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田春雨:夹心保温叠合剪力墙试验研究


田春雨:

中国建筑科学研究院有限公司

建筑工业化院副院长


一、研究内容


(一)竖向钢筋能否搭接传力?穿过保温层的桁架或连接件能否起到横向约束作用?

(二)为了保证短暂状况受力,连接件较多,外叶板是否还是非组合受力?

(三)浇筑时,需要多少连接件才不胀模?对后续连接件受力有多大影响?


针对夹心保温叠合剪力墙的以上问题,田春雨院长依次分享了:竖向钢筋搭接试验,静力及往复;夹心保温叠合墙外叶板温差试验;夹心保温叠合墙浇筑工况试验等内容,并给出相应结论和建议。


二、钢筋搭接试验


(一)具体研究内容

1、通过对60个钢筋间接搭接对拉试件进行单向拉伸试验,考虑钢筋直径、混凝土强度、横向连接件种类及位置和钢筋搭接长度的影响,对间接搭接的力学性能进行讨论分析,并建议合理的搭接长度取值;

2、在单向拉伸试验确定的搭接长度基础上,通过对3个竖向分布钢筋间接搭接的无轴压墙体进行拟静力试验,研究其在往复荷载作用下的各项力学性能,进而检验单向拉伸试验建议的搭接长度的合理性。

3、通过对竖向分布筋间接搭接的墙体试件进行有限元模拟,将其与试验结果进行对比。此外,建立采用间接搭接方式的带轴压剪力墙有限元模型,探究剪力墙有无边缘构件时插筋直径、插筋构造及排数对墙体变形能力的影响。


(二)试验形式及结论

1、对拉试验

1)主要内容

综合分析前期试件设计和装置及量测方案,以及试验过程中的试验现象及破坏模式、极限承载力、典型荷载-位移曲线、钢筋应变分布、两种拉结件实测应变分析、混凝土强度影响分析、搭接长度、有效搭接长度等核心数值。


2)试验结论

·夹心保温连接件的形式对于夹心保温叠合剪力墙竖向钢筋搭接传力性能的影响可以忽略。

·叠合墙间接搭接试件和现浇直接搭接试件的承载力和破坏模式基本相同。

·对于搭接长度足够、发生钢筋拉断破坏的情况,混凝土强度对钢筋的间接搭接没有影响;对于搭接长度不足、发生钢筋拔出破坏的情况,提高混凝土强度可以提高间接搭接钢筋的承载力,且搭接长度越短效果越显著。

·在单调拉伸作用下,竖向钢筋间接搭接的搭接长度取为1.2倍锚固长度可以实现有效传力。


2、墙体实验

1)主要内容

通过对竖向钢筋搭接方式为直接搭接的全现浇试件、间接搭接的桁架连接件叠合墙试件和间接搭接的玻纤直杆连接件叠合墙试件进行往复水平加载的拟静力试验,试验过程中综合分析试验现象、滞回曲线及峰值曲线、钢筋应变曲线、钢筋应变分布、根部裂缝沿截面分布(不同位移角时)等核心因素各项数值。

2)试验结论

·各试件均以根部结合面处开裂后地梁插筋拉断为破坏模式。

·各试件的滞回曲线和骨架曲线基本一致,承载力和开裂后刚度基本相同,变形能力基本相同。

·各试件的搭接区钢筋滞回能力基本相同,搭接区顶部和底部同阶段的滞回曲线形状基本一致,根部结合面裂缝宽度分布基本一致。

·在往复荷载作用下,搭接长度取为1.2倍锚固长度的间接搭接方式与直接搭接各项力学性能基本一致,可以实现有效传力。


三、温度试验


(一)主要内容

·试件采用内叶预制墙厚50mm,内叶现浇部分厚150mm,外叶墙厚60mm。试件宽度取约3m,高度约2.7m。试件混凝土强度等级为C30 。

·对夏季,外叶墙表面温度最大取基本气温Tmax+42℃,以北京为例,则外叶墙表面温度最大取78℃,内叶墙表面温度按室内温度取25℃,则外叶墙与内叶墙温差为53℃;对冬季,外叶墙表面温度最小取基本气温Tmin(以北京为例,为-13℃),内叶墙表面温度按室内温度取25℃,则外叶墙与内叶墙温差为-38℃。

·各试件面外变形大小接近,降温后最大内凹变形为4~7mm,降温升温结束后最大外凸变形为4~5mm,最大变形与外叶墙短边长之比为1/675~1/386。参考《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》JGJ/T 458-2018对外挂墙板的平面外变形限值规定:“平面外挠度限值为外挂墙板面外支座间距离的1/250”,可见温度作用下外叶墙最大变形明显小于限值要求。


(二)建议

1、对不锈钢桁架式拉结件,应通过增大拉结件间距(如增大中距、增大边距或取消边缘处的拉结件)或减小拉结件刚度(如减小腹杆直径、调整腹杆角度等)等措施,进一步减小拉结件系统对外叶墙变形的约束。

2、对拉结件承载力验算时应合理考虑温度作用的影响,以提高拉结件受力的安全储备,避免拉结件及外叶墙存在破坏、脱落等安全隐患。

3、外叶墙表面优先采用浅色饰面材料,以减小温度作用大小;同时饰面材料应具有较好的防裂和弹性变形能力,以避免或减轻外叶墙表面开裂问题。

4、对初始裂缝问题,应从生产工艺尤其脱模养护工艺等方面着手,加强质量控制。


四、浇筑试验


(一)主要内容

·试件内叶墙厚50mm,空腔后浇部分厚150mm,外叶墙厚60mm。试件高度约3m。试件混凝土强度等级为C30

·试验时模拟施工时浇筑空腔内混凝土的真实情况,如实反映后浇混凝土产生的侧压力和下料产生的水平荷载等施工荷载。

·浇筑用混凝土采用强度等级为C30的普通混凝土,实测坍落度约为180mm,按分层连续浇筑,每层高度不超过1m,采用振捣棒振捣密实、均匀。试件的实际浇筑速度为6.0~12.0m/h。

·浇筑后应持续量测试件内应变、温度及变形,持续时间不少于12h(混凝土接近终凝状态),且各项量测结果趋于稳定。

·试验完毕对试件进行裂缝和各项拉结件受力进行数值分析。


(二)建议

1、对本项目采用的夹心保温叠合剪力墙构造和特定规格的拉结件,拉结件间距不宜大于400;超过400mm时应进行研究分析,并通过工艺试验进行验证。

2、对本文采用的FRP直杆式拉结件,建议在混凝土浇筑的短暂设计状况下进行承载力验算时,可采用安全系数法,内力采用标准组合,承载力采用标准值,安全系数可取大于1.0不大于1.5的值。

3、对本文采用的桁架式拉结件,建议在混凝土浇筑的短暂设计状况下进行承载力验算时,可采用基本组合和承载力设计值;由于拉结件间距不受拉结件承载力控制而受墙板混凝土开裂控制,因此建议对拉结件杆件直径和节间距进行优化,以充分发挥拉结件承载力。

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