夹芯墙体玻璃钢连接件连接性能研究<sup>*</sup>

随着住房需求的增长，建筑总量也在不断增加，能耗问题日益严峻，而围护结构所占建筑耗能约为建筑整体能耗的85%～99%[1]，因此对围护结构进行革新是实现建筑节能的有效途径。夹芯墙体由于保温层在内部，不仅能起到防火、防腐蚀的作用也更易于工厂预制，实现保温装饰一体化，符合国家大力推广装配式建筑的趋势。连接件作为连接夹芯墙体三层的构件，对墙体整体性能的提高起到至关重要的作用。本文提出了一种新型预制夹芯墙板构造形式，同时需要配套的墙体连接件，故有必要先行对不同形式连接件展开研究，寻求合理的夹芯墙体连接件。

国内外学者针对连接件做了大量研究，Wu等研究了不同腐蚀环境下，含碳纤维和玻璃纤维连接件的拉伸性能损失，并阐明了纤维的降解机理[2]。Liu等对含不同连接件混凝土夹芯板的传热性能进行了研究，混凝土夹芯板的热性能会随着连接件的变化而改变，采用非金属、小截面连接件的混凝土夹芯板热性能优于使用金属、较大截面连接件的混凝土夹芯板[3]。刘若楠对不同形式夹芯墙体连接件受力模型及热工性能进行了系统的研究，针对连接件设置方式，提出了剪力和拉力的分配系数[4]。Choi等以连接件尺寸、布置间距、嵌入长度为变量，对两种不同类型绝缘材料制成的夹芯墙体连接件进行了研究，材料类型显著影响着混凝土和绝缘层之间的粘合强度[5-6]。Qing提出了一种由钢-玻璃纤维增强聚合材料制成的新型连接件，与不锈钢、纯玻璃纤维连接件以及无连接件的夹芯墙体试件对比，合理设计的钢-玻璃纤维增强聚合物W形连接件，对夹芯墙体的组合效应要优于其他三种类型墙体[7]。Natio等对含14种不同形式纤维增强材料连接件的夹芯墙体试块静力荷载作用下的抗剪切性能进行了试验研究，剪切连接件在强度、刚度、可变形性等方面有较大的差别，抗剪强度有很大的离散[8]。孟宪宏等对三种不同形式玻璃纤维筋连接件的连接性能进行了研究，其中 U 型连接件的抗拉强度最强，V 型(45°)连接件的开裂位移和极限位移最小，U 型连接件的开裂荷载和极限荷载最大[9]。张延年等研究了一种耐腐蚀、导热系数小的新型塑料钢筋连接件，并模拟地震作用下L型、U型、Z型、环形连接件的受力及变形性能，给出了不同连接件的设计参数建议[10]。 Huang等通过直剪试验研究了三种不同类型玻璃纤维连接件的连接性能，对比了不同类型连接件的剪切力、相对滑移关系和失效模式，并通过有限元模型预测了所有类型连接件的峰值荷载和刚度[11]。Jiang等研发了一种W形玻璃钢纤维增强聚合物(SGFRP)夹芯墙体连接件，考虑不同长度、角度、直径的影响，对其峰值剪切荷载和相对滑移进行了分析[12]。Yun等研究了基于推出试验夹芯墙体玻璃纤维增强材料(GFRP)连接件的剪切流动强度，溴化聚苯乙烯绝缘试样的剪切流动强度高于挤塑式聚苯乙烯隔热保温材料试样，剪切流动强度随剪切连接器宽度的增加而增大[13]。Woltman对不同形式夹芯墙体玻璃纤维连接件的抗剪性能进行了研究，GFRP连接件的抗剪强度达到了60～120 MPa，远高于一般塑料连接件，连接件的尺寸、横截面积、布置间距对抗剪承载力有重要影响[14]。同济大学在国内率先研发出了预制夹芯保温墙体板式及棒状FRP连接件，并通过力学试验验证其抗剪切及抗拉拔性能[15-19]。王晓璐等模拟火灾高温条件，对GFRP筋的力学性能进行了试验研究，在一定温度区间内，随着温度的升高树脂发生软化，500 ℃条件下GFRP筋的极限抗拉强度仅为常温的33%，质量损失约为常温时的12%[20]。翟希梅等通过拉拔及剪切试验，研究了夹芯墙体内、外叶墙之间复合式连接件的整体工作性能，分析了连接件位置、钢筋分布、混凝土强度等对连接件抗拉性能及剪切性能的影响[21-22]。

