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复合夹芯保温墙板新型连接设计及性能研究

2025-03-18 74 上传者：管理员

摘要：针对复合夹芯保温墙板传统的钢管锚节点、套筒节点存在热桥效应明显、施工复杂等问题，设计了一种新型F型节点，通过试验研究了三种连接方式的破坏模式及力学性能。结果显示，套筒节点极限承载力最高，性能稳定，适用于高承载力需求；新型F型节点弹性刚度较高，有效减少位移和热桥效应，综合性能较优；钢管锚节点构造简单，但承载力较低，适合荷载要求较小的工程；板厚增加显著提升了节点承载性能。该研究为优化复合夹芯保温墙板连接设计提供了依据，助力绿色低碳建筑的发展。

关键词：
力学性能
城乡建设
复合夹芯保温墙板
破坏模式
连接节点
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我国住房和城乡建设部发布的《“十四五”建筑业发展规划》强调,大力发展装配式建筑,推进绿色建筑体系建设,实施高质量的节能减排政策｡装配式建筑凭借高效､环保､节能的优势发展迅速,其中,复合夹芯保温墙板作为新型外墙围护材料,因其集保温与结构功能于一体,且热工性能良好､自重轻､整体性强､防火性能优异[1],已逐渐成为装配式建筑外墙的理想选择｡

在装配式建筑中,连接节点是墙板与主体结构之间的关键构件,其力学性能对建筑的整体刚度､稳定性和抗震性能至关重要[2]｡针对复合夹芯保温墙板,国内外学者已提出了钩头螺栓节点､钢管锚节点､套筒节点等多种形式[3],这些节点在一定程度上改善了连接性能,但仍存在热桥效应明显､施工复杂､生产效率低等问题,制约了其进一步推广[4]｡本文提出一种复合夹芯保温墙板新型F型节点,通过对比试验,研究其与钢管锚节点､套筒节点的力学特性和破坏模式,为复合夹芯保温墙板的连接优化提供理论依据和技术支持｡

1、复合夹芯保温墙板连接节点类型及新型F型节点设计

连接节点的设计是复合夹芯保温墙板的关键技术,直接影响外墙板的力学性能､施工难度和保温效果｡传统的钢管锚节点虽能缓解热桥效应,但构造复杂,需对墙板进行开洞和预加工,增加施工难度,降低生产效率,并对安装精度要求高[5]｡套筒节点是通过在蒸压轻质加气混凝土板(AAC板)上预先铣槽､钻孔并嵌入套筒,配合复合保温层施工,减少热桥效应[6],但该工艺对生产设备和加工精度要求高,制造工序多,影响整体生产效率｡这两种连接节点示意图见图1｡

图1常见的连接节点示意图

针对传统节点的不足,设计了新型F型连接节点,如图2所示｡其设计核心是连接板上设置的前卡板和后卡板,以及卡板之间的插接键｡前､后卡板通过凸起形成稳定的卡槽,使墙板可直接从节点上方或下方滑动卡入,无需预埋件｡这种设计大大简化了板材生产工艺,减少施工中的裁切或调整作业,降低生产及排板设计的复杂性,提高施工现场的安装效率,从而有效解决传统节点施工复杂､效率低的问题｡

图2新型F型连接节点结构

该新型F型节点通过插接键增强墙板的稳定性和力学性能｡插接键位于前卡板和后卡板之间,支撑并固定墙板在垂直方向,限制其水平位移,有效传递垂直和水平荷载,确保优良的整体性和刚度｡相比传统节点,新型F型节点无需额外加工步骤,可显著减少热桥效应导致的保温性能损失,提高连接强度｡

2、连接力学性能试验研究

2.1试件设计

针对钢管锚节点､套筒节点和新型F型节点,设计了6组不同板厚(150mm和200mm)的试件,墙板长×宽均为1500mm×600mm,探究连接节点在不同工况下的受力性能和极限承载力｡每组试件基于复合夹芯保温墙板中的AAC板基层,密度等级为B05,强度等级为A3.5,试件参数见表1｡

