外墙免拆复合保温模板连接件数量合理选择

吴德义，王雅倩，口永刚

（1.安徽建筑大学 建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，合肥 230601; 2.中铁四局集团建筑工程有限公司，合肥 230000）

随着经济的快速发展，人民的生活质量需求不断提高，建筑行业对建筑保温节能越来越重视，鼓励应用绿色建材，重视坚持科学发展观和可持续发展道路。近些年，外墙免拆复合保温模板在房屋建设中得到广泛的应用[1]。如图1，保温模板通过连接件与混凝土墙体之间产生稳定的连接。连接件作为外保温系统中的重要连接方式，其穿过保温模板，一端锚固于混凝土墙体中，另一端与圆盘相连[2-3]。在使用过程中，保温模板受到风荷载、地震荷载的组合作用，可能会发生连接件从混凝土墙体中被拔出、拉断以及连接件圆盘破坏等现象，造成模板从建筑外墙脱落，不能达到保温效果。因此，对连接件进行拉拔试验与受力分析，合理选择连接件的数量有广泛的应用背景[4-5]。

图1 外墙免拆复合保温模板结构体系图

1 连接件拉拔试验

1.1 工程概况

本文以中铁四局机关大院拆迁改造项目为背景。该项目位于合肥市包河区，总层数为 12-27层。房屋抗震烈度为7 度，属于C 类密集建筑群的城市市区。建筑高度H=20 m 以下的保温模板使用黏贴剂粘贴，连接件主要是针对高度H>20 m 的连接方法。现场试样选用厚度为70 mm、宽度为600 mm 的挤塑板（XPS）保温模板，两面砂浆面层厚度均为8 mm，Q345B 级金属锚栓直径d=14 mm，锚栓圆盘直径D=70 mm，连接件长度L=215 mm[6]。

1.2 试验方案

连接件的破环试验沿连接件的轴向加载进行，对连接件的破坏形态及承载力进行分析。中铁四局集团局机关大院北区拆迁改造工程项目现场实测，本文采用海创高科HC-MD60 高精度铆钉拉拔仪，共对10 组连接件进行拉拔力学性能试验[7]。

1.3 试验结果及分析

1.3.1 试验结果

连接件拉拔实验结果如表1 所示。

表1 连接件拉拔试验结果

连接件锚栓抗拉承载力标准值表述为FK，圆盘抗拉承载力标准值表述为FRK，表达式如式（1）所示。

1.3.2 试验分析

根据以上试验结果可以得出：

（1）连接件圆盘发生破坏时，连接件未发生抗拉破坏，也未发生从基层混凝土墙体中拔出现象，表明在外保温系统中连接件圆盘要比连接件更易发生破坏。

（2）连接件锚栓最终从基层墙体拔出时，锚栓本身未出现明显破坏，全部是锚栓和混凝土之间发生滑移，导致锚栓拔出破环。

（3） 依 据 表1 得 出 的 圆 盘= 2.141，S=0.061，V=0.028， 锚 栓= 9.619，S=0.066，V=0.007，圆盘n1=10 个时K=2.6，带入公式（1）得出FRK= 1.985 kN，FK= 9.444 kN。

2 连接件受力及破坏理论分析

2.1 连接件受力分析

如图2，高层建筑荷载以风荷载和水平地震作用为主，为避免保温模板受到风荷载和水平地震作用而脱落，考虑水平负风压及水平地震作用效应组合作用，分析金属连接件受力特征，确定避免连接件拉断、混凝土墙体中拔出以及连接件圆盘破坏等现象发生应具有的连接件数量[8]。

图2 外墙免拆复合保温模板受力示意图

2.1.1 风荷载作用

风荷载标准值表达式如式（2）所示。

式中：ξ 为脉动增大系数；v 为脉动影响系数；

z 为振型系数；H 为建筑高度，m；B 为建筑宽度，m；ω0为基本风压值，kN/m2；μs为风荷载体型系数；μz为z 高度处的风压高度变化系数；WK为风荷载标准值，kN/m2。

取建筑高度H=80 m，宽度B=30 m，墙面风荷载体型系数μs=1.0，μz=1.54，z=Hi/H，代ω0=0.40 kN/m2入公式（2）得WK=1.010 kN/m2。

2.1.2 地震作用

水平地震作用标准值表达式如式（3）所示。

式中：βE为动力放大系数；αmax为水平地震影响系数最大值；GK为重力荷载标准值，kN；A 为玻璃幕墙平面面积，m²；qEK为垂直于玻璃幕墙平面的分布荷载作用标准值，kN/m²。

βE=5.0，αmax=0.5，保温系统的单位质量m=25 kg。代入公式（3）得qEK=0.613 kN/m²。

2.1.3 风荷载及地震荷载组合作用

考虑风荷载及地震荷载表达式如式（4）所示。

式中：SWK为风荷载效应标准值，kN/m²；SEK为地震作用效应标准值，kN/m²；γW为风荷载分项系数；γE为地震作用分项系数；ψW为风荷载组合值系数；ψE为地震作用的组合值系数；S 为作用效应组合的设计值，kN/m²。