近年来国内学者针对U型、V型等形式的夹芯墙体连接件进行了试验研究，但连接件多为钢筋弯折而成，其外包裹阻热桥材料，在保温性能方面仍有一定风险，并非真正意义上的FRP连接件。并且前期专家学者对于连接件的研究未必适合本文提出的新型夹芯墙体构造形式，故需要对连接件做进一步的研究，寻求适合该类型墙体的新型连接件，并研究它在正常工作状态下的力学性能。经调研发现GFRP可充当预制夹芯保温墙体连接件，作为FRP连接件的一种，与一般连接件相比具有无冷热桥、强度高、耐腐蚀的优点，并且可直接由工厂加工、价格低廉有着广阔的应用前景。因此本文在探究棒状、板状连接件的基础上，对含H型、L型、槽钢型GFRP连接件的夹芯墙体试件进行力学及热工试验，探索最佳的连接件形式。

1 试件概况

试验取整块墙体的一部分作为试验对象，共设计制作了24个试件，其中12个测定连接件抗剪强度，12个测定连接件抗拉强度。试件为三层夹芯墙体，尺寸均为200 mm×200 mm×300 mm，如图1所示，从左到右依次为50 mm厚C40混凝土外叶墙、50 mm厚石墨聚苯保温板、200 mm厚陶粒聚苯颗粒混凝土内叶墙。在内、外叶墙各布置两根φ8短钢筋并穿过连接件，起到一定的锚固作用。

为测定不同形式连接件的抗剪及抗拉强度，共选取了6种连接件进行试验，分别为直径15 mm棒状连接件、20 mm棒状连接件、50 mm×25 mm×15 mm×4 mm H型连接件、40 mm×40 mm×4 mm L型连接件、50 mm×40 mm×3.5 mm槽钢型连接件、200 mm×100 mm×4mm板状连接件。其中编号含1、2的为剪切试件，编号3、4为拉拔试件，在拉拔试件左右两侧各预埋两个20吊钩，用于施加拉力，除预埋吊钩外，含相同玻璃钢连接件的剪切试件与拉拔试件构造完全相同。

浇筑前预先布置保温板、连接件、钢筋、预埋吊钩等，为保证浇筑成型后夹芯墙体各层尺寸符合预期要求，且浇筑过程中防止一侧混凝土对中间保温板产生挤压，内、外墙混凝土需同时浇筑。试件制作模具如图1所示。试件平面、剖面如图2所示。各试件分组及编号如表1所示，编号中A～F表示6种类型的连接件。

陶粒聚苯颗粒混凝土配合比如表2所示，陶粒粒径在5～10 mm之间，堆积密度450 kg/m3，聚苯颗粒为聚苯乙烯EPS发泡颗粒，粒径在2～4 mm之间，堆积密度16 kg/m3，选用P·O 42.5级水泥，减水剂为高性能聚羧酸减水剂，按照表中配比加适量水配制内叶墙陶粒聚苯颗粒混凝土。

为检验由此配合比制作的陶粒聚苯颗粒混凝土抗压强度，以及作为夹芯墙体内叶墙与玻璃纤维连接件结合是否能达到锚固要求，通过试验制作了一组150 mm×150 mm×150 mm标准试块，达到28 d养护龄期后测定其平均抗压强度，实测抗压强度如表3所示，试块荷载-位移曲线如图3所示。

