预制夹芯保温墙体棒状FRP 连接件力学性能试验研究

郝雨杭，付素娟，匡田，郭佳伟

（1.河北建研科技有限公司，河北 石家庄 050227；2.河北省建筑科学研究院有限公司，河北 石家庄 050227；3.河北省绿色建筑产业技术研究院，河北 石家庄 050227；4.河北省装配式住宅工程研究中心（筹），河北 石家庄 050227；5.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000）

0 引言

在我国的居住建筑能耗中，采暖和空调所消耗的能源占到建筑总能耗的65%[1]。建筑保温主要依靠于外围护结构，提高建筑外墙的保温性能将成为减少建筑能耗的有效途径之一[2]，超低能耗预制夹芯保温墙体结构是目前主流发展方向。夹芯保温墙体依靠内部连接件将内外叶混凝土板连接起来形成整体，FRP 材料因其优越的隔热性能在预制夹芯保温墙体中应用广泛[3]。FRP 材料导热系数低至0.2～0.4 W/（m·K），能有效防止建筑内部的热量通过外墙体流失掉[4]。同时，连接件作为墙体结构主要受力部件，要承受外叶墙的自重、外叶墙所受的风荷载和地震作用等，需要保障内外叶混凝土板整体稳定性[5]。因此，研究预制夹芯保温墙体内部FRP 连接件的受力性能具有重要意义。本研究通过对不同连接件截面尺寸、不同混凝土强度的FRP 连接件试件进行抗拔和抗剪试验，研究FRP 连接件的力学性能。

1 FRP 连接件力学性能试验

1.1 连接件抗拔试验

1.1.1 试件设计

参考JG/T 561—2019《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》，设计FRP 连接件在单调荷载作用下的抗拔试验。本次抗拔试验中，根据连接件截面尺寸、混凝土强度共设计了27个试件，试件参数如表1 所示。

表1 螺旋形连接件抗拔试件参数

为了防止在试验过程中混凝土过早发生劈裂破坏，在试件两侧混凝土块内布置双层钢筋网片，并预埋斜拉钢筋与钢拉杆，具体布置及钢筋选用见图1。本次力学性能试验选用的棒状FRP 连接件见图2，制作现场如图3。拉杆埋深75 mm，拉杆钢筋与预埋筋的连接采用双面焊的形式进行连接（60 mm），预埋筋一端的弯曲角度为135°。试件中布置1 个连接件，连接件两端带锚头的部分直接浇筑到两侧混凝土中，锚固深度为40 mm。

FRP 连接件的基本力学性能由连接件厂家提供，具体数值如表2 所示。混凝土试块的性能试验在制作力学试验试件的构件厂实验室完成，等级分别为C25、C30 及C35 的混凝土标准立方体试块抗压强度均达强度要求。

表2 FRP 连接件材料力学性能

1.1.2 试验加载

抗拔试验采用电液伺服万能试验机进行加载，混凝土之间的相对位移由试验机测得并记录，试验过程中对试件施加连续均匀的拉拔力，试验机加载设置为位移控制，加载速度为1 mm/min，当达到极限承载力时试验机自动停止加载。

1.2 连接件抗剪试验

1.2.1 试件设计

本抗剪试验参照JG/T 561—2019 中对连接件抗剪试验的要求，设计直径分别为16、18、20 mm 的FRP16、FRP18、FRP20 各2 组共6 个抗剪试件，进行在单调作用荷载下的双剪切试验。

抗剪试件的设计如图4 所示，由3 层混凝土板和2 层保温层构成，保温层选用挤塑板，试件制作现场见图5。混凝土板均采用C30 混凝土浇筑，内叶混凝土板内配制双层钢筋网，间距为200 mm；外叶混凝土板则配制单层钢筋网，间距150 mm。为避免扭转，每个试件采用8 个连接件，连接件间距400 mm，连接件采用螺旋型连接件。

1.2.2 试验加载

本试验的设备主要包括试验机、1 个加载梁及2 个支座。在施加荷载过程中，为了保证抗剪试件内叶混凝土板上表面均匀受力，同时避免由偏心竖向荷载导致构件失稳，试验时应将分配梁和内叶混凝土板顶面两端对齐。本试验通过位移控制进行加载，加载速率为2 mm/min，当抗剪构件达到极限承载力时试验机自动停止加载。

2 连接件力学性能分析

2.1 连接件抗拔性能分析

2.1.1 试验现象

抗拔试件均因连接件端部混凝土发生破坏而失去承载力，去除保温层材料可明显观察到混凝土与保温层接触的一面均已出现裂缝或发生劈裂破坏，裂缝从连接件锚固混凝土处向四周延伸，如图6 所示。当试件失去承载力时，连接件本身均未发生破坏，且连接件未从混凝土中拔出。

