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预制混凝土夹芯复合墙板

发布日期:2014/2/12 14:17:45 来源:本站 | 热度:2548℃

预制混凝土夹芯复合墙板是国内外预制结构的研究热点之一。国内近年来由于外墙外保温体系造成的重特大火灾事故屡见不鲜,如上海11•15特大火灾等。因此,研发具有保温和结构功能一体化的预制夹芯复合墙板更加紧迫。

1、预制混凝土夹芯保温墙的热工性能

预制混凝土夹芯复合墙中保温材料和厚度应根据严寒、寒冷和夏热冬冷地区对墙体平均传热系数限值的不同要求,以及GB50176—93《民用建筑热工设计规范》有关条文计算确定。此外,预制混凝土夹芯复合墙应在满足传热系数限值的基础上,选用导热系数低的材料以减少保温层厚度,还应使用吸水率低的材料,避免热阻降低。国内外为有效解决外墙的传热问题进行许多有益的尝试,Byoung-JunLee和Stephen Pessiki(2008)研究了双层保温板的预应力混凝土夹芯墙板构造和传热性能。

预制夹芯复合墙板中除夹心保温层对墙板热工性能的影响外,连接件也对墙板热工性能影响显著,连接件材料一般采用钢筋,由于钢筋导热系数高,产生热桥效应影响墙板的保温性能。因此,为解决钢筋连接件的热桥效应,使用了C型、Z型、M型以及波纹状钢筋作为内、外叶墙连接件,在满足墙体刚度、变形协调的基础上,主要是通过延长钢筋的传热路径,增加热阻,提高墙体的保温性能,但传热系数降低幅度较小,效果不明显。近年来,国内外致力于研究低导热系数的抗剪连接件,如采用纤维复合材料连接件代替钢丝。纤维复合材料具有导热系数低、抗拉强度高的优点,其缺点是抗剪强度远低于抗拉强度,刚度较普通低碳钢小。

澳大利亚CGS公司开发了Thermomass连接件,采用拉挤工艺,中部套有塑料套环,主要分为棒状(MC系列、MS系列)、片状(M系列)两种连接件。美国Aslan公司开发了格构式FRP连接件Nu-Tie,连接件呈波形,采用Aslan 100GFRP筋制作。墙板制作时,将连接件的波峰与波谷埋置于混凝土墙片内,并将两侧墙片组成一体。经墙板足尺试验表明,Nu-Tie系列连接件能够满足组合墙板的部分复合作用。

2、预制混凝土夹芯复合墙受力性能

预制混凝土夹芯复合墙结构是由内、外叶墙和夹芯保温层三部分组成,内、外叶墙通过抗剪连接件连接。按结构功能划分为承重式和非承重式预制夹芯复合墙,非承重式预制夹芯复合墙主要用于框架结构的填充墙板,具有轻质保温的特点。承重式预制夹芯复合墙是将内叶墙改进为具有承重作用的剪力墙结构,而外叶墙是50~70mm厚混凝土墙板,起保护作用,属于非承重墙,夹芯层为聚苯乙烯泡沫保温板(EPS)和挤塑聚苯板(XPS)。预制夹芯复合墙作为建筑外围护结构墙板,主要承受平面外风荷载、地震作用,平面内的竖向重力荷载、水平地震力作用,以及温度应力等,在施工过程中承受自身重力、施工荷载以及吊装荷载等,墙板受到拉、弯、剪共同作用,因此要求预制夹芯复合墙板的混凝土强度达到抗弯强度。此外,在各种荷载作用下内、外叶墙的协同工作是必须考虑的问题。从结构角度看,预制夹芯复合墙分为完全复合作用、部分完全复合作用和非复合作用3种类型。完全复合作用是指连接件的强度和刚度足够传递内、外叶墙由弯曲产生的剪力,截面满足平截面假定。非复合作用是指墙板在外部荷载作用下,连接件产生变形或锚固失效,内、外叶墙非协同受力,各自独立承受弯矩作用,并产生相对滑移,在整个截面内不满足平截面假定(图8)。非完全复合作用介于二者之间。

3、连接件受力机理

连接件对内、外叶墙之间剪力传递和协同工作具有重要作用,因此有必要研究其受力机理。Pfeif-er和Hanson开展了承受均布荷载作用的预制夹芯墙板弯曲试验,结果表明:焊接钢桁架连接件在传递剪力方面比无斜撑的钢连接件更有效。Bush和stine发现沿纵向布置的桁架式连接件对预制夹芯墙板的组合刚度和弯曲承载力提高很大。

近年,采用纤维复合材料如GFRP和CFRP作为连接件,研发有网格状、桁架状和棒状等连接件。连接件按照在结构中的功能,分为抗剪连接件和非抗剪连接件。非抗剪连接件用在非完全复合作用的预制夹芯墙板中,抵抗拉力,保持内、外叶墙相互连接形成整体。抗剪连接件用于完全复合墙板,具有抗拉、抗压、抗剪能力,以及足够的强度和刚度来满足墙板的复合作用。在荷载作用下,抗剪连接件刚度决定内、外叶墙板的复合程度,同时,连接件应具有足够的强度抵抗墙板承受的设计荷载。

Salmon(1997)在预制夹芯墙体中首次使用了采用纤维复合材料制作的格构式桁架筋,进行了足尺预制夹芯墙板的试验,验证了FRP连接筋的抗剪和抗震性能。Pantelides对采用CFRP连接件的预制混凝土夹芯墙板进行了试验。试验结果表明:CFRP连接件的破坏是非延性,类似于钢连接件,但在侧向荷载作用下的极限承载力是钢连接件的3倍,锚固长度与自身的几何外形和刚度有关。ClayNaito(2010)研究了14种不同材料和形状连接件的强度、刚度和变形,研究结果表明:连接件的刚度对连接件的几何形状非常敏感。易弯曲(柔度大)连接件导致较低的开裂后弯曲刚度。夹芯墙板的开裂后刚度受不同抗剪连接件形状的影响较大。连接件的抗剪性能变化相当大,对于独立的连接件其平均强度从5.5kN到18.4kN不等。

4、保温层参与受力研究

在弯曲作用下,XPS泡沫板与混凝土板之间的粘结性能很弱,XPS泡沫板完全与混凝土分离。Frankl对采用CFRP格构式筋连接件的足尺预制混凝土夹芯墙板进行研究,夹芯层分别为聚苯乙烯泡沫板(EPS)和挤塑聚苯板(XPS),墙板受轴心压力模拟重力荷载和平面外侧向线荷载模拟风荷载,结果表明:前者具有更大的强度、刚度、组合性能。此外,混凝土和保温板之间的摩擦力和粘结力对总的剪力传递和剪力沿板全长的分布起了相当大的贡献。ClayNaito(2010)研究表明:预制夹芯保温墙板(EPS板)的抗剪强度超过预制夹芯保温墙板(XPS板)21%,这主要因为EPS板表面较粗糙,与混凝土的粘结性能较好。TarekK.Hassan(2010)研究3种不同预制夹芯墙板,连接件采用CFRP抗剪网格筋,随着平面外侧向荷载的增加,预制夹芯保温墙板中混凝土内、外叶墙以及保温层的复合作用程度减少了,在极限荷载下,预制夹芯保温墙板(EPS板)的复合作用程度大约是无侧向荷载作用的93%,而预制夹芯保温墙板(XPS板)是82%~83%。

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