2 力学性能试验

2.1 抗拉拔试验

试验共制作了12个拉拔试件，包含上述6种连接件，每种连接件制作两个构件，为了对试件施加拉力，便于观察连接件受力状态及混凝土开裂、变形情况，在外叶墙及内叶墙各预埋两个吊钩。由于内、外墙混凝土强度相差很大且厚度不同，根据两层受力情况，避免连接件未损坏而吊钩预先被拔出的现象发生，吊钩在外叶墙预埋深度30 mm，内叶墙预埋深度80 mm，试验结果表明吊钩设计埋入深度合理，未出现连接件完好而吊钩预先被拔出的情况。试件下部通过销轴穿过吊钩与底座连接固定，上部同样采用销轴与千斤顶连接通过千斤顶对构件施加拉力，试验选用100 kN的液压千斤顶，采用位移控制加载的方式来测定连接件的抗拔承载力。

2.1.2 试验现象及结果

观察不同组试件的破坏现象，分别对试件内、外墙混凝土、玻璃纤维连接件和锚固钢筋的破坏现象进行描述，并对各组试件的破坏形式进行对比分析。

加载初期玻璃纤维连接件未出现明显滑移，由于连接件表面较光滑，与混凝土之间的黏结力主要为两者之间的化学胶着力，当出现滑移以后化学胶着力消失转而由摩擦力承担。随着位移的逐渐增大，内、外墙与保温板接触面混凝土开始发生劈裂破坏，钢筋、混凝土与连接件之间因摩擦开始出现响声。加载前由于各构件之间存在初始缝隙，荷载增长较缓慢，当试验装置与试件以及试件内部混凝土、连接件完全接触后连接件及钢筋的锚固能力开始凸显，与初始阶段相比产生相同的位移需要施加更大的荷载，荷载随之迅速增长直到钢筋将连接件剪坏，连接件从混凝土内部拔出，荷载呈断崖式下跌直至归于零，夹芯墙体三层发生分离。连接件除开孔处被钢筋剪断外，表面无纤维断裂或树脂裂缝，在加载到接近极限荷载时，试件均在聚苯颗粒混凝土与保温板的接触面发生劈裂破坏。连接件被拔出后内、外墙整体保持良好，没有明显的破坏现象，试件破坏形态如图5所示。

1)槽钢型玻璃纤维连接件。含槽钢型玻璃纤维连接件的夹芯墙体试件在拉力作用下，荷载达到9.2 kN时第一次出现响声，胶着力破坏，荷载增长开始趋于缓慢，此时夹芯墙体各层相对位移较小，内、外墙混凝土表面未出现开裂现象。继续加载，荷载上升到极限值16.1 kN时,由于内墙混凝土强度较低，与连接件的锚固性能较差，此时连接件处于内墙一端被拔出，连接件开孔处被锚固钢筋切断，石墨聚苯板完全破坏，内、外墙混凝土基本完好。

2)L型玻璃纤维连接件。含L型连接件试件加载初期荷载以较快速度增长，达到4.5 kN时，由于连接件的锚固作用荷载增长趋于缓慢。随着相对位移的逐渐增大，荷载增长到13.1 kN时达到极限，此时连接件处于内墙部分被拔出，连接件与钢筋锚固部分被切断。内、外墙混凝土未发生明显破坏现象，只有与连接件接触处混凝土有部分损坏。

3)H型玻璃纤维连接件。含H型玻璃纤维连接件试件，随着施加位移的逐渐增大，拉力基本呈线性增长，荷载达到6.8 kN时试件内部出现响声，之后荷载增长速度稍微放缓，达到12.1 kN时连接件被从内叶墙一侧拔出，内墙与连接件接触处混凝土发生严重劈裂破坏，连接件损坏。

