预制夹心混凝土墙板连接件性能研究

张佳阳，郭振雷，高志杰，段中剑

（北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041）

近几年来，预制夹心混凝土墙板技术随着装配式建筑在国内兴起并迅速普及，保温连接件是制作预制夹心混凝土墙板的关键产品，连接件在与内、外叶墙板混凝土共同工作时，除了要求具有足够的承载能力和耐久性能以外，还需要具有很低的导热系数，以降低外墙板热桥的影响。在装配式建筑中，通过降低夹心保温层传热系数的方法提高墙板的保温性能，主要采用导热系数更低的保温材料或增加保温材料的厚度，在进行预制夹心混凝土墙板设计时，随着保温材料厚度的增加，连接件的尺寸与末端挠度也要进行相应的计算分析[1]。

1 预制夹心混凝土墙板构造

连接件是制作预制夹心混凝土墙板的关键产品，常用的保温拉接件有非金属连接件和金属连接件2类，预制夹心混凝土墙板的非金属连接件采用GFRP材质，用于连接内外叶墙板[2]。GFRP连接件可以降低保温墙的冷热桥效应，连接件一般采用矩阵式排列，距边模100~200 mm，与钢筋网片冲突时微调钢筋间距。预制夹心混凝土墙板外叶墙板厚60 mm，内叶墙板厚200 mm，夹心层保温采用挤塑聚苯板，连接件采用GFRP非金属连接件，墙板构造如图1所示。

2 连接件末端挠度研究

纤维增强复合材料所制备的保温连接件最早在美国出现，而经过40多年的工程实践经验总结可知，只要连接件的布置相对均匀，风荷载和外叶墙自重偏心弯矩作用下引起的拉压应力非常微小[3-4]，除了受力安全外，还应该保证墙板的正常使用功能。JC/T 2504—2019《预制混凝土夹心保温墙板》中6.6.2要求内外叶墙板垂直位移不大于2.5 mm。根据ACI 320中的3.3.3.4，连接件在外叶墙重力作用下的挠度按式（1）计算：

式中：Δ——连接件末端挠度，mm；

Qg——自重剪力，N；

dA——连接件的等效悬臂长度，mm；

EAB——连接件的弹性模量，N/mm2；

IA——连接件截面惯性矩，mm4。

根据挠度计算公式，分别计算连接件间距为300、350、400、450 mm时，夹心保温层厚度由50 mm增加至120 mm的连接件末端挠度，结果见图2。

由图2可以看出：

（1）当连接件间距为300 mm时，夹心保温层厚度由50 mm增加至120 mm，连接件末端挠度由0.30 mm增大至2.74 mm。连接件末端挠度在夹心保温层厚度增加至100 mm以上时增加幅度较大，夹心保温层厚度由100 mm增加至110 mm，连接件末端挠度增大了0.49 mm；夹心保温层厚度由110 mm增加至120 mm，连接件末端挠度增大了0.59 mm。当保温层厚度超过110 mm以上，连接件末端挠度超过2.5 mm。

（2）当连接件间距为350 mm时，夹心保温层厚度由50 mm增加至120 mm，连接件末端挠度由0.41 mm增加至3.72 mm，当保温层厚度超过100 mm以上，连接件末端挠度超过2.5 mm。

（3）当连接件间距为400 mm时，夹心保温层厚度由50 mm增加至120 mm，连接件末端挠度由0.54 mm增加至4.87 mm，连接件末端挠度在夹心保温层厚度增加至90 mm以上时增加幅度为0.15 mm左右，且当保温层厚度超过90 mm以上时，连接件末端挠度超过2.5 mm。

（4）当连接件间距为450 mm时，夹心保温层厚度由50 mm增加至120 mm，连接件末端挠度由0.68 mm增加至6.16 mm，连接件末端挠度在夹心薄层厚度为100 mm时增加最多，且当保温层厚度超过80 mm以上，连接件末端挠度超过2.5 mm。

综合可知，连接件末端挠度随着夹心保温层厚度增加而增大，且增幅呈递增的趋势；连接件的间距越大，连接件末端挠度随着夹心保温层厚度增加的幅度越大。建议当连接件间距为300、350、400、450 mm时，夹心保温层厚度分别不应超过110、100、90、80 mm。

