江苏大学 学报（白然科学版） 2013年11月 第34卷第6期 Nov.2013 Vol.34No.6 JOURNALOFJIANGSUUNIVERSITY(NaturlScienceEdition) doi: 10. 3969/j. issn. 1671 7775. 2013. 06. 019 预制夹芯保温墙体FRP连接件的力学性能试验 杨佳林，薛伟辰，栗新 [1.同济大学土木工程学院，上海2000922上海市建工设计研究院有限公司，上海20050] 摘要：针对预制夹芯保温墙体中FRP连接件的受力性能直接影响到墙体安全性的问题，以上海市 某安居工程为背景，通过FRP连接件的拔出试验和抗剪试验，对FRP连接件的抗拔承载力、抗剪承 载力、破坏形态、荷载-滑移关系与荷载-应变关系透行了研究.结果表明：FRP连接件的抗拔承载 力为23.5kN，平面内和平面外两种不同布置方案的抗剪承载力分别为19.6kN和12.6kN，满足 工程设计要求，并具有较大的安全储备，并对预制夹芯保温墙体的热工性能进行了研究，结果表明： 采用FRP连接件的预制夹芯保温墙体的传热系数K=0.407W（m²K）-，满足国家建筑节能 标准要求. 关键词：FRP连接件；预制夹芯保温琦体；抗拔承载力：抗剪承载力：热工试验 中图分类号：TU394 文献标志码：A 文章编号：1671-7775（2013)06-0723-07 Mechanicalproperties testofFRPconnectors in precast sandwich insulation wallpanels Yang Jiolin' Xue Weichen' Li Xin? (1. Clg f Civil Enng Tji Uivity Si 2092 Chnc 2.Sh C Di Rh Co. Sg hai 200050 China) Abstraet: To solve the problem that the safety of precast sandwich insulation wall was influenced by the mechanical behavior of FRP connector the moxdel from a practical project in Shanghai was used as re ference. The tests of three pull-out specimens and six shear specimens were used to investigate the pro- perties of FRP connectors of pall-out capacity shear bearing capacity failure patterm and load-slip curve. The results show that the pull-out capacity of the connector is 23. 5 kN. When the connectors are arranged parallel and vertically to the shear load the shear bearing capacities of the connector are 19. 6 kN and 12.6 kN respeetively. The connectors can meet the design requirement in practical projeet with a great safety margin. The thermal performance of precast sandwich insulation wall was also tesled. The results show that heat transfer coefficient of the wall is 0. 407 W • ( m² • K) * and can meet the need of bilding energy-saving standard. Key words: FRP connecor; precast sandwich insulation wall panel; pull-out bearing capacity; shear bearing capacity; thermodynamic ted 据统计目前我国能源消耗量排名世界第二其 的单项能耗行业建筑节能是缓解我国能源紧缺的 中建筑能耗占国家总能耗的32%已成为国家最大 一项重要工作在国家“十二五”规划中建筑节能 收码日期：2012-11-03 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-10-0636）：上海市科委重点项目（10dx058370010d0583600） 作者简介：杨佳林（1978一）男河北石家庄人博士研究生（yjl7895126.cmm）主要从事预制混凝土结构的研究 薛伟辰（1970-）男江苏据州人教授（通信作者xurmc@lmgji.da.cn）主要从事现代预应力结构和先进复合材料的研究