4)板状玻璃纤维连接件。板状连接件较薄，与槽钢型、L型、H型连接件相比抗拉强度偏弱，荷载线性增长到5.8 kN时有短暂下降段，荷载降至3.8 kN，之后随着位移的增大达到8.6 kN时，连接件被从内叶墙一侧拔出，只是连接件损坏，内、外墙混凝土无破坏现象。

5)棒状玻璃纤维连接件。两种棒状连接件破坏现象相似，由于表面光滑且无锚固钢筋，随着施加位移的增大荷载均呈线性增长，达到极限荷载时连接件被拔出，内、外墙混凝土完好，但棒状连接件抗拉强度均较低，与其他类型连接件相比差别较大。对比分析6种连接件，含槽钢型连接件试件极限荷载最大，拥有较好的安全储备，在抗拉性能及防止夹芯墙体发生分层，保证墙体整体稳定性方面优于其他五种类型连接件。

2.2 抗剪切试验

试验共加工了12个剪切试件包含6种连接件，每种连接件制作两个构件，除预埋吊钩外试件尺寸、材性等同拉拔试件。试验装置如图6所示，将试件内叶墙固定在台座上，外墙及保温板悬空，采用100 kN液压千斤顶对外墙向下施加剪力，仍然采用位移控制加载的方式，测定不同形式连接件的极限抗剪强度，同时观察外墙相对位移及内外叶墙保温板之间的黏结情况，试件均加载到连接件被剪段，内、外墙相互脱离为止。

2.2.2 试验现象及结果

由试验现象可见，随着加载位移的增大，连接件、混凝土、钢筋之间摩擦发出沙沙响声，连接件所受剪力也逐渐增大开始发生弯折，保温板与内墙的接触面有缝隙产生并逐渐发生分离，当达到极限荷载时玻璃纤维连接件被剪断，内、外墙完全脱离。

含槽钢型连接件试件随着施加位移的逐渐增大，荷载持续增长至16.4 kN达到极限荷载，但连接件并未完全退出工作，随着内、外墙相对位移继续增大，连接件纤维断裂严重，荷载呈下降趋势，最终连接件被剪断，荷载降为零，此时连接件发生劈裂破坏，纤维裸露，内、外叶墙完全分离，混凝土未出现明显开裂现象，如图7a所示。含L型连接件试件荷载基本呈线性增长至9.4 kN，连接件抗剪切能力削弱，之后荷载降至3.2 kN时连接件被剪断，夹芯墙体分层，如图7b所示。含H型连接件试件，荷载以较缓慢速度增长到4.2 kN，之后快速增长至13.8 kN达到极限荷载，连接件被剪断，内、外墙分离荷载降为零，如图7c所示。板状连接件明显呈脆性破坏，荷载达到4.6 kN时，连接件即被剪断退出工作，内、外墙发生分离，如图7d所示。两种棒状连接件，破坏现象基本一致，随着位移的增大，荷载呈线性增长，达到极限荷载后，连接件被剪断退出工作，抗剪切能力低于除板状外的其他三种类型连接件，如图7e和7f所示。各组试件破坏模式均为连接件被剪断，内叶墙与保温板的接触面为剪切面，破坏位置均在连接件与内叶墙相连处，内、外叶墙外表面未出现明显开裂现象，内部锚固钢筋也未出现弯折或屈服现象。对比分析6种连接件的抗剪性能，槽钢型连接件极限抗剪强度达到了16.4 kN，高于其他类型连接件，板状连接件抗剪性能最差，实际工程中应避免使用，各类型连接件极限承载力如表5所示。

同济大学薛伟辰等考虑了可靠度和环境影响系数，认为在风荷载和地震作用最不利组合条件下，单个连接件所承受的拉力荷载设计值为 1. 64 kN[13]，同济大学杨佳林，依据夹芯墙体连接件在上海市某安居工程中的应用，计算得连接件抗剪承载力设计值为1.39 kN[14]。武汉理工大学刘若楠结合沈阳惠生新城(公租房) 项目，对夹芯墙体连接件进行了各种不同工况下的验算，得到单个连接件的最不利拉力荷载设计值为 1.16 kN，剪力荷载设计值为1.99 kN[15]。槽钢型连接件极限剪切力和拉拔力达到了16.4 kN,16.1 kN，有10倍左右的安全系数，作为夹芯墙体连接件有着足够的安全储备。