表1试件参数列表

试件的板材采用经过防锈防腐处理的焊接钢筋网片进行配筋｡纵向布置6根直径为6mm的冷拔低碳钢筋,横向配置直径为4mm的冷拔低碳钢丝｡这种钢筋配置不仅增强了试件的整体刚度,同时也提高了墙板在荷载作用下的抗裂性能｡试件板材分两种规格,尺寸分别为1500mm×600mm×150mm和1500mm×600mm×200mm｡为了更接近实际工程中墙板的受力情况,在每块板材的中部设置了两根间距为100mm的横向分布钢筋,用以模拟足尺板材在横向荷载作用下的力学行为｡通过调整板厚和节点形式,探讨不同参数对节点力学性能的影响｡板材厚度选取两典型值,既能反映墙板在常规尺寸下的性能,也能为实际应用中不同厚度板材的设计提供参考｡

2.2试验方案

试验采用四分点加载方式,以模拟墙板在实际均布荷载作用下的受力状态,试验装置如图3所示｡荷载通过分配钢梁均匀传递至试件表面｡试验过程中,通过在试件净跨中部及连接节点处布置位移传感器,记录试件在不同荷载水平下的挠度变化｡同时,观测墙板开裂荷载､节点极限破坏荷载以及破坏模式,为分析节点与墙板的协同工作性能提供可靠的数据支持｡

图3试验装置

2.3试验过程

试验按照GB/T50152—2012混凝土结构试验方法标准,采用逐级单调加载原则,确保数据精确和过程可重复｡正式加载时,以加载设备和AAC板自重为初始荷载｡随后,每级荷载按预计极限荷载的10%递增,加载后保持2min观察变形与裂缝扩展｡墙板初步开裂进入屈服阶段后,加载模式切换为位移控制,以5mm为位移递增步长,继续加载并保持每一级位移2min,记录挠度､裂缝分布及节点局部破坏演变｡加载持续至试件失去承载能力,明确破坏荷载和位移临界点｡整个过程中,实时采集荷载-位移关系､裂缝发展､屈服和极限荷载等关键参数｡

3、试验结果及分析

3.1破坏模式

对于相同节点类型,其试件破坏模式相同｡对于不同节点类型,在试验中则展现了不同的力学性能和破坏特征｡

钢管锚节点试件的破坏特点主要表现为拔出破坏｡加载初期,AAC板处于弹性工作阶段,未出现裂缝｡当荷载增至7.69kN时,节点拔出位移约30mm,板材跨中和节点端出现一定挠度,但板体仍完整｡继续加载至11.54kN后,节点区域发出破裂声,AAC板上层环状裂缝迅速扩展,钢管锚节点受拉变形,导致板顶钢筋与AAC板整体被拔起｡试件达到极限荷载后,承载力迅速下降至约85%,表现出脆性失效特征｡预埋锚固钢筋在荷载作用下逐渐变形,超过极限值时,钢筋上部屈曲并引发AAC板劈裂破坏｡

套筒节点试件的破坏模式表现为AAC板的剪切破坏｡当荷载达到30.5kN时,加载点附近板侧面开始出现斜裂缝,跨中与节点端挠度显著增长,裂缝迅速扩展并贯穿板底,导致混凝土大面积剥落和底部钢筋网片外露,表现出明显的斜拉破坏特征｡整个破坏过程迅速,裂缝贯通后试件迅速失效,但套筒节点本身未发生明显形变｡这种破坏模式的主要原因是套筒节点承载力较高,而AAC板抗折能力较弱,导致板材断裂早于节点失效｡这符合“强节点､弱构件”的设计原则｡因此,套筒节点优于钢管锚节点的力学性能｡

新型F型节点试件的破坏模式展现出混凝土楔形体的特征性失效,如图4所示｡加载初期,AAC板未见明显变形｡当荷载增至13.8kN时,加载点附近出现细小斜裂缝｡随着荷载增加,裂缝逐渐扩大,在15kN时,板端沿节点前卡板和插接键位置形成两条对称斜裂缝,局部AAC板发生剪切破坏｡最终,板端局部混凝土以节点为顶点形成明显的楔形体,该形状和位置受板厚显著影响｡F型节点本身仅轻微形变并未失效,上下层钢筋网片变形也较小｡这说明这种设计有效限制了节点形变,将破坏控制在局部区域,展示了优良的抗剪性能和连接稳定性｡

