不同弯折角度热阻断拉结件弯拉性能试验研究

袁 琦，杨艳敏*，王秀丽，谢晓娟，李靖谕，高 远，邹毓喆

1吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118 2吉林省建筑科学研究设计院,长春 130011

0 引言

上世纪80年代,高强复合材料技术开始兴起,由于玻璃纤维复合材料强度高、导热系数低、弹性和韧性好,用于制造保温拉结件.Thomas G.Norris等[1]人通过对8块由纤维增强塑料(FPR)拉结件组成的夹芯板进行弯曲试验和有限元分析,得出FPR拉结件可以作为剪切拉结件的结论.蒋庆等[2]人利用十字形截面玻璃纤维复材拉结件对6块夹芯保温外墙板进行静力受弯试验和组合度计算分析,得出拉结件间距减小能够提高受弯试件极限承载力,数量增加使承载力组合度增加.目前存在普通拉结件难以降低热桥效应问题,研究多是玻璃纤维复材拉结件布置数量及间距对夹芯墙板弯拉性能影响,对热阻断拉结件弯折角度影响夹芯墙板力学性能研究较少.

本文设计玻璃纤维套筒热阻断拉结件将金属与非金属材质结合,能有效降低热桥效应，同时具有较强抗剪能力.制作拉结件弯折角度分别为70°,90°及110°的单元板试件,对各试件进行弯拉试验,总结分析其承载力及破坏过程,为轻质夹芯墙板设计提供依据.

1 试验概况

1.1 材料特性指标

通过热阻断直筋拉拔试验,选用开孔直径7.5 mm,粘结长度55 mm的玻璃纤维套筒.经测量,非烧结粉煤灰陶粒堆积密度为751 kg/m3,筒压强度7.96 MPa,轻质混凝土采用亚泰P·O42.5级水泥,按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)[3]，选用非烧结粉煤灰陶粒LC30轻质混凝土,配合比见表1.

表1 非烧结粉煤灰陶粒LC30轻质混凝土配合比Table 1 Mix ratio of LC30 non-sintered fly ash ceramsite concrete (g·L-1)

1.2 试件设计与制作

将钢筋桁架斜杆中部截断,两头插入套筒内,使用高性能环氧类结构胶粘接,组成热阻断桁架型拉结件,如图1所示,玻璃纤维套筒如图2所示,3种拉结件尺寸设计如图3所示.

图1 玻璃纤维套筒热阻断拉结件Fig.1 Glass fiber sleeve heat blocking connector

图2 玻璃纤维套筒Fig.2 Glass fiber sleeve

FKL1 FKL2 FKL3图3 玻璃纤维套筒拉结件设计图Fig.3 Design drawing of glass fiber sleeve connectors

内、外叶板采用LC30轻质非烧结粉煤灰陶粒混凝土,中间保温层采用挤塑式聚苯乙烯隔热保温板(XPS).墙板总厚200 mm,内外叶板均为55 mm,中间保温板厚90 mm.在拉结件拐点处布置200 mm长HRB400级短筋,试件尺寸及内、外叶板钢筋网片布置如图4所示,试件主要参数见表2.试件制作过程为布置钢筋网及拉结件、浇筑内叶板、放入泡沫保温板、浇筑外叶板.

热阻断拉结件钢筋网布置

1-1截面图

FKL1

FKL2

FKL32-2截面图图4 弯拉试件尺寸及钢筋网布置Fig.4 Size of flexure specimen and arrangement of steel mesh

表2 试件主要参数Table 2 Main parameters of specimens

1.3 加荷与观测方案

试验采用自制加载装置,利用10 t数显液压千斤顶加载,按1 kN/级加载,每级持荷1 min,直至试件破坏,弯拉试验装置如图5所示.

(a) 正面图 (b) 加载装置安装图5 弯拉试验装置Fig.5 Bending and tensile test device

为测量内外叶板竖直方向的相对位移,位移计测点布置如图6所示.测量拉结件两侧及中间钢筋应变变化规律时,由于在加载过程中拉结件拐点处先破坏,需将应变片贴在拉结件钢筋受拉侧并远离拉结件拐点处,应变测点布置如图7所示.