3 热工试验

自1986年起，我国实施并逐步推动建筑节能工作，先后出台相关节能设计标准。目前节能工作已发展到第三阶段，在全国范围内要求建筑总节能达到65%。为配合“十二五”规划，北京市出台DB11/891—2012《居住建筑节能设计标准》，从2012年起，北京市新建、改建和扩建的居住建筑节能幅度达到75%。由于没有相关国家标准作参考，因此本文引用了北京市地方标准，选取大于等于9层的建筑外墙传热系数限值0.45 W/(m2·K)作为极限传热系数，并由此确定了该传热系数下保温板和内墙的厚度，对于传热系数限制不同的地区，可依据地方标准与图10、图11曲线相对照，选取合适的保温板及内墙厚度，如吉林省地标规定C区传热系数限值为0.40，则相应增加保温板或者内墙厚度可满足要求，本试验不局限于北京地区。

根据DB11/891—2012中有关围护结构传热系数K限值规定，大于等于9层的建筑外墙传热系数限值为0.45 W/(m2·k)。本文所选用的由50 mm厚C40普通混凝土外墙、50 mm厚石墨聚苯保温板、200 mm厚陶粒聚苯颗粒混凝土内墙，以及不同形式玻璃纤维连接件构成的夹芯墙体，其节能性能是否符合DB11/891—2012要求需进行热工性能试验。由于夹芯墙体由多种混合材料构成，无法一次测得墙体整体传热系数，因此需要先测定含不同形式连接件的陶粒聚苯颗粒混凝土标准试块导热系数，依据已知的C40普通混凝土、石墨聚苯板导热系数及厚度，按照DB11/891—2012要求计算得出夹芯墙体整体传热系数。首先由各材料导热系数，计算出各层热阻后进而得到复合墙体传热阻，得到夹芯墙体主断面传热系数值，与DB11/891—2012中对于围护结构传热系数K限值的要求进行对比。

试验首先分别测定尺寸为150 mm内含不同形式玻璃纤维连接件的陶粒聚苯颗粒混凝土试块导热系数，每种连接件制作两个标准试件。试验基本原理为在两种相同介质之间置入线热源，当两者处于热平衡时，用阶跃恒热流对线热源进行加热，线热源及其周围的被测介质就会产生温升，根据线热源的温升，就可以得到被测介质的导热系数，试件及测试方法如图8所示。通过实测导热系数值分析不同形式连接件是否会对混凝土保温隔热性能产生影响。并由已知的C40普通钢筋混凝土、石墨聚苯保温板的导热系数值，通过DB11/891—2012计算出夹芯墙体整体的传热系数值，分析新型夹芯墙体保温隔热及节能性能。C40普通混凝土导热系数由GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》取1.74 W/(m·k)，石墨聚苯保温板导热系数由生产厂家提供取0.03 W/(m·k)。陶粒聚苯颗粒混凝土导热系数测定值及夹芯墙体整体传热系数计算值如表6所示，热工测试按照GB 50176—2016进行，试验采用非稳态测试法中的瞬态热线法，该方法具有简便、快速、易于操作、精确、试验设备简单的优点，测量内容包括试件导热系数、内外表面温度及温差等。

试验采用西安夏溪TC3000E导热系数测定仪测定夹芯墙体试件的导热系数，对比分析各试件的导热系数值，由试验结果可知：含不同形式连接件及不含连接件的夹芯墙体试块导热系数没有太大差别，表明玻璃纤维作为一种低热桥的材料对混凝土导热系数几乎不产生影响，可以推广应用到夹芯墙体之中。

