玻璃纤维增强复合材料-钢复合筋混凝土夹芯墙板抗弯性能

吴超强,王 俊,李 帅,晋 强

(1.南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 211800;2.昆山城市建设投资发展集团有限公司,江苏 昆山 215300;3.新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830000)

现阶段建筑业存在着能源消耗大、环境污染严重等问题。针对这些问题,我国近几年提出了建筑节能的要求,其中墙体节能是实现绿色建筑的关键,具有良好的发展前景。目前,工程中常用的保温墙体包括内保温、外保温及夹芯保温墙体3种。

预制混凝土夹芯保温墙体是通过连接件将两侧的预制混凝土叶板、中间的保温层连接在一起所组成的复合墙体,这种墙体不仅具有承重、围护和保温功能,还能有效避免外部环境和内部装修的影响,实现与结构同寿命[1-5]。目前,国内外常用的连接件主要有普通钢筋、不锈钢和纤维增强复合材料(FRP)。其中,FRP连接件具有轻质、高强、耐腐蚀、高热阻等优点,可以有效避免热桥效应,提高保温效果,是目前应用最为广泛的一种连接件[6-17]。

Woltman等[18]通过连接件的直径和布置间隔来研究不同形式玻璃纤维增强复合材料(GFRP)连接件的抗剪性能,结果表明:GFRP连接件的抗剪强度可达到 60～120 MPa,远高于普通塑料连接件,且连接件的尺寸、横截面及布置间隔对抗剪承载力有较大影响。Choi等[19]研究了网格型GFRP连接的预制混凝土夹芯板,得出其面内剪切行为受混凝土和保温层之间的界面黏结强度的影响,且随着保温层厚度增加,剪切性能下降。Gregory等[20]对GFRP连接的混凝土夹芯板的热工性能进行了试验研究,结果表明:与钢筋相比,GFRP连接件可以更好地避免热桥效应,且保温层的导热系数是影响热阻的最重要参数,而混凝土的导热系数对墙板热阻没有显著影响。Kim等[21]对网格型GFRP连接的新型增强混凝土夹芯墙板进行四点弯试验,结果表明:采用网格型GFRP连接件的墙板具有更好的抗弯强度,且保温层采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)与采用挤塑聚苯板(XPS)的墙板相比，具有更好的抗弯性能。

本文深入探讨了竖向荷载作用下GFRP-钢复合桁架筋、GFRP-钢复合竖筋与GFRP竖筋混凝土夹芯墙板在抗弯性能上的表现,分析了连接件结构形式、连接件布置、网格筋规格等因素对墙板抗弯性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验设计

依据JG/T 169—2005《建筑隔墙用轻质条板》,本试验设计出8块不同连接情况的标准板,尺寸为2 100 mm×600 mm×180 mm,每块板的中间保温层以及上下层钢筋混凝土板厚度均为60 mm,内部连接件的保护层厚度为15 mm,面层混凝土强度等级为C10,并设置间距110 mm的双向分布钢筋。连接件主要分为桁架式和竖直式两种,桁架式连接件由GFRP包裹直径为6 mm的HPB235型桁架钢筋制成,包裹层数为2和6层;竖直式连接件分别采取GFRP-钢复合筋和GFRP筋两种材料,GFRP-钢复合筋连接件由GFRP包裹直径为16 mm的HRB400型竖向钢筋制成,包裹层数为0和2层,GFRP筋连接件采用南京锋晖复合材料有限公司提供的B70-16型、直径16 mm的材料,连接件按3种形式布置。试件构造见图1,试件参数见表1。

1.2 试验装置和测量方法

试验装置主要包括反力架、千斤顶、分配梁、荷载传感器、位移计以及TST3826F型动静态应变测试分析系统等,采用反力架作为反力支撑,进行集中加载,试件两端简支,净跨度1 920 mm,加载点间距640 mm,支座两端各留出90 mm,加载点与支座处均垫宽100 mm、高10 mm的钢板,以防止发生局部压坏,在两个加载点上设置分配梁。试验采用千斤顶直接加载,在放置分配梁之前,采集一次初始数据,然后放置分配梁,在分配梁中间上部放置千斤顶,此时采集一级荷载的数据。试验加载过程中，为了测量墙板的整体挠度和变形,分别在板底跨中、两端支座处各放置1个位移计。荷载按每级1 kN施加,每级荷载持续时间为10 min,同时采用动静态应变测试分析系统采集数据。根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》判定加载是否停止。

图1 夹芯墙板(mm)Fig.1 Sandwich wall panels(mm)

