玻璃纖維增強復合材料-鋼復合筋混凝土夾芯墻板抗彎性能

吳超強,王 俊,李 帥,晉 強

(1.南京工業大學 土木工程學院,江蘇 南京 211800;2.昆山城市建設投資發展集團有限公司,江蘇 昆山 215300;3.新疆農業大學 水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830000)

現階段建筑業存在著能源消耗大、環境污染嚴重等問題。針對這些問題,我國近幾年提出了建筑節能的要求,其中墻體節能是實現綠色建筑的關鍵,具有良好的發展前景。目前,工程中常用的保溫墻體包括內保溫、外保溫及夾芯保溫墻體3種。

預制混凝土夾芯保溫墻體是通過連接件將兩側的預制混凝土葉板、中間的保溫層連接在一起所組成的復合墻體,這種墻體不僅具有承重、圍護和保溫功能,還能有效避免外部環境和內部裝修的影響,實現與結構同壽命[1-5]。目前,國內外常用的連接件主要有普通鋼筋、不銹鋼和纖維增強復合材料(FRP)。其中,FRP連接件具有輕質、高強、耐腐蝕、高熱阻等優點,可以有效避免熱橋效應,提高保溫效果,是目前應用最為廣泛的一種連接件[6-17]。

Woltman等[18]通過連接件的直徑和布置間隔來研究不同形式玻璃纖維增強復合材料(GFRP)連接件的抗剪性能,結果表明:GFRP連接件的抗剪強度可達到 60～120 MPa,遠高于普通塑料連接件,且連接件的尺寸、橫截面及布置間隔對抗剪承載力有較大影響。Choi等[19]研究了網格型GFRP連接的預制混凝土夾芯板,得出其面內剪切行為受混凝土和保溫層之間的界面黏結強度的影響,且隨著保溫層厚度增加,剪切性能下降。Gregory等[20]對GFRP連接的混凝土夾芯板的熱工性能進行了試驗研究,結果表明:與鋼筋相比,GFRP連接件可以更好地避免熱橋效應,且保溫層的導熱系數是影響熱阻的最重要參數,而混凝土的導熱系數對墻板熱阻沒有顯著影響。Kim等[21]對網格型GFRP連接的新型增強混凝土夾芯墻板進行四點彎試驗,結果表明:采用網格型GFRP連接件的墻板具有更好的抗彎強度,且保溫層采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)與采用擠塑聚苯板(XPS)的墻板相比，具有更好的抗彎性能。

本文深入探討了豎向荷載作用下GFRP-鋼復合桁架筋、GFRP-鋼復合豎筋與GFRP豎筋混凝土夾芯墻板在抗彎性能上的表現,分析了連接件結構形式、連接件布置、網格筋規格等因素對墻板抗彎性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

依據JG/T 169—2005《建筑隔墻用輕質條板》,本試驗設計出8塊不同連接情況的標準板,尺寸為2 100 mm×600 mm×180 mm,每塊板的中間保溫層以及上下層鋼筋混凝土板厚度均為60 mm,內部連接件的保護層厚度為15 mm,面層混凝土強度等級為C10,并設置間距110 mm的雙向分布鋼筋。連接件主要分為桁架式和豎直式兩種,桁架式連接件由GFRP包裹直徑為6 mm的HPB235型桁架鋼筋制成,包裹層數為2和6層;豎直式連接件分別采取GFRP-鋼復合筋和GFRP筋兩種材料,GFRP-鋼復合筋連接件由GFRP包裹直徑為16 mm的HRB400型豎向鋼筋制成,包裹層數為0和2層,GFRP筋連接件采用南京鋒暉復合材料有限公司提供的B70-16型、直徑16 mm的材料,連接件按3種形式布置。試件構造見圖1,試件參數見表1。

1.2 試驗裝置和測量方法

試驗裝置主要包括反力架、千斤頂、分配梁、荷載傳感器、位移計以及TST3826F型動靜態應變測試分析系統等,采用反力架作為反力支撐,進行集中加載,試件兩端簡支,凈跨度1 920 mm,加載點間距640 mm,支座兩端各留出90 mm,加載點與支座處均墊寬100 mm、高10 mm的鋼板,以防止發生局部壓壞,在兩個加載點上設置分配梁。試驗采用千斤頂直接加載,在放置分配梁之前,采集一次初始數據,然后放置分配梁,在分配梁中間上部放置千斤頂,此時采集一級荷載的數據。試驗加載過程中，為了測量墻板的整體撓度和變形,分別在板底跨中、兩端支座處各放置1個位移計。荷載按每級1 kN施加,每級荷載持續時間為10 min,同時采用動靜態應變測試分析系統采集數據。根據GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》判定加載是否停止。

圖1 夾芯墻板(mm)Fig.1 Sandwich wall panels(mm)