依据单一材料热阻式(1)求出各材料热阻：

式中：R为热阻，m2·K/W；δ为材料厚度m；λ为导热系数，W/(m·K)。

将各材料热阻求和得出复合外墙体传热阻R0，再根据R0求出复合外墙体主断面传热系数。

式中：Ri为内表面转移阻，m2·K/W，取0.11；Rn为各层材料热阻，m2·K/W；Re为外表面转移阻,m2·K/W，取0.04。

考虑热桥对外墙的影响，将式(2)、式(3)代入式(4)，得出外墙平均传热系数Km的计算式，如式(5)所示:

式中：φ为外墙主断面传热系数修正系数，取1.2。

整体装配外墙体热工计算结果如表6所示，夹芯墙体的平均传热系数小于GB 50176—2016中规定的数值，符合节能要求。

各试件传热系数计算值如表6所示。

由于材料导热系数只与材料本身性质有关，与厚度等无关联，取该配比下各组实际测定的陶粒聚苯颗粒混凝土标准试块导热系数平均值，可计算出不同厚度陶粒聚苯混凝土条件下，夹芯外墙体整体传热系数，考虑节能标准对于传热系数限值K的界定及墙板轻质效果、装配效率等，选择合理的墙体构造形式。C40普通混凝土及石墨聚苯板厚度保持不变均为50 mm，导热系数仍分别取1.74，0.03 W/(m·K)。陶粒聚苯颗粒混凝土厚度区间50～400 mm，计算各对应厚度下夹芯墙体整体传热系数(图10)，由传热系数曲线可以看出，随着保温层厚度的增大，夹芯墙体整体传热系数呈下降趋势，保温隔热性能趋于良好，DB11/891—2012中有关围护结构传热系数K限值规定，大于等于9层的建筑外墙传热系数限值为0.45 W/(m2·K)，因此在C40混凝土、石墨聚苯保温板厚度均为50 mm的情况下，使用此种配方的陶粒聚苯颗粒混凝土保温层的最小厚度为180 mm，超过该限值后保温隔热性能更好，同时建筑成本、整体重量也会增加，应根据实际情况寻求经济与轻质保温之间的平衡。

在我国南方建筑外墙一般比较薄，厚度在200 mm左右。故保证装配过程安全及墙体整体性能的前提下，保持C40混凝土厚度50 mm不变，考虑适当减小陶粒聚苯层的厚度，但随之墙体节能效果会降低，因此需要增加保温板厚度，使墙体满足DB11/891—2012对于节能幅度达到75%的要求，即整体传热系数小于0.45 W/(m2·K)。石墨聚苯保温板及陶粒聚苯内叶墙在总厚为150 mm的前提下各自厚度处于动态平衡之中，取石墨聚苯板厚度为10～150 mm的情况下，墙体整体传热系数曲线如图11所示，石墨聚苯保温板最小厚度需达到63 mm。

4 结束语

1)玻璃钢型材作为一种无冷热桥、力学及锚固性能较好、耐腐蚀、价格低廉的夹芯墙体连接件与市场上其他连接件相比有着广阔的应用前景。

2)热工试验表明：玻璃钢本身导热系数较小，在外叶墙为50 mm厚C40混凝土、中间保温板为50 mm厚石墨聚苯保温板时，采用玻璃钢型材作为连接件的夹芯墙体，整体传热系数小于0.45，满足DB11/891—2012中有关围护结构传热系数限值的要求，符合外围护结构的节能标准。

3)槽钢型连接件极限剪切力和拉拔力分别达到了16.4 kN和16.1 kN，有着10倍左右的安全系数，显著高于其他五种类型连接件，用作文中所述预制夹芯墙体连接件有着足够的安全储备。因此在采用此种夹芯墙体作为外墙挂板的建设工程中可考虑使用文中槽钢型连接件。

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