3 连接件对墙板传热系数的影响研究

根据三明治夹心保温墙板构造设计及GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》的多层材料层热阻公式、双向非匀质围护结构热阻公式及考虑热桥影响的围护结构单元平均传热系数计算，采用连接件处的传热系数与墙体主断面传热系数的面积加权进行墙体平均传热系数计算，同时计算连接件对墙板平均传热系数的影响。当连接件间距为300、350、400、450 mm时，按3000 mm×3000 mm墙体计算，同时满足矩阵排列，且连接件距墙板边缘100～200 mm，则连接件数量分别为100、81、64、49个，墙板连接件布置方案见图3。

墙板主断面及连接件处的传热系数如图4所示，连接件间距对墙板传热系数的影响系数（使用连接件的墙板传热系数与无连接件的墙板传热系数的比值）如图5所示。

由图4可以看出，墙板主断面传热系数随着夹心保温层厚度的增加而减小，当夹心保温层厚度由50 mm增加至60、70、80、90、100、110、120 mm时，墙板主断面传热系数分别减小了0.079、0.058、0.046、0.037、0.029、0.025、0.021 W/（m2·K），当夹心保温层厚度大于100 mm时，每增加10 mm，墙板传热系数降低小于0.03 W/（m2·K），说明当夹心保温层厚度超过100 mm时，单纯增加夹心保温层厚度对墙板传热系数的降低效果越不明显。

由图5可以看出，夹心层厚度由50 mm增加至120 mm，当连接件间距为300 mm时，连接件对墙板传热系数的影响系数由1.37%增加至2.69%；当连接件间距为350 mm时，连接件对墙板传热系数的影响系数由1.11%增加至2.19%；当连接件间距为400 mm时，连接件对墙板传热系数的影响系数由0.88%增加至1.74%；当连接件间距为450 mm时，连接件对墙板传热系数的影响系数由0.68%增加至1.33%。说明随着夹心保温层厚度的增加，连接件对墙板传热系数的影响系数逐渐增大，主要原因是夹心保温层厚度增加，墙板主断面传热系数降低；随着连接件间距的增加，连接件的使用数量逐渐减少，连接件对墙板传热系数的影响趋势逐渐降低，且随着保温层厚度的增加，增加连接件的间距可显著降低连接件对墙板传热系数的影响。

由此可知，墙板主断面传热系数随着夹心保温层厚度的增加而降低，连接件处传热系数随夹心保温层厚度的降低，其传热系数的降低基本呈线性趋势；随着夹心保温层厚度的增加，连接件对墙板传热系数的影响系数逐渐增加，随着连接件间距的增加，连接件对墙板传热系数的影响趋势逐渐降低，且随着保温层厚度的增加，增加连接件的间距可显著降低连接件对墙板传热系数的影响。

4 抗震试验研究

剪力墙作为一种抗震性能良好的结构形式，在我国应用十分广泛，而对于装配式建筑夹心保温混凝土墙板的抗震性能研究目相对匮乏。因此，对预制装配式剪力墙抗震性能的研究已成为国内外装配式建筑领域的热点问题[5-7]。在现阶段建筑节能要求不断提高的背景下，北京率先实施居住建筑节能80%的要求，在考虑连接件对墙板传热系数的影响下，经计算，采用100 mm厚挤塑聚苯板可满足传热系数≤0.35 W/（m2·K）的要求，所以设计连接件间距300 mm、夹心层厚度100 mm的夹心墙进行抗震试验，研究其抗震性能。

4.1 抗震试验设计

抗震试验设计1个试件，墙体高2820 mm、宽4200 mm、厚360 mm，墙体厚度包括200 mm内叶板、100 mm保温板、60 mm外叶板，三部分通过非金属连接件相连。试验过程中采用液压千斤顶施加轴向荷载，分别放置于东西两侧墙肢中心。采用2000 kN拉压液压千斤顶施加水平往复荷载。试件在达到位移角为1%前，每级加载往复2次，之后每级加载往复1次。当剪力墙水平承载力下降至峰值荷载的85%以下或不宜继续加载时，试验结束。

