算，最终确定每平米外墙板连接件的使用数量。
4 结论
按照每平米设置2个连接件，V型连接件（45度或者30度）设置在中间，U型连接件沿周边均匀设置，间距600-700mm左右，连接件距离墙板外边缘不小于200mm，带有窗洞口的外墙板连接件距离洞口边缘不小于200mm，当墙板面积尺寸超过3600mm×3000mm时建议增加尺寸为230mm×200mm×6mm不锈钢连接件作为安全储备。
参考文献
[1]李志杰.新型预制混凝土墙板结构的研究与应用[J].四川建筑科学研究，2013（2），1（39）：1-5.
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[3]Pantelides C P，Reaveley L D，McMullin P W.Design of CFRPComposite Connector for Precast Concrete Elements[J].Journal ofReinforced Plastics and Composites，2003，22（15）：1335-1351．
论文作者:戴益兰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/21
标签：连接件论文; 位移论文; 墙板论文; 墙体论文; 外墙论文; 推力论文; 工况论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;