金属拉结件在预制混凝土夹心保温外墙板中的应用

文/力维拓（中国）建筑科技有限公司 曹海山

0 引言

装配式混凝土建筑在我国的应用日渐广泛，国家标准、行业标准及各地方标准中也有较系统和完整的技术要求。但在应用过程中，仍出现各种共性的技术问题。

在此背景下，三明治夹心墙板在超低能耗建筑中的应用成为可能，这是目前应用于装配式+超低能耗外围护构件的重要选项。1969—1978年德国卡尔斯鲁厄大学的乌泰舍教授在德国多本权威期刊的多篇论文奠定了三明治夹心墙板设计和验算的理论依据。

预制混凝土夹心保温外墙板由位于建筑外表面的外叶墙板、中间的保温层和内侧的内叶墙板组成，形成“三明治”结构，俗称三明治外墙板。其可用于装配式建筑的承重或非承重外围护墙，相较传统的外保温方式，其耐久、防火性能较好，可实现结构保温装饰一体化。穿过保温层将内、外叶墙板连接在一起的配件称为夹心保温拉结件。拉结件用以连接外叶层混凝土与内叶层混凝土，并将外叶层的荷载、作用等长期传递至内叶层及主结构中，满足建筑造型、节能保温等需求。

在我国拉结件市场上，国外产品应用较多，国内以引进和吸收国外技术为主，自主创新和深入研究不足。拉结件设计在深化设计阶段普遍由厂家进行设计制作；产品厂家采用的设计方法不公开、不透明，设计时常采用国外标准，存在与国内标准的衔接问题。各类产品的设计方法和安全水准不统一；拉结件性能要求及设计方法不完善。部分拉结件受力状态与预期不符，存在安全隐患；拉结件安装质量控制不好，影响拉结件性能的发挥；缺乏统一技术标准，各类产品开发缺乏依据，产品质量不一。

若拉结件应用不当，夹心保温外墙板的优势无法充分发挥，甚至变为劣势；若外叶墙板有脱落可能，其危险性远大于普通的外保温系统脱落。对于夹心保温墙板中的拉结件系统的深入研究及制定技术标准是重要工作。

1 拉结件分类

拉结件可从受力性能和材料2个角度进行划分。

1）受力性能 可分为完全组合式、非组合式和部分组合式。拉结件连接的强弱决定了夹心保温外墙板的受力性能：当连接较强时，内、外叶墙板通过拉结件可完全协同受力，称为“完全组合式”，此时墙板内外叶共同受力，刚度和承载力大，但在温差、混凝土收缩等作用下，内、外叶墙板彼此约束，无法有效释放应力，导致墙板发生开裂或严重变形；当连接较弱时，内、外叶墙不协同受力或协同受力能力较弱，设计中一般认为由内叶墙板单独承受所有内力，外叶墙板的荷载通过拉结件及保温层传递到内叶墙板上，称为“非组合式”，此时内、外叶墙板可独立变形；当连接强度介于二者之间时，夹心保温外墙板受力处于完全组合式和非组合式之间，称为“部分组合式”，其计算复杂，难以准确衡量其组合程度和受力性能，一般需通过试验或根据经验进行设计。组合程度较高时，拉结件一般采用连续的桁架形式；组合程度较低时，一般采用点状分布的金属或FRP等非金属拉结件。

2）材料 可分为金属拉结件和非金属拉结件，金属拉结件主要采用不锈钢材质，非金属拉结件主要采用玻璃纤维增强复合材料（FRP）。不锈钢拉结件的形式主要有筒式、板式、夹式、针式、桁架式，其中针式拉结件主要用于受拉，起限位作用，称为限位拉结件，其余拉结件均可同时用于受拉和受剪，主要起支承作用，称为支承拉结件。不锈钢拉结件系统一般由竖向支承拉结件、水平支承拉结件和若干个限位拉结件组成，按支承拉结件不同，可分为筒式拉结件系统、板式拉结件系统、夹式拉结件系统、桁架式拉结件系统，其中对桁架式拉结件系统，可仅布置桁架式拉结件。不锈钢拉结件的优势为安装工艺相对简单、安全性较高，但材料导热系数较大，对夹心保温外墙板的热工性能存在不利影响。FRP拉结件包括杆式、板式，导热系数小，产生的热桥影响小，对夹心保温外墙板的热工性能影响小，当保温厚度较大时，采用杆式拉结件不经济，需同时采用板式拉结件；在保温厚度较小时，杆件抗剪刚度较大，不利于外叶墙板在温度、收缩作用下的自由变形，此外其锚固性能受安装工艺及质量影响较大。

拉结件的受力与夹心保温外墙板所处阶段和工况有关，包括生产运输、施工安装和使用阶段，需考虑自重、风荷载、温度、地震、混凝土收缩作用等。单个拉结件的受力状态包括受拉、受剪、受压、拉剪复合、压剪复合等。夹心保温外墙板中一般布置多个拉结件，形成拉结件系统，以抵抗上述作用，满足受力要求。