图6 位移计测点布置Fig.6 Layout of displacement measurement points

图7 应变测点布置Fig.7 Layout of strain measuring point

2 试验结果分析

2.1 破坏形态分析

各试件试验现象描述见表3,破坏形态如图8所示.

表3 各试件试验现象Table 3 Each specimen test phenomenon

FKL1 FKL2 FKL3图8 布置短筋试件破坏形态Fig.8 The failure mode of the specimens with local short bars

最终破坏现象均为拉结件拐点处混凝土被拉脱,短筋一端被完全拔出.试件其他位置破坏不明显,故具有一定整体性.由图8可以看出,随拉结件弯折角度增加,试件混凝土破坏面积增大.

2.2 荷载-位移曲线分析

不同弯折角度拉结件荷载-位移曲线如图9所示.由图9可知,加载过程中拉结件弯折90°试件出现明显的两次荷载峰值[4].加载初期, 曲线近似线性上升,拉结件处于弹性阶段,达到第一次荷载峰值;继续加载,拉结件拐点处混凝土受拉出现裂缝并不断发展,曲线呈下降趋势;随着混凝土完全破坏,由拐点处布置的短筋承受弯拉荷载,曲线出现第二次荷载峰值;加载直至短筋一端被拉脱,试件丧失承载力,曲线再次下降达到最大位移标志试验结束.混凝土开裂引起二次荷载峰值变化,由于拉结件弯折70°试件受荷载作用开裂后变形小,故荷载峰值不明显,且两次荷载峰值相距较远,最终破坏时相对位移最大.拉结件弯折110°试件受荷变形时延性较差,两次荷载峰值较近,极限承载力最大,试件完全破坏时相对位移最小.

图9 不同弯折角度拉结件荷载-位移曲线Fig.9 Load-relative displacement curves at different bending angles

各试件对应极限状态均为相交节点处混凝土受拉破坏[5].对比3条曲线,拉结件弯折的试件承载力90°比70°提高8.8 %，110°比90°提高12.7 %.当试件达到极限承载力时,采用70°拉结件的试件两次位移峰值相距较远,最终破坏时相对位移最大为27.28 mm,90°和110°拉结件完全破坏时相对位移值分别为18.94 mm和12.18 mm.

2.3 荷载-应变曲线分析

由于试验过程中试件FKL1与FKL3破坏模式为脆性破坏,导致应变片失效，故选试件FKL2曲线进行分析,试验结果如图10所示.

图10 FKL2荷载-应变曲线Fig.10 Load-strain curves of FKL2

试验开始时,测点1及测点2在荷载为12 kN之前应变呈线性增加[6]，12 kN后至达到极限荷载之前,应变变化明显且测点1应变均大于测点2;当拉结件拐点处混凝土失效但短筋未完全拔出时,测点1应变迅速下降,测点2应变突然增加;继续加载由短筋承担拉结件拐点处拉力,测点2应变随荷载增加而增大,直至短筋一端完全拔出而失效.加载过程中应变值未超过极限应变,钢筋未被拉断.

3 结论

通过3个弯折角度不同拉结件组成的轻质混凝土夹芯墙板试件弯拉试验,得到以下结论:

(1) 试件破坏形态为：拉结件拐点处混凝土被完全拉脱,短筋一端被拔出,破坏面沿短筋方向呈椭圆形,破坏面积随拉结件弯折角度增大而增大.

(2) 随拉结件弯折角度增大,弯拉试验最终破坏时试件相对位移减小.拉结件弯折角度为70°,90°和110°时,试件破坏时相对位移分别为27.28 mm,18.94 mm,12.18 mm.

(3) 弯拉强度随拉结件弯折角度增大而增大,拉结件弯折的试件承载力90°比70°提高8.8 %，110°比90°提高12.7 %，拉结件弯折110°时具有较优弯拉性能,优先应用于夹芯墙板设计.