图4新型F型节点试件的破坏

从破坏模式来看,钢管锚节点受限于钢筋拔出导致的脆性破坏,而套筒节点尽管强度较高,却因AAC板的局部剪切失效受到限制｡相比之下,新型F型节点通过创新设计有效避免了热桥效应,并显著提升了板端区域的承载能力与破坏控制能力,有利于复合夹芯保温墙板的结构功能使用｡

3.2力学性能结果及分析

力学性能结果如表2所示,跨中和节点端位移-荷载曲线如图5,图6所示｡

表2力学性能结果

图5节点端荷载-位移曲线

图6跨中荷载-位移曲线

从力学性能结果来看,不同节点类型和板厚对极限承载力､跨中位移和节点端位移有显著影响｡板厚相同时,套筒节点的极限承载力最高,F型节点次之,钢管锚节点最低｡以200mm板厚为例,钢管锚节点的极限承载力仅为套筒节点的48%,而F型节点约为62%｡这种差异主要是因为套筒节点设计显著提高了受力传递效率,F型节点性能也优于钢管锚节点｡板厚增加显著提升了节点的极限承载力,在套筒节点试件中,板厚从150mm增至200mm时,极限荷载从26.60kN增至30.50kN,增幅明显｡板材厚度增加增强了AAC板的整体刚度和抗剪能力｡对于钢管锚节点和F型节点,极限承载力也随板厚增大而增加,但增幅略低于套筒节点｡

从荷载-位移曲线看出,不同节点的力学行为差异显著｡钢管锚节点初期承载力低,极限承载力迅速达峰后急剧下降,呈现脆性失效｡套筒节点曲线平滑,具有较长塑性阶段,破坏过程缓慢且可控｡F型节点曲线介于两者之间,塑性阶段明显长于钢管锚节点,表现出良好的综合性能｡

综合来看,套筒节点在极限承载力和安全储备方面占优,尤其适合高承载力需求｡新型F型节点弹性阶段刚度和抗变形性能良好,综合适应性较强｡钢管锚节点虽承载力和刚度较低,但构造简单､施工便捷,适合承载力要求不高的情形｡因此,可根据工程需求选择节点类型,若需高承载力选套筒节点,若需兼顾刚度和成本则可选新型F型节点｡

4、结论

通过对钢管锚节点､套筒节点和新型F型节点的力学性能试验,分析三种节点的破坏模式及力学性能,为复合夹芯保温墙板连接设计提供了重要参考｡结果表明:1)套筒节点极限承载力最高,破坏模式符合“强节点､弱构件”的设计原则,在抗剪和承载力方面表现出较高的工程适用性｡2)新型F型节点的弹性刚度最大,能有效限制节点端位移,且通过优化设计减小了热桥效应,是一种性能优良的连接方式｡3)钢管锚节点的结构简单,但极限承载力和刚度相对较低,更适用于对荷载要求较小的工程环境｡4)板厚对节点性能有显著影响,随着板厚增加,节点的极限承载力和刚度均有所提高｡

参考文献:

[1]曲秀姝,李中杰,孙岩波.预制混凝土夹心保温墙体GFRP连接件抗剪性能研究[J].北京建筑大学学报,2024,40(3):94-101.

[2]王雪,陈威威,艾明星,等.蒸压加气混凝土复合保温墙板系统受力性能研究[J].建筑科学,2024,40(3):145-153.

[3]段尊哲.新型保温墙板在建筑工程中的施工技术要点[J].石材,2023(7):7-9,12.

[4]邱吉祥.预制夹心保温墙板FRP拉结件连接性能研究[J].山西建筑,2023,49(9):26-30.

[5]张艳霞,程啸天,张爱林,等.钢框架钢管锚滑移节点外挂蒸压加气混凝土墙板振动台试验研究[J].建筑钢结构进展,2021,23(10):67-74.

[6]刘丁源.复合夹芯保温墙板连接方式的力学性能研究[D].张家口:河北建筑工程学院,2023.

基金资助:浙江省建设科研项目(项目编号:2024K064);

文章来源:余振翼,罗毅.复合夹芯保温墙板新型连接设计及性能研究[J].山西建筑,2025,51(07):30-33.