由于非组合式夹心保温外墙板可有效释放温度应力，且受力明确、便于设计，因此我国目前装配式建筑中基本采用非组合式夹心保温外墙板。在非组合式夹心外墙板中，不锈钢拉结件便于安装，价格合理，可靠性更高。经多年实践和市场选择，板式拉结件系统是市场的主流形式。

2 拉结件布置

2.1 布置分类

承重拉结件一般对称布置，竖向承重拉结件承受竖向荷载，包括外叶板、装饰面和保温板的重量；水平承重拉结件承受平面内地震荷载、运输安装、风荷载和平面内温度应力。

限位拉结件一般在外叶板内均匀布置，相隔间距为200～1200mm，实际间距应以计算为准，限位拉结件承受平面外地震荷载、风荷载和平面外温度应力（见图1）。

图1 拉结件布置

2.2 受力模式

拉结件的计算一般基于有限元原理，需考虑荷载外叶板、装饰面、风荷载和模具黏结力，工况方面包括持久设计状况、地震设计状况、脱模验算和运输安装。此外还需注意温度应力和混凝土干燥过程中引起的收缩徐变及外叶板的平面膨胀和翘曲。

预制构件必须验算短暂设计状况下的承载力，原因是：在制作和施工过程中的荷载、受力状态和计算模式经常与使用阶段不一致；预制构件的混凝土强度在此阶段尚未达到设计强度。预制构件在翻转、运输、吊运、安装等短暂设计工况下的施工验算应乘以相应的动力系数；预制构件在脱模验算时，自重乘以动力系数后还应加上脱模吸附力，脱模吸附力应根据构件和模具的实际状况取用。脱模时应保证混凝土立方体抗压强度不小于15N/mm2。减小脱模吸附力的方法：对于带槽、带肋等有侧模的构件，其侧模宜在脱模前拆除；当薄板可采用翻转脱模或气压法、预顶法、振动法等方式时，模板和构件表面松脱后再脱模；模具应清理干净，不应具有锈或混凝土垢等杂物；选用质量好的脱模剂；起吊速度应均匀且不宜过大；合理设置吊点。

夹心板构件常出现翘曲，尤其是长度超过6m的大夹心板更易受变形的影响。收缩在混凝土干燥过程中产生，这种干燥从外向内进行，导致夹心板构件的内层和外层在不同方向上翘曲。表面干燥越快，内部干燥越慢，翘曲越明显。为防止混凝土干燥过快，应保持一定的湿度进行养护，并使用吸水能力较低的保温层。采用混凝土技术（外加剂等）可降低混凝土的收缩并将产生的不利影响降至最小。

随着温度的快速升高，相对于靠近保温层的未暴露面，饰面层的外表面变形更大。冬季直射阳光可能导致翘曲。夏季突发性雷雨使表面突然冷却，会导致饰面层收缩。可通过采用浅色饰面层和减小饰面层的厚度降低此影响。

3 应用介绍

拉结件在预制夹心墙板中的布置流程（反打法）。

1）在外叶钢筋网上定位并放置对应型号的片状拉结件。

2）安装附加钢筋，并按照图纸确定针状拉结件位置，进行安装固定。

3）外叶混凝土板浇筑前，核对图纸检查拉结件型号、数量、方向、埋深等。

4）在外叶混凝土初凝前安装保温板，安装完成后将倾斜拉结件扶正，保证垂直度要求。

5）布设内叶钢筋网片，安装附加钢筋。

6）内叶混凝土浇筑前核对图纸，再次检查拉结件型号、数量、方向、埋深等。

实际应用中还存在正打法和立模制作等制作方式，情况较复杂，如出现异形板、PCF悬挑板、飘窗等情况。而拉结件的布置也受限于内叶钢筋位置、窗边墙尺寸和减重块等。在此总结以下原则。

1）异形板存在悬挑，综合考虑保温厚度、悬挑长度、高度、利用率等，确定是否增加承重拉结件。

2）当存在对称的PCF悬挑板，且宽度在650mm以内时，可仅放竖向承重拉结件。

3）尽量避开减重块。

4）外叶带悬挑飘窗，悬挑突出部分四周均需增加承重拉结件。

在拉结件布置过程中还需注意：保温板在铺到混凝土上后不得被划破；拉结件穿过隔热板垂直插入底层混凝土层，直至层底，最大允许向后拉回；拉结件插入混凝土应为初凝状态，以确保混凝土可以很好地包裹固定住锚固件；锚固件在底层混凝土中的长度至少达55mm；拉结件必须探出隔热层至少50mm；无论是浇筑或压实混凝土，底层混凝土层中的锚固件均不得发生位移；脱模时预制厂应采取措施减小脱膜吸附力。钢筋混凝土墙板的运输、仓储和安装应满足规范要求。

4 结语

针对夹心保温拉结件技术，后续仍存在有待深入研究的问题，需全行业共同解决。从设计角度看，应注意夹心保温墙板及拉结件系统在墙板受温度作用及混凝土收缩作用时的受力变形肌理；从施工角度看，预制工厂的工人技术能力和施工现场对于PCF墙板的安装精度有待提高，管理模式有待健全；拉结件需统一设计及进行性能检测要求，从而为行业提供安全合理、经济适用的拉结件产品，促进装配式建筑的健康发展。