连接件是预制混凝土夹心保温外墙的关键部件, 其力学性能直接影响墙体安全性。按照材料的不同, 连接件可分为纤维增强塑料 (FRP) 连接件和不锈钢金属合金连接件两种。与FRP连接件相比, 不锈钢连接件具有更好的抗火性能和耐久性。桁架式不锈钢连接件是不锈钢连接件的一种典型形式, 它具有承载力大、安装方便等特点, 在欧洲应用广泛。

已有研究中主要是针对配置桁架式连接件的夹心保温墙体的静力性能试验^[1,2,3,4,5], 对连接件本身抗拔和抗剪性能的研究较少。从系统查阅的文献资料来看, 仅Thomas D.Bush等对连续桁架式连接件的复合预制混凝土夹心保温墙体的推出试验进行研究^[6]。结果表明, 桁架式连接件可充分传递剪力, 直到破坏时保温层与混凝土间仍可传递大部分剪力, 使得墙体具有较高复合性能。

该试验中, 保温层与内外侧混凝土之间黏结良好, 考虑保温层的影响会使计算的连接件抗拔和抗剪承载力以及弹性刚度都有大幅提高, 但实际工程中由于环境因素的作用, 保温层与内外混凝土板间的黏结效应会随时间的推移而逐渐减弱, 使得墙体承载力以及刚度都与在实验室中情况不同。因此, 在保温层成型、试件制作完毕之后掏出保温层, 研究无保温层影响的连接件性能, 可以使连接件承载力计算结果更加安全可靠。以下将着重介绍课题组开展的适用于保温层厚度为50mm, 试验过程中去掉保温层的预制混凝土夹心保温外挂墙体桁架式不锈钢连接件的抗拔和抗剪性能试验。

以50mm厚保温层预制混凝土夹心保温外墙为原型, 设计了1组共3个连接件的抗拔性能试件, 编号为PS1~PS3。3个试件墙板尺寸均为800mm×250mm×390mm, 混凝土强度等级为C30。试件保温层厚度为50mm, 两侧的混凝土板厚度为170mm。试件中采用的连接件均为芬兰Peikko公司生产的桁架式不锈钢连接件PD100。每个试件设置1段600mm标准波段的连接件。试验所用混凝土、钢筋、不锈钢连接件实测力学性能如表1~2所示。拔出试验施工如图1所示。

拔出试验加载装置如图2所示。试验过程中, 上、下拉杆端部夹在万能试验机的夹具上, 夹具与拉杆连接对中, 并与混凝土表面垂直。施加拔出力连续均匀, 加载速度控制在1k N/min。

为量测连接件与混凝土竖向滑移, 在上、下侧混凝土板上各预埋1个位移导杆;为量测连接件应变, 在连接件位于保温层部位的不锈钢斜杆端部贴应变片。试验过程中观察桁架连接件斜杆以及锚固端混凝土的变化情况。

试件加载至约0.5P_u时, 连接件根部混凝土开裂, 连接件腹杆角度发生变化;随着荷载的继续增大, 连接件根部混凝土出现崩裂, 连接件两根斜腹杆之间的角度不断减小。

最终破坏时, PS1试件连接件斜腹杆拉断, PS2和PS3试件则发生连接件根部斜腹杆与弦杆的焊点脱开。试件破坏形态如图3所示。

抗拔性能试验中的滑移量为连接件根部相对于混凝土墙体的滑移量, 其荷载-相对滑移曲线如图4所示。

拔出试件荷载-应变曲线如图5所示, 图中应变为连接件受拉斜腹杆应变值, 应变以受拉为正、受压为负。

由图4, 5可知:

1) 连接件荷载-滑移曲线在加载初期呈线弹性, 连接件斜拉腹杆应变随荷载增加而增加, 基本呈线性关系。在荷载达到10k N左右时, 连接件根部混凝土开裂, 此时试件刚度发生突变, 荷载-位移曲线出现明显拐点。