724 江苏大学学报（自然科学版） 第34卷 降耗成为我国能源战略的重要组成部分.在建筑能 本研究通过FRP连接件的拔出及抗剪试验研 耗中围护结构（主要是外墙）所占建筑能耗比重最 究连接件的抗拔承载力、抗剪承载力、破坏形态、荷 大约占建筑总能耗的85%-99%.因此墙体节能 载-滑移关系与荷载-应变关系，并通过对预制夹 是实现建筑节能的最重要手段 芯保温墙体进行热工试验测试保温墙体传热系数、 建筑工程中常用的保温墙体分为内保温、外保 热阻等热工参数 温以及预制夹芯保温墙体.内保温墙体存在内部 保温层易损、受室内装修影响大等问题而外保温墙 1拔出试验 体存在着较严重的防火及耐久性问题，使用寿命一 般为15-20年（2 2007年本课题组开发了适用于预制夹芯保温 预制夹芯保温墙体是一种可实现承重与围护同 墙体及第一代FRP连接件如图2所示.该连接件由 寿命的新型保温墙体，墙体由内、外叶钢筋混凝土 FRP连接板和套环组成连接板上下端部设置有槽 板、中间保温层及纤维增强塑料（FRP)连接件组成， 口连接件横截面几何属性：截面积848mm强轴惯 具有节能效果显著、抗火及耐久性能优良、生产及施 性矩410189mm弱轴惯性矩12120mm强轴抗弯 工效率高等诸多优点.FRP连接件是连接预制夹芯 截面系数11719mm²弱轴抗弯截面系数16lmm². 保温墙体内外叶混凝土板的关键部件，其主要作用 1 保蓝材料层 是抵抗内外叶混凝土板间的水平拔出力与纵向剪 力其受力性能直接影响墙体的安全性.FRP连接件 具有强度高导热系数低的特点，可有效减小墙体的 传热系数，能有效提高墙体的安全性与耐久性.上世 纪80年代末美、澳、日等国已开展了预制保温墙体 FRP连接件 外叶泥摄土板 FRP连接件的研发，并将其广泛应用于工业建筑及 内叶湿极上板 住宅建筑墙体中.G.T.Wade，W.Ramn J.K. Kim等[4-都曾进行了夹芯保温墙体FRP连接件 的抗拔性能或抗剪性能试验.A.BenayouneA.Fam 1 1-1前面 等[-”对采用FRP连接件的夹芯保温墙板进行了 内叶板织向受力钢第内叶板模向受力钢 抗弯性能试验.目前，预制夹芯保温墙体及FRP连 接件的研究在我国尚处于起步阶段.同济大学在国 外叶板纵向受力钢第外叶板模向受力钢筋 内率先研发出了具有自主知识产权的预制夹芯保温 2-2 前面 墙体FRP连接件（见图1）并开展了预制夹芯保温 墙体与FRP连接件的受力性能、设计方法及工程应 图2预制夹芯保温湿墙体示意图 用等一系列研究工作.有关成果已列入上海市 本课题组前期开展了FRP连接件的拉伸和水 DG/TJ08-2071-2010《装配整体式混凝土住宅体 平剪切材性试验拉伸试验参照GB/T1447-2005 系设计规程》中 纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，水平剪切强度 试验参照美国ASTMD2344聚合物基体复合材料 及其层积材短梁强度的试验方法》测试结果：拉伸 1 FRP接板 强度742MPa拉伸弹模46.3GPa抗剪强度47.8 MPa. 1.1试验设计 1.1.1试件 直上方间 连接件抗拔试件共3个，试件尺寸为490mm× 250 mm×250 mm.试件编号分别为 TJ1-PO1TJI - PO2和TJI-PO3.试件混凝土强度为C50.在混凝土 (4）增体布置南 (b)实物围 板内配置双层钢筋网片并预埋16钢拉杆和10 图1预制夹芯保温境体FRP连接件 锚固筋.刚拉杆埋入混凝土60mm端部与锚固筋焊