2 结果与分析

2.1 试验现象

试件T-S2-Ⅰ、T-S6-Ⅰ虽然GFRP包裹连接件层数不同,但均采用现浇泡沫混凝土芯材以及GFRP-桁架钢筋连接件。加载初期，变形和挠度都较小；当荷载达到极限荷载的56%时,板侧加载点附近出现斜裂缝,随着荷载的增加,整板出现弯曲变形,跨中位移较为明显;当荷载达到极限荷载时,芯材与混凝土板发生分离，继续加载,试件发出断续的混凝土开裂声,挠度上升明显,桁架筋连接件墙板的板间相对滑移最大达到8 mm,最终发生混凝土材料破坏。

对于夹芯墙板,其弯曲破坏分为3个阶段:①开裂前为弹性阶段,此时试件荷载较小,在小范围内产生弹性变形,变形是可恢复的,当集中力达到某一开裂荷载时,由于受拉区混凝土有一定的塑性变形，试件的抗弯刚度有所折减;②开裂后为弹塑性阶段,刚开始位移随荷载的增大仍基本呈线性关系,随着荷载的增大,试件的抗弯刚度随弯矩的增大而不断降低，继续加载后各测点位移增大的幅度相比荷载增大的幅度更大,原因为试件所承受的力超过了其弹性承载力,到达极限荷载后,试件发生明显的弯曲变形;③之后为塑性阶段,此阶段荷载不断下降而挠度上升明显,竖向连接件墙板的板间相对滑移最大达到30 mm,直至混凝土发生材料破坏,试验加载结束。

2.2 荷载-位移曲线与极限承载力

图2为根据四点弯试验数据所得各构件的荷载-位移曲线,表2为各试件的极限承载力以及挠度。由图2和表2可知：连接件形式、连接件材料、连接件间距、GFRP包裹连接件层数以及网格筋规格均会对构件的力学性能产生不同程度的影响。

图2 不同构件的荷载-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of different components

表2 不同构件极限承载力和挠度

2.2.1 连接件形式

试件T-S2-Ⅰ 极限承载力较试件V-S2-Ⅰ 上升了37.5%,这是因为采用桁架式连接件能够更紧密地连接上下面板,提高墙板的整体性,因此具备更高的承载能力。由图2还可知:桁架连接件形式的夹芯墙板在第2阶段保持的时间更长,这是因为桁架筋由GFRP包裹钢筋制成,与GFRP筋相比,材料本身具备良好的延性,而GFRP筋多表现为脆性破坏,破坏时将很快由第2阶段向第3阶段发展。

2.2.2 连接件材料

试件V-S2-Ⅰ极限承载力较试件V-F25-Ⅰ下降了4.0%;试件V-S0-Ⅰ极限承载力较试件V-F25-Ⅰ下降了8.0%,这是因为GFRP筋连接件具备更高的抗压强度,因此极限承载力要高于GFRP-钢筋连接件以及钢筋连接件墙板。

2.2.3 连接件间距

V-F43-Ⅰ和V-F32-Ⅱ均较V-F25-Ⅰ和V-F25-Ⅱ极限承载力提高明显,这是因为缩小连接件间距能使连接件更易集中受力,对混凝土构件刚度的贡献也就越大,因此极限承载力提升显著,极限承载力分别增大104%和37%。

2.2.4 GFRP包裹连接件层数

T-S6-Ⅰ和V-S2-Ⅰ分别较T-S2-Ⅰ和V-S0-Ⅰ极限承载力提升了9.1%和4.4%,这是因为GFRP包裹连接件使连接件的物理与力学性能都得到了改善,从而提高了构件的极限承载力。

2.2.5 网格筋规格

V-F25-Ⅱ的极限承载力较V-F25-Ⅰ得到了提高,说明网格筋规格的改变会影响构件的物理与力学性能。

3 结论

本文通过混凝土夹芯墙板的四点弯试验,研究了连接件形式、连接件材料、连接件间距、GFRP包裹连接件层数以及网格筋规格对混凝土夹芯墙板抗弯性能的影响。

1)弯曲荷载作用下,3种连接件形式的夹芯墙板破坏均出现3个阶段,即开裂前弹性阶段、开裂后弹塑性阶段、塑性阶段。桁架连接件在第2阶段保持时间更长,表明具备良好的延性,因此桁架连接件更利于保持构件的整体性,减少因滑移现象产生的抗弯刚度折减,可广泛应用于新型建筑保温墙板领域。

2)连接件间距缩短幅度越大,单位长度内连接件的数量越多,构件的极限承载力提升幅度也越大。

3)GFRP-钢复合竖筋连接件中, GFRP包裹连接件层数为2层的构件极限承载力与0层的构件相比基本没有变化。在直径相同的情况下,GFRP竖筋连接件墙板比钢筋竖向连接件极限承载力略有提高,因此复合材料筋可替代钢筋竖向连接件用于混凝土夹芯墙板。