生产墙板选用冀东水泥滦县有限责任公司的P·Ⅱ42.5R水泥，其物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

选用唐山任各庄机制砂和唐山玉田碎石，中砂细度模数2.6，碎石针片状颗粒含量2.9%，压碎指标7%；粉煤灰选用唐山林德商贸有限公司Ⅰ级粉煤灰，细度19.5%，需水量比102%，烧失量4.7%；外加剂选用金隅科技（唐山）的聚羧酸高性能减水剂。

三明治夹心墙板主要生产工艺为先进行模具排布、组装，经模具尺寸检查后进行钢筋绑扎与埋件的布置，外叶板混凝土浇筑后铺设保温板与连接件，当外叶板经蒸养后，再进行内叶板钢筋帮扎与埋件布置，经过蒸养后满足脱膜强度，进行墙板构件吊装与堆场存放。

4.2 抗震试验结果及分析

预制夹心混凝土墙板加载至210 kN时西侧下部窗角出现首条斜裂缝，继续加载之后其他窗角相继出现斜裂缝。当达到0.2%位移角时，两侧墙肢底部与坐浆层交界面分离，出现首条弯曲裂缝；当达到1%位移角时，两侧墙肢角部混凝土压碎剥落，端部竖向裂缝延伸，外叶板东侧下部窗角裂缝向下延伸贯通板底，墙体与外叶板水平位移相差10 mm；当达到2%位移角时，东侧墙肢角部混凝土压溃，大块剥离，下部两窗角处墙体混凝土压碎剥落，西侧墙肢与坐浆层之间的裂缝宽度达25 mm，外叶板东西侧2条竖缝裂缝宽度分别为14、20 mm，窗框与墙体脱开10 mm。墙体内叶板与外叶板裂缝分布见图6，局部破坏细节见图7。

由图6、图7可以看出，试件裂缝对称开展明显，主要集中于东西侧墙肢中下部、窗下墙、窗角、窗过梁处。最终破坏阶段，墙体内叶板角部混凝土被压碎，洞口附近出现主斜裂缝，呈现明显的弯剪破坏形态。由于内叶板和外叶板有相对变形，裂缝处连接件粘结失效，但整体共同工作性能良好，在1%位移角时，内、外叶板相对位移为10 mm，可以保证墙体的安全可靠。

试件的滞回曲线如图8所示。

由图8可见，试件滞回曲线饱满，具有较好的耗能能力，加载初期，各试件的滞回曲线为一条直线，试件处于弹性工作阶段，随着荷载增大，混凝土开裂，试件刚度下降，卸载后残余变形不断增加，表明试件具有较高的恢复性。

试件外叶板作为保温层的围护构件，当内叶板发生较大变形后外叶板的稳定性成为结构稳定的重要评价指标。内叶板与外叶板的相对位移如图9所示。

由图9可见，当墙体内叶板变形达到1%和2%位移角时，外叶板与内叶板最大相对变形分别达到10.00、18.63 mm。由于具有相对变形，外叶板在连接件处出现开裂，但整体具有较好的稳定性，与内叶板共同工作性能良好，未出现失稳情况，墙体安全可靠。

由以上研究可以得出：

（1）试件具有较好的整体工作性能，内叶板裂缝分布集中在两侧墙肢，呈弯剪破坏形态。试件保温板与外叶板具有较好的整体性，可以满足安全性要求。

（2）试件滞回曲线均较为饱满，累计耗能随加载过程不断增大，具有较好的抗震性能。

5 结论与建议

（1）当连接件间距为300、350、400、450 mm时，夹心保温层厚度分别不应超过110、100、90、80 mm。

（2）随着夹心保温层厚度的增加，连接件对墙板传热系数的影响逐渐增加，随着连接件间距的增加，连接件对墙板传热系数的影响趋势逐渐降低，且随着保温层厚度的增加，增加连接件的间距可显著降低连接件对墙板传热系数的影响。

（3）满足北京居住建筑80%节能要求的墙板连接件可采用间距300 mm、夹心保温层厚度100 mm的布置方案，预制夹心混凝土墙板具有较好的整体工作性能，试件滞回曲线均较为饱满，累计耗能随加载过程不断增大，具有较好的抗震性能。