第6期 杨佳林等：预制夹芯保温墙体FRP连接件的力学性能试验 725 接.FRP连接件抗拨试件的泡沫保温板厚150mm， 两侧的拉伸混凝土板厚度170mm每个试件共使用 1枚连接件.FRP连接件抗拔试件施工图如图3所 示.说明：16拉杆埋入混凝土深度60mm在端部 与10钢筋焊接 PO3 图5试件破坏形态 杆 由图4和图5可知：由于FRP连接件表面较为 拉杆及预埋钢的的视图 光滑连接件的锚固力主要来自连接件槽口与混凝 5 连接件 土之间的机械咬合作用在拔出荷载作用下连接件 槽口斜面向外挤压内嵌混凝土，沿连接件边凸肋大 致成45°方向的截面被拉开从而形成双角锥体（阴 影部分）劈裂破坏试验结果如表1所示. 2以的片 第网片 表1最大拔出力及峰值滑移 ww 001ig 试件 最大拔出力/kN 峰值滑移/mm TJ1-PO1 22. 1 1.75 图3FRP连接件抗拔试件施工图 TJ1P02 17.6 1.52 混凝土力学性能：立方体抗压强度为48.8 TJ1PO3 24.8 2.34 MPa轴心抗压强度为32.6MPa轴心抗拉强度为 1.2.2荷载-滑移曲线 3.7 MPa 弹性模量为36.8 GPa. FRP连接件荷载-滑移曲线如图6所示.由图 1.1.2加载与量测 6可知：当拔出荷载小于0.1N（N.为最大拔出力， 试验在万能试验机上进行.试验数据采用英国输 kN）时连接件与混凝土间的滑移小于0.2mmFRP 力强公司生产的35951B型数据采集设备.施加抗拔 连接件荷载-滑移曲线基本呈线性；当拔出荷载增 力连续均匀加载速度为0.5kNmin.每个连接件 至0.5N，时，由于连接件根部槽口开裂滑移发展较 抗拔试件均设置4个位移计，以测量连接件上、下端 快；当荷载达到峰值时相应FRP连接件滑移测点 与混凝土间的相对滑移；连接件两侧表面中点布置2 的滑移量S.约为1.5-2.3mm. 个三向应变花以量测连接件中点处各向应变， 1.2结果与分析 30 1.2.1破坏形态 25 试件均发生了混凝土劈裂破坏连接件平 均抗拔承载力达到23.5kN.连接件表面无纤维断 1-PO 裂或树脂裂缝：加载接近极限荷载时连接件根部附 TJ1-PO3 TJ1-PO2 近的混凝土表面出现劈裂裂缝抗拔试件的破坏形 态如图45所示 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 滑移/mm 图6连接件荷载-滑移关系 1.2.3荷载-应变曲线 FRP连接件荷载-应变试验曲线如图7-10所 示.由图7-10可知：连接件主方向（沿连接件长度 方向）和垂直主方向应变（垂直连接件长度方向）随 荷载增加基本成呈线性增长：发生抗拔破坏时连接 （a）连接件披出 (b）基土表面较 件测点处的均较小连接件主方向的正应变均小于 图4劈裂裂缝 700×10-小于连接件拉伸极限应变连接件本身
726 江苏大学学报（自然科学版） 第34卷 并无损伤 1.64kN前者是后者的14.3倍说明连接件具有较 25 大的安全储备 20 15 2抗剪试验 010 主方向正应变 垂直主方向正应变 2.1试验设计 5 剪应变 2.1.1试件 200 应变/10 200 400 600 FRP连接件抗剪试验按照Eurocode4:BSEN 1994-1-1:2004的要求进行试验设计.根据FRP 图7TJI-PO1连接件荷载-应变曲线 连接件平面内和平面外2种布置方向设计了TJI- 35 VS组（平面内连接件截面高度与剪力方向平行编 28 号为TJI-VS1TJI-VS2TJI -VS3)与TJI -HS 组 21 （平面外连接件截面高度与剪力方向垂直编号为 TJ1-HS1 TJ1-HS2TJ1-HS3)共6个试件海 直主方向正应变 主方向正应变 个试件使用4枚FRP连接件.试件构造如图1112 男应变 所示图中序号①-④为连接件编号.混凝土强度 200 应变/10 400 600 800 等级为C50. 图8TJI-PO2连接件荷载-应变曲线 减土 25 20 15 主方向正应变 5 乘直主方向正应变 0 剪应变 500 500 1000 1500 2 000 2 应变/10 图9TJI-PO3连接件荷载-应变曲线 _150_130._150_ 25 图11TJI-VS试件组构造 20 保温层 15 10 TI-PO1 TJI-PO2 TJI-P03 100 209 300 400 500 应变/10 图10FRP连接件荷载-主方向正应变曲线 4 1.3安全性评价 FRP连接板 F8 针对上海市某安居工程，并参照GB50009一 601.0._.130._.50..60. 2001《建筑结构荷载规范》及JGJ133-2001《金属 图12TJI-HS试件组构造 与石材幕墙工程技术规范》对预制夹芯保温墙体 2.1.2加载与量测装置 FRP连接件的抗拔荷载设计值（风荷载及地震荷载 试验采用单调分级加载的方式进行加载，装置 作用下的最不利组合）进行计算.结果表明：连接件 如图13所示.主要量测内容包括：FRP连接件与混 抗拉荷载试验值为23.5kN，拔出荷载设计值为 凝土板的相对滑移；FRP连接件表面应变.