2) 连接件根部混凝土开裂后, 试件的刚度下降较为明显, 但荷载-位移曲线仍保持线性关系。随着荷载的继续增大, 连接件斜拉腹杆均屈服。此后, 连接件应变片由于应变过大而损坏, 当试验加载到21k N左右时试件发生破坏。

3) 总体而言, 试件破坏时的相对滑移较大, 建议在设计中适当考虑该因素的影响。

3个剪切试件编号为SS1~SS3, 墙体尺寸、混凝土强度等级、保温层厚度、连接件型号均与上述抗拔性能试验相同。试验前抽去保温层, 试验过程中连接件受力方向平行于连接件方向。两侧墙板厚60mm, 内侧混凝土板厚170mm。每个试件设置4段600mm标准波段的连接件。试验所用混凝土实测力学性能如表3所示, 钢筋实测力学性能如表2所示。剪切试件施工如图6所示。

剪切试验方案的试验加载装置如图7所示。试验加载采用分级加载制度。从开始加载至试件破坏, 加载速度控制在1k N/min。

沿连接件平行和垂直方向布置位移计, 以量测墙体内外侧混凝土板相对位移;沿连接件腹杆以及弦杆布置应变片, 以量测连接件应变值。试验过程中观察混凝土表面有无裂缝出现、滑移变形情况。

在试件加载初期, 荷载随位移呈线性增加;随着荷载增加, 试件上部内外侧混凝土板间距逐渐拉近, 分析是弯矩作用导致, 保温层与内外侧混凝土板间产生较大竖向相对位移, 连接件受拉斜腹杆断裂并发出较大金属断裂声。最终破坏时, 连接件受压腹杆屈服, 受拉腹杆拉断, 试件整体及连接件破坏形态如图8所示。

剪切试件荷载-墙体内外侧混凝土板相对位移曲线如图9所示。

剪切试件荷载-应变曲线如图10所示, 图中应变值包括连接件受拉斜腹杆和受压斜腹杆的应变。

由图9, 10可知:

1) 加载初期, 在混凝土板之间几乎没有相对位移, 连接件受拉腹杆以及受压腹杆荷载与钢筋应变曲线基本呈线性关系。

2) 随着荷载增加, 混凝土板间的相对位移快速增加, 连接件受拉腹杆以及受压腹杆均屈服, 腹杆应变随荷载上升过程比较平缓。

3) 当荷载达到塑性极限值时, 混凝土板间的相对滑移过大 (>60mm) 。建议在设计中适当考虑该因素的影响。

基于位于上海市的某结构总高度为100m的实际工程, 根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》^[7]及JGJ133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》^[8], 对预制保温墙体的拔出荷载和剪切荷载设计值 (风荷载及地震荷载作用下的最不利组合) 进行了计算并与试验结果进行对比, 试验结果如表4, 5所示。

由表4, 5可知, 连接件抗拔和抗剪承载力均有较大安全余量, 完全满足工程设计要求。

本文开展了桁架式不锈钢连接件的抗拔与抗剪性能试验研究, 主要结论如下。

1) 预制混凝土夹心保温墙体连接件抗拔试验研究结果表明, 试件有两种典型的破坏模式, 一种是连接件腹杆断裂, 另一种是连接件锚固端焊点脱开。连接件具有良好的抗拔安全余量, 抗拔承载力安全系数为9.8。

2) 预制混凝土夹心保温墙体连接件抗剪试验研究结果表明, 试件破坏模式是连接件受压腹杆屈服, 受拉腹杆拉断。连接件具有良好的抗剪安全余量, 抗剪承载力安全系数为5.3。

需要说明的是, 本文的研究成果已被DG/TJ08—2158—2017《预制混凝土夹心保温外墙板应用技术规程》和DG/TJ08—2071—2016《装配整体式混凝土居住建筑设计规程》采纳。