2.1.2 试验数据分析（见表3）

表3 抗拔试件试验数据

由表3 可知，在所有抗拔试件中最小极限承载力为21.38 kN，约为荷载设计值的12 倍，表明试件的极限承载力可以满足荷载要求，具有较高的安全储备；当连接件直径相同时，试件抗拔承载力随混凝土强度的提高呈现增长的趋势。试件FRP-R18C25 与试件FRP-R18C35 强度偏低，推测主要与构件浇筑过程的操作有关；当混凝土强度相同的情况下，试件承载力随着连接件直径的增加也表现出增长的趋势，但是增长的幅度较小。对比试件FRP-R18C25 与试件FRP-R20C25，2个试件承载力相差不大，推断当混凝土达到一定强度时，连接件直径对抗拔承载力影响较小。

（1）承载力分析

根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》和JGJ 133—2013《金属与石材幕墙工程技术规范》计算，墙体由风荷载和水平地震荷载引起的抗拔荷载设计值为1.74 kN。JC/T 2504—2019《装配式建筑预制混凝土夹心保温墙板》中，对预制混凝土夹芯保温墙板内、外叶墙板连接的承载力提出了要求，如表4 所示。

表4 FRP 拉结件的连接承载力要求

（2）位移分析

当连接件直径相同，混凝土强度增大时，虽然承载力也在相应增加，但是2 块混凝土之间的位移也在增大。因此，在对墙体FRP 连接件进行抗拔设计时，也应该对位移进行验算。从试验数据可以看出，随着连接件截面尺寸的增大，试件两侧混凝土相对位移可能增大也可能减小，试件混凝土的相对位移与连接件截面尺寸之间没有发现明显的关系。

2.2 连接件抗剪性能分析

2.2.1 试验现象（见图7）

由图7 可知，抗剪试件在发生破坏时，连接件中间部位出现通长裂缝，破坏形式均为连接件发生层间剪切破坏，且内、外叶混凝土板的相对位移较大。内、外叶混凝土板整体保持良好，混凝土本身没有明显的破坏现象，只是在外叶混凝土板下侧受压部分出现轻微的破坏，连接件锚固处混凝土未发生破坏。

2.2.2 试验数据分析

（1）承载力分析

根据GB 50009—2012 和JGJ 133—2013，考虑风荷载及地震荷载最不利组合，连接件的抗剪荷载设计值为2.3 kN，试验具体数据见表5。试件极限承载力与荷载设计值进行对比，直径为16、18、20 mm 时试件的平均承载力分别为9.3、14.1、17 kN（剔除FRP20-2 异常数据），安全系数均大于4，表4 中虽无对应保温层厚度选项，但可见三类直径的FRP 连接件抗剪承载力均高于规定中最高要求。

表5 抗剪试件试验数据

（2）位移分析

根据标准AC320《锚固于混凝土中的纤维加固复合连接器验收标准》相关规定，由竖向作用力引起的内、外叶混凝土板相对滑移量不得超过2.54 mm，以保证墙体的接缝性能不受影响。各抗剪试件达到荷载设计值时，连接件直径分别为16、18、20 mm 的内、外墙体相对位移平均值分别为5.16、3.46、2.23 mm。仅当连接件直径为20 mm 时，可以满足墙体的相对滑移限值。由各抗剪试件的试验数据可知，连接件的抗剪强度较低，内、外叶墙体产生的相对位移较大。

试验机所记录的荷载位移曲线如图8 所示。

从图8 可以看出：在抗剪试件的整个试验过程中可分为3个受力阶段：（1）弹性受力变形阶段，整个试件所承受的施加力与内、外叶混凝土板相对滑移基本呈现线性变化的关系；（2）非线性增长阶段，随着荷载的不断施加，连接件嵌入到混凝土部分首先出现细小裂纹，试件相对变形不断增大，连接件的中间部位开始出现裂缝，荷载增长幅度开始变小；（3）破坏阶段，随着试验机不断施加至抗剪构件的最大荷载承受值，试验机自动卸力，试件完全失去承载能力。

3 结论

（1）FRP 试件抗拔试验中，破坏形式均为混凝土出现裂缝或劈裂，FRP 连接件均未拔出，抗拔试件的极限承载力均符合规范要求。经对比，FRP 连接件预制夹芯墙体的抗拔性能主要受混凝土强度的影响。

（2）FRP 试件抗剪试验中，试件抗剪性能较差，内、外叶墙板易出现过大相对位移。当试件的混凝土相对位移为规范限值2.54 mm 时，FRP 连接件直径为16、18 mm 的试件承载力均小于荷载设计值。只有连接件直径为20 mm 时，试件承载力及墙体间的位移符合规范的设计要求。

（3）进行超低能耗夹芯保温墙体内部FRP 连接件设计时，当保温层厚度较大时，应考虑由竖向荷载引起的弯矩对其抗剪性能产生的影响，建议提高采用FRP 连接件的预制夹芯墙体的抗剪承载力安全系数。