第6期 杨佳林等：预制夹芯保温墙体FRP连接件的力学性能试验 727 连接件抗剪试验 图15FRP连接件层间剪切破坏（破坏形态II） 2.2.2荷载-连接件滑移曲线 TJI-VS组与TJI-HS组的实测荷载-滑移关 图13加载装置 系曲线如图1718所示.由图1617可知：抗剪试件 受力过程划分为3个阶段：弹性受力阶段、裂缝扩展 2.2结果与分析 阶段和破坏阶段.区分这3段的特征点分别为首层 2.2.1破坏形态 裂纹点I（首层裂纹指FRP连接件首次发出“嚼啪” 试件的破坏形态可分为混凝土劈裂（破坏形态 纤维撕裂声）和剪切荷载峰值点S. I）和连接件层间剪切破坏（破坏形态ⅡI）两种（见 在连接件发生首层裂纹前，连接件荷载与相对 表2）. 位移基本成线性关系.FRP连接件发生首层裂纹后， 表2FRP连接件破坏形态 混凝土开裂FRP连接件纤维损伤累积，试件进入了 试件编号 连接件编号 破坏形态 裂缝扩展阶段 ①.① 无破坏现象 此后荷载增长速度放缓，在荷载达到峰值P. TI -VSI ② 破坏形态1 时曲线出现了第2个转折点S.进入破坏阶段后， ③ 破坏形态Ⅱ FRP连接件根部混凝土、连接件裂缝发展较快其根 TI -VS2 ①④ 破坏形态I 部混凝土剥落. I VS3 ①④ 破坏形态Ⅱ 无破坏现象 105 90 TI -HS1 破坏形态 75 TJIVS1 ③.④ 破坏形态1 60 TJI-VS2 TIIVS3 TJ 1 HS2 ①④ 破环形态1 物 45 无破坏现象 30 TI HS3 ②④ 破坏形态1 15 12 24 36 由表2可知：TJI-VS试件组多数FRP连接件 位移/mm 48 60 发生层间剪切破坏TJI-HS试件组多数发生混凝 图16TJI-VS组荷载-连接件滑移曲线 土劈裂破坏这是因为在剪力作用下FRP连接件平 60 面内布置时其腹板中部剪应力较大.典型破坏形态 50 TJIHS1 分别见图1415. NT 40 TIHS3 TJIHS2 试验结果表明：TJI-VS试件组的抗剪承载力 30 （均值)为 19.6 kNTJI -HS 试件组为 12.3 kN. 12 24 位移/mm 48 60 图17TJ1-HS组荷载-连接件滑移曲线 2.2.3荷载-连接件应变曲线 实测各试件的荷载-连接件应变曲线如图18， 19所示.由图可以看出：对于TJI-VS组，FRP连接 图14混凝土劈裂破坏（破坏形态1） 件沿主方向的正应变、垂直主方向的正应变绝对值
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