弯折角度对热阻断拉结件剪切性能影响的试验研究

李靖谕，杨艳敏*，王秀丽，谢晓娟，袁 琦，高 远，邹毓喆

1吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118 2吉林省建筑科学研究设计院,长春 130011

0 引言

近十年,随着装配式建筑的发展,预制夹芯保温墙板倍受学者关注,拉结件作为墙板的连接构件,需抵抗墙板重力以及地震作用下形成的剪力,为提高拉结件的抗剪性能,Benayoune A,Bush T D等[1-3]人对采用普通钢筋桁架作为抗剪拉结件制作的夹芯保温外墙板的结构性能进行试验研究和有限元分析,得出钢筋连接件能够有效传递剪力的结论[4].传统的拉结件大多使用金属材料,但金属材料导热性强,易生锈腐蚀,热桥效应明显.针对这些问题本试验设计出玻璃纤维套筒热阻断拉结件,该拉结件由玻璃纤维套筒与钢筋构成,玻璃纤维套筒可以阻断热量传递,降低热桥效应,提高墙板保温性能.

1 试验概述

1.1 试件设计

设计1个应用玻璃纤维套筒热阻断拉结件的夹芯单元板试件(试件编号为DS1)和2个对比试件(试件编号为DS2,DS3),见表1,试件尺寸设计如图1所示.

表1 试件设计Table 1 Test specimen design

(a) DS1 (b) DS2 (c) DS3图1 玻璃纤维套筒拉结件Fig.1 Glass fiber sleeve connectors

双剪试件制作步骤如图2所示.试件制作应注意保温板间隙需使用发泡胶,防止保温板错动,第2层保温墙板制作与底层相同.

(a) 安装底层钢筋网片及拉结件 (b) 底层混凝土浇筑 (c) 铺底层保温板图2 制作底层试件Fig.2 The bottom specimen made

1.2 加载装置与量测方案

本试验采用50 t电液伺服液压加载系统进行试验,为测量中间混凝土板的竖向位移值,中间混凝土层的上下两端分别布置位移计1和位移计2；其中一个方钢管上放置位移计3和位移计4,测量其试验过程中支座是否沉降与变形.加载装置示意图如图3所示.

2 试验现象及对比分析

试验加载初期,在荷载达到极限荷载的50 % 时,试件内部产生裂缝,有微弱的声响产生；随着试验的进行,荷载不断增加,声响逐渐增强,裂缝不断发展,直至最后发出剧烈声响试件破坏,试验结束.试件破坏形态如图4所示.

试验结束后抠出保温板,观察拉结件发现,DS1试件混凝土在2个拉结件顶点处完全拉拔而出,其余节点破坏不明显；DS2试件钢筋在中间拐点处产生严重形变,部分纤维套筒产生裂缝,中间拐点处混凝土的破坏形式以拉脱为主；DS3试件钢筋在拉结件顶点产生较大形变,钢筋被拉直,混凝土被拔出,其他位置未产生明显破坏.

图3 加载装置示意图Fig.3 Schematic diagramof loading dersice

(a) DS1侧面破坏图 (b) DS2侧面破坏图 (c) DS3侧面破坏图图4 试件破坏形态Fig.4 Specimen failure patterns

3 试验结果分析

3.1 荷载-位移曲线

图5为不同弯折角度绘制得到的拉结件荷载-位移曲线,亦得到在荷载增长过程中试件的变形情况.

图5 不同角度拉结件荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of connectors at different angles

从图5中可得,3条曲线的发展趋势一致,随着荷载的增加,位移线性增加.通过数据可知，110°玻璃纤维套筒拉结件抗剪极限承载力相比90°,70°拉结件分别增加13.7 %,59.2 %,因此可知抗剪承载力随弯折角度的增大而增大.

3.2 DIC应变分析

数字图像法(DIC)为本试验采用的观测方法,该方法是通过数字相机记录试样表面的散斑位置[5],主要是将图像分隔为若干小区域(子区),对变形前后的子区图像进行计算分析得到最相关的亚像素位置[6],最后由计算机计算应变等力学信息.

试验过程中的应变变化及不同阶段的应变云图如图6所示.

(a) 试验初期 (b) 试验中期 (c) 试验后期图6 不同阶段应变云图Fig.6 Strain cloud images at different stages

(1) 试验初期图像处于绿色与紫色之间,证明正负应力均存在,试件同时受多种力的作用,从中难以得到规律性结论.

(2) 试验中期由于荷载的增加,黄红色线条逐渐出现,绿紫色逐渐汇集,面积增大,最后有一段黄红色线段出现,该黄红色线段即为混凝土因荷载增加而产生的裂缝.

(3) 试验后期蓝紫色明显充斥图像大部分区域,清晰的黄红色线段出现在图像中央,将绿紫色区域分隔开,该线段为试件表面产生的1条较长裂缝,同时可观察到在主要裂缝上有几条次要裂缝向其他方向延伸.试件表面破坏DIC应变云图如图7所示.在图像中,3个试验试件均产生1条清晰的黄红色线段,在线段周围则是绿紫色区域,图像裂缝位置与试验观测裂缝位置一致.

(a) DS1 (b) DS2 (c) DS3图7 试件表面破坏应变云图Fig.7 Surface cloud images of specimen surface failure

对比分析不同弯折角度的3种试验试件DS1,DS2,DS3,可得试件表面最大应变出现在弯折角为90°的试件,其表面黄红色线段清晰,裂缝明显，弯折角度90°试件最大应变值分别约为弯折角度110°和弯折角度70°试件的9.6倍、4.1倍.

4 结论

通过对不同弯折角度的玻璃纤维套筒拉结件组成的夹芯保温墙板的双剪试验,对破坏机理、荷载-位移曲线进行对比,并运用DIC观测方法进行试件表面应变分析,得出以下主要结论:

(1) 弯折角度为110°及弯折角度为90°拉结件顶部拉杆在受剪力作用时,混凝土易拉脱,拐点位置受拉力作用而拉直,其余拐点变化不明显；而混凝土在弯折角度为70°拉结件顶点与中间拐点均产生裂缝,尤其在中间拐点,钢筋产生较大形变,部分纤维套筒发生开裂.

(2) 运用DIC应变观测方法,在加载过程中可观测到试件表面产生黄红色线条,即应变集中的横向裂缝,而在弯折角度为90°玻璃纤维套筒拉结件试件表面可观测到更清晰的贯穿裂缝,因此试件表面裂缝发展受弯折角度影响.

(3) 不同弯折角度对玻璃纤维套筒拉结件的抗剪性能有较大影响,其抗剪能力随弯折角度的增加而增加,弯折角度为110°玻璃纤维套筒拉结件抗剪极限承载力相比弯折角度为90°和弯折角度为70°拉结件分别增加13.7 %和59.2 %,因此弯折角度为110°拉结件抗剪性能较好.