高性能多功能一体化复合墙板连接设计与性能研究

程宝军，麻鹏飞，史博元，康升荣

（中建西部建设建材科学研究院有限公司，四川 成都610064）

0 前言

预制墙板是装配式建筑的基本围护构件。由于外墙叶暴露在外，预制墙板应具有防水、防污以及耐用美观等多个功能。预制墙板作为建筑物的围护构件，体积大、外露面积大，会受到各种外部作用。除了在制作、翻转、吊运等过程中受力外，使用中也受到风荷载、地震等多方面作用。因此，对墙板的静力学性能开展研究具有重要意义。预制复合夹芯外挂墙板主要由外叶、夹芯层、内叶三部分组成，分别起到饰面、保温、结构作用，如图1所示，三者间通过专用连接件进行连接。作为预制复合夹芯外挂墙板中的关键部件，连接件对保证墙板内外叶共同工作具有重要作用，其力学性能将直接影响到墙板的安全性、适用性和耐久性[1]。

图1 复合外挂墙板构造

近年来发展的超高韧性水泥基复合材料（Engineered Cementations Composites，ECC）是将水泥基材料与纤维增强增韧技术相结合，具有高强度、高耐久性，在较高抗压强度前提下大幅提高材料的抗拉、抗裂强度[2]。高性能多功能一体化外挂墙板通过反打、转印等方式实现外挂墙板的饰面层，实现装饰、保温、围护一体化设计。由于复合夹芯墙板外墙叶中纤维掺入，有效提高了其抗剪性能，增强了抗疲劳、抗冲击和耐久性能，使围护结构具有较好抗震耗能能力[3]。本文围绕该新型墙板的关键技术问题进行分析和探讨。

1 构造设计研究

1.1 高性能多功能一体化复合墙板标准板构造设计

高性能多功能一体化复合墙板标准板构造设计为100 mm高性能薄壁大空腔壳体+多功能芯体[见图2（a）]。其中，高性能薄壁大空腔壳体采用高韧性水泥基复合材料：水泥为P·O42.5R普通硅酸盐水泥，硅灰为半加密硅灰，粉煤灰为优质Ⅰ级灰。多功能芯体可根据实际需求采用不同保温材料[4]。图2（b）为高性能多功能一体化复合墙板标准板，其多功能芯体采用改性聚苯颗粒泡沫混凝土：发泡剂改性所用纳米材料包括疏水纳米SiO2、碳酸钙晶须，其中疏水纳米SiO2为江苏天行新材料有限公司的TSP-L12，碳酸钙晶须来自东莞市汉腾塑胶有限公司。墙板外侧为饰面层，其装饰效果多样，可定制纹路实现自装饰。

图2 高性能多功能一体化复合墙板构造

标准板之间的拼缝防水采用材料防水为主、构造防水为辅的防水方案，在墙板接缝处设置企口坡度，并在企口中间采用连接砂浆，企口接缝内、外侧用耐候胶处理，防止水汽进入板缝向室内流动渗透，如图3所示。

图3 标准板之间的拼缝防水方案

1.2 定制化外墙构造设计

针对高性能多功能一体化复合墙板标准板，本文提出定制化外墙构造。定制化外墙是通过轻型型钢与螺栓将标准板拼接而成，且根据不同地区的建筑节能要求以及应用场景，调整标准板中的多功能芯体与外墙构造使其满足实际需求[5]。

依据GB/T 50189—2019《公共建筑节能设计标准》中外墙传热系数K，将定制化外墙分为2类[6]，即K≤1 W/（m2·K）（夏热冬冷地区公共建筑外墙传热系数要求）与K≤0.5 W/（m2·K）（严寒地区公共建筑外墙传热系数要求）。定制化外墙传热系数K≤1 W/（m2·K）的构造设计为5块100 mm×600 mm×3000 mm的标准板（100 mm高性能薄壁大空腔壳体＋改性聚苯颗粒泡沫混凝土芯体）通过型钢拼接而成[如图4（a）]；定制化外墙传热系数K≤0.5 W/（m2·K）的构造设计为外侧采用100 mm×600 mm×3000 mm的标准板（100 mm高性能薄壁大空腔壳体＋改性聚苯颗粒泡沫混凝土芯体），中间填充35 mm岩棉，内侧使用纸面石膏板，其中岩棉采用钢丝网固定，纸面石膏板通过连接件与型钢连接[如图4（b）]。