2 結果與分析

2.1 試驗現象

試件T-S2-Ⅰ、T-S6-Ⅰ雖然GFRP包裹連接件層數不同,但均采用現澆泡沫混凝土芯材以及GFRP-桁架鋼筋連接件。加載初期，變形和撓度都較??；當荷載達到極限荷載的56%時,板側加載點附近出現斜裂縫,隨著荷載的增加,整板出現彎曲變形,跨中位移較為明顯;當荷載達到極限荷載時,芯材與混凝土板發生分離，繼續加載,試件發出斷續的混凝土開裂聲,撓度上升明顯,桁架筋連接件墻板的板間相對滑移最大達到8 mm,最終發生混凝土材料破壞。

對于夾芯墻板,其彎曲破壞分為3個階段:①開裂前為彈性階段,此時試件荷載較小,在小范圍內產生彈性變形,變形是可恢復的,當集中力達到某一開裂荷載時,由于受拉區混凝土有一定的塑性變形，試件的抗彎剛度有所折減;②開裂后為彈塑性階段,剛開始位移隨荷載的增大仍基本呈線性關系,隨著荷載的增大,試件的抗彎剛度隨彎矩的增大而不斷降低，繼續加載后各測點位移增大的幅度相比荷載增大的幅度更大,原因為試件所承受的力超過了其彈性承載力,到達極限荷載后,試件發生明顯的彎曲變形;③之后為塑性階段,此階段荷載不斷下降而撓度上升明顯,豎向連接件墻板的板間相對滑移最大達到30 mm,直至混凝土發生材料破壞,試驗加載結束。

2.2 荷載-位移曲線與極限承載力

圖2為根據四點彎試驗數據所得各構件的荷載-位移曲線,表2為各試件的極限承載力以及撓度。由圖2和表2可知：連接件形式、連接件材料、連接件間距、GFRP包裹連接件層數以及網格筋規格均會對構件的力學性能產生不同程度的影響。

圖2 不同構件的荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different components

表2 不同構件極限承載力和撓度

2.2.1 連接件形式

試件T-S2-Ⅰ 極限承載力較試件V-S2-Ⅰ 上升了37.5%,這是因為采用桁架式連接件能夠更緊密地連接上下面板,提高墻板的整體性,因此具備更高的承載能力。由圖2還可知:桁架連接件形式的夾芯墻板在第2階段保持的時間更長,這是因為桁架筋由GFRP包裹鋼筋制成,與GFRP筋相比,材料本身具備良好的延性,而GFRP筋多表現為脆性破壞,破壞時將很快由第2階段向第3階段發展。

2.2.2 連接件材料

試件V-S2-Ⅰ極限承載力較試件V-F25-Ⅰ下降了4.0%;試件V-S0-Ⅰ極限承載力較試件V-F25-Ⅰ下降了8.0%,這是因為GFRP筋連接件具備更高的抗壓強度,因此極限承載力要高于GFRP-鋼筋連接件以及鋼筋連接件墻板。

2.2.3 連接件間距

V-F43-Ⅰ和V-F32-Ⅱ均較V-F25-Ⅰ和V-F25-Ⅱ極限承載力提高明顯,這是因為縮小連接件間距能使連接件更易集中受力,對混凝土構件剛度的貢獻也就越大,因此極限承載力提升顯著,極限承載力分別增大104%和37%。

2.2.4 GFRP包裹連接件層數

T-S6-Ⅰ和V-S2-Ⅰ分別較T-S2-Ⅰ和V-S0-Ⅰ極限承載力提升了9.1%和4.4%,這是因為GFRP包裹連接件使連接件的物理與力學性能都得到了改善,從而提高了構件的極限承載力。

2.2.5 網格筋規格

V-F25-Ⅱ的極限承載力較V-F25-Ⅰ得到了提高,說明網格筋規格的改變會影響構件的物理與力學性能。

3 結論

本文通過混凝土夾芯墻板的四點彎試驗,研究了連接件形式、連接件材料、連接件間距、GFRP包裹連接件層數以及網格筋規格對混凝土夾芯墻板抗彎性能的影響。

1)彎曲荷載作用下,3種連接件形式的夾芯墻板破壞均出現3個階段,即開裂前彈性階段、開裂后彈塑性階段、塑性階段。桁架連接件在第2階段保持時間更長,表明具備良好的延性,因此桁架連接件更利于保持構件的整體性,減少因滑移現象產生的抗彎剛度折減,可廣泛應用于新型建筑保溫墻板領域。

2)連接件間距縮短幅度越大,單位長度內連接件的數量越多,構件的極限承載力提升幅度也越大。

3)GFRP-鋼復合豎筋連接件中, GFRP包裹連接件層數為2層的構件極限承載力與0層的構件相比基本沒有變化。在直徑相同的情況下,GFRP豎筋連接件墻板比鋼筋豎向連接件極限承載力略有提高,因此復合材料筋可替代鋼筋豎向連接件用于混凝土夾芯墻板。