图4 定制化外墙的构造

定制化外墙之间的拼缝防水同样采用材料防水为主、构造防水为辅的防水方案。在上下墙板接缝处用PE条封堵，接缝内外侧均用耐候胶处理，防止水汽进入板缝向室内流动渗透。

2 连接节点设计研究

2.1 标准板之间拼接设计

在墙板内侧的高性能薄壁大空腔壳体上预埋定制螺帽（如图5），通过预埋定制螺帽可避免开孔时产生应力集中，减少人为操作误差，提高定位精度，同时能够在墙板任意尺寸预埋[7]。标准板拼接时，在每块标准板的两端各预埋2个定制M18螺帽，用于固定连接其两端型钢，如图6所示。

图5 定制螺帽结构示意

图6 预埋定制螺帽

依据GB/T 51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》相关规定，为保证外挂墙板多遇地震下正常使用的性能目标，接缝处的密封材料不应损坏；为保证外挂墙板在罕遇地震下不脱落的性能目标，板间接缝宽度应足够大。由现有的外挂墙板系统可知：板间接缝宽度不小于15 mm，且不宜大于35 mm，对于密封材料厚度建议不小于8 mm，且不宜小于缝宽的1/2[8]。结合标准板的相关尺寸，取板间接缝宽度为15 mm。同时，在标准板拼接型钢上开椭圆孔，以便于控制板间接缝。

2.2 定制化外墙的连接节点设计

外挂墙板通过钢连接组件与主体结构采用四点简支连接，外挂墙板所受水平荷载主要考虑自身重心偏移造成的水平力、风荷载以及水平地震力[9]。节点采用均布荷载简支连接形式，外挂墙板的节点均为加宽型Z型连接件。外挂墙板节点通过预埋Z型连接板与连接组件连接，为提高连接板的水平向抗拉拔能力和竖向抗滑移能力，Z型连接板通过锚固钢筋与钢板焊接后预埋在主体结构内；Z型钢板焊接在型钢上。定制化外墙的连接构造如图7所示。

图7 定制化外墙的连接构造设计

3 性能试验

3.1 抗弯性能

预制混凝土外挂墙板主要考虑风载荷与地震载荷对其造成的变形破环，基于此，开展了墙板的静力试验，对高性能多功能一体化复合墙板标准板在平面外荷载作用下的极限荷载开展研究。具体实验方法参照GB/T 30100—2013《建筑墙板试验方法》。

抗弯试验采用均布加载的试验方法，试件两端采用简支的形式，试验中标准板的多功能芯体采用改性聚苯颗粒泡沫混凝土。在板材中间位置前后及两端正中位置各放置1个千分表，测试在逐级加载过程中的板中挠度。加载制度为：空载静置2 min，之后不少于5级施加荷载，每级荷载为20 kg，由两端向中间均匀加载，前4级每级加载后静置2 min，第5级加载至板重的1.5倍后静置5 min。按照上述方式加载直至板破坏或产生明显裂缝，记载断裂前1级荷载为最终试验结果。采取上述加载制度，将养护至28 d龄期的标准板进行3次抗弯试验，极限抗弯荷载试验如图8所示，测试结果如表1所示。

表1 极限抗弯荷载试验

图8 极限抗弯荷载试验

由表1可知，多功能芯体为改性聚苯颗粒泡沫混凝土的高性能多功能一体化复合墙板标准板的面密度≤75 kg/m2，极限抗弯荷载最小为2333 N/m2，最大挠度均在12 mm左右，抗弯破坏荷载/板自重倍数均＞3倍，满足预制混凝土外挂墙板抗弯性能要求。

3.2 抗弯数值模拟

为了进一步研究墙板的受力性能，特别是了解生产过程中一些产品缺陷对受力性能的影响，本节运用ANSYS对3.1部分墙板平面外均布荷载试验进行数值模拟。根据基材性能试验，保守地取值：抗压强度80 MPa，轴拉强度4.5 MPa，弹性模量38 GPa，密度2000 kg/m3，泊松比0.25，开放裂缝传力系数0.375，38 GPa闭合裂缝传力系数0.95，网格边长10 mm，抗压试验应力-应变如表1所示。

表2 墙材基材抗压曲线

墙板约束条件如图9，本质上是3.1均部弯载试验。

图9 墙板约束条件

利用ANSYS建模如图10，共划分52 500个单元，经检验所有单元都具有较高质量（没有任何单元出现形状异常的警告或错误），拉应力分布如图11，压应力分布如图12，墙板受压失效荷载为3.598 kPa。与数值模拟结果相比，试验所获得的墙板抗弯载能力偏小，证明在实际生产中还存在细微的产品缺陷，使得墙板受力性能受到影响。

图10 ANSYS模型

图11 拉应力分布

图12 压应力分布

3.3 热工性能计算及验证

建筑内围护墙作为建筑围护结构的重要组成部分，不仅应满足相应的力学性能要求，也要使外挂墙板自身的保温隔热构造系统符合建筑物建筑节能设计对外墙的传热系数要求。因此，依据GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》研究了高性能多功能一体化复合墙板标准板的传热系数，多功能芯体为改性聚苯颗粒泡沫混凝土的标准板传热系数为0.77 W/（m2·K），其传热系数测试设备为WTRZ-稳态热传递性能试验机。根据GB 50189—2019《公共建筑节能设计标准》，多功能芯体为改性聚苯颗粒泡沫混凝土的标准板在厚度为100 mm基础上达到了夏热冬冷地区公共建筑外墙传热系数的标准要求。

针对多功能芯体为改性聚苯颗粒泡沫混凝土的高性能多功能一体化复合墙板标准板进行热工理论计算研究。在墙板热工理论计算中，主要用传热组R0、传热系数K评价墙板的保温隔热性能[10]。

（1）热阻计算

热阻R是评价墙板本身或其中某层材料阻抗传热能力的物理量。传热阻R0是评价墙板阻抗传热能力的物理量，其为传热系数K的倒数。

本研究中高性能多功能一体化复合墙板标准板为由2种或2种以上材料组成，两向非均质围护结构（包括各种形式的空心砌块、填充保温材料的墙体等）平均热阻由式（1）计算：

F0——与热流方向垂直的总传热面积，m2；

F1、F2…Fn——按平行方向与热流方向划分的各个传热面积，m2；

R0.1、R0.2…R0.n——各传热面积部位的传热阻，（m2·K）/W；

Ri——内表面换热阻，取0.11（m2·K）/W；

Re——外表面换热阻，取0.04（m2·K）/W。

整个墙板的传热阻R0由式（2）计算：

（2）传热系数计算

传热系数是评价墙板保温性能的重要指标，空心墙板和填充不同密度等级的复合墙板的传热系数K由式（3）计算：

根据热工性能计算理论[11]，计算出多功能芯体采用改性聚苯颗粒泡沫混凝土的标准板热阻为1.323（m2·K）/W，传热系数为0.756 W/（m2·K）；构造设计为标准板（100 mm高性能薄壁大空腔壳体+改性聚苯颗粒泡沫混凝土芯体）+35 mm岩棉+纸面石膏板的热阻为2.079（m2·K）/W，传热系数为0.481 W/（m2·K）。此结果与标准板的传热系数实测值0.77 W/（m2·K）的误差为1.8%，理论值与试验值较为接近。

4 结语

（1）高性能多功能一体化复合墙板体系与主体结构相对独立，构件与功能构造相对独立，构件标准化、模数化，并实现预制装配式化，构造上灵活多变，可实现多种组合，同时构造多种组合可满足不同气候区、不同节能设计标准的要求。

（2）研发了适用于高性能多功能一体化复合墙板体系的连接节点、拼接防水等构造，提高了安装效率，并可很好地满足保温、防水等要求。

（3）高性能多功能一体化复合墙板整体力学性能优异，面密度≤75 kg/m2，极限抗弯荷载最小为2333 N/m2，最大挠度在12 mm左右，抗弯破坏荷载/板自重倍数均＞3倍；多功能芯体为改性聚苯颗粒泡沫混凝土的标准板传热系数为0.77 W/（m2·K），符合建筑物建筑节能设计对外墙的传热系数要求。

（4）对复合墙板壳体受力进行数值模拟，得出均布弯载与试验结果相吻合，验证了材料在数值模拟中的各项性能参数，为墙材的实际应用提供了理论支撑。