取γW=1.4，γE=1.3，ψW=1.0，ψE=0.5，可变荷载分项系数一般取1.4，SWK=1.414 kN/m²，SEK=0.858 kN/m， 代 入 公 式（4） 得S=1.813 kN/m²。

2.1.4 不同高度建筑荷载组合情况

计算建筑高度H=20-100 m 的外保温系统的。 当H=20 m、H=40 m、H=60 m、H=80 m、H=100 m 时，μz=0.84、μz=1.13、μz=1.35、μz=1.54、μz=1.7。代入公式（2）、公式（3）以及公式（4），得到不同高度处的荷载组合值S 分别为1.301 kN/m²、1.518 kN/m²、1.677 kN/m²、1.813 kN/m²、1.924 kN/m²。

2.2 连接件破坏理论分析

本文考虑到连接件锚栓的破坏形式为：（1）保温模板受到的荷载效应组合S 大于锚栓锚固在混凝土墙体中的水平锚固力T，引起保温模板及连接件滑移破坏；（2）保温模板受到的荷载效应组合S 大于连接件的抗拉强度，造成连接件受到抗拉破坏；（3）保温模板受到的荷载效应组合S引起连接件的圆盘变形过度而损坏。

2.3 连接件承载力分析

2.3.1 连接件锚固承载力分析

混凝土和连接件之间的锚固力表达式如式（5）所示。

式中：d 为连接件直径，mm；L 为有效锚固长度，mm；μ为混凝土抗压强度，N/mm²；T 为单个锚筋的抗拔承载力标准值，N。

工程中常用Q345B 级金属锚栓，d=14 mm，L=145 mm，μ 为水泥标准抗压强度的10%，代入公式（5）得8.924 kN，结果远大于一般单个锚栓的抗拔承载力标准值0.6 kN，因此，改变单个连接件的直径d 以及锚固长度L，可以减小抗拔承载力T，不仅降低其成本，而且满足安全性及稳定性[7]。

当锚栓直径取最小d=14 mm，锚固长度最小L=30 mm，代入公式（5）得T=1.846 kN。显然T ＞0.6 kN，连接件不易发生拔出破坏，符合要求。

锚栓直径d=14 mm 相同，在不同锚固长度L情况下，计算T，如表2 所示。

表2 单个锚栓抗拔承载力标准值

锚栓锚固连接破坏主要有钢材破坏及混凝土破坏。连接件钢材破坏一般出现在连接件离保温模板边距较大、锚固长度较大处；混凝土破坏则一般出现在边距小而锚固长度较小处。在连接件与混凝土墙体的接触面，避免混凝土边缘出现破坏，再考虑到保温系统的稳定性，则需要单个连接件抗拔力T 大于FRK圆盘抗拔力。确定d=14 mm，L=50 mm，T=3.007 kN，符合要求。

2.3.2 连接件的抗拉承载力分析

连接件锚栓最终从基层墙体拔出时，锚栓本身未出现明显破坏，全部是锚栓和混凝土之 间发生滑移，导致锚栓拔出破环。FK= 9.444 kN > FRk=1.985 kN，所以计算连接件数量时可不考虑连接件的锚栓抗拉承载力标准值。

2.3.3 连接件圆盘承载力分析

连接件圆盘发生破坏时，连接件未发生抗拉破坏，也未发生从基层混凝土墙体中拔出现象，表明在外保温系统中连接件圆盘要比连接件更易发生破坏，所以计算连接件数量时需考虑连接件的圆盘抗拉承载力标准值。

3 连接件布置分析

3.1 单个连接件相应保温模板面积

单个连接件相应的保温模板面积表达式如式（6）所示。

按公式（6）计算得出表3。

表3 ω0=0.4 kN/m2 时不同建筑高度荷载组合与相应单个锚栓相应模板的面积

3.2 全国其他地区单个连接件所相应保温模板面积

查询全国各地区的基本风压ω0= 0.3~1.5 kN/m²，当地面粗糙程度为C 类、地震设防烈度为7 度，不同基本风压ω0下，计算不同建筑高度H 处的风荷载和地震荷载组合值S 以及单个锚栓所相应的模板面积A，如表4 和5。

表4 ω0=0.6 kN/m2 时不同建筑高度荷载组合与单个锚栓所相应模板面积

针对全国不同地区的基本风压ω0、不同高度H 的风荷载及地震荷载组合与单个连接件所相应的模板面积，可知基本风压ω0= 0.3~1.5 kN/m²，当建筑高度H=20~60 m 时，单个锚栓所相应模板的面积A=1.53~0.38 m²；当建筑高度 H=60~100 m 时，单个锚栓所相应模板的面积A =1.18~0.32 m²；在使用过程中，需考虑锚栓受荷不均匀系数K=1.25，因此，H=20~60 m，单个锚栓所相应模板的面积A=1.91~0.48 m²；H=60~100 m，单个锚栓所相应模板的面积A=1.48~0.40 m²。本文项目高度H=80 m，基本风压ω0=0.4 kN/m²，荷载组合值S=1.813 kN/m²，通过理论计算单个锚栓所相应的模板面积A=1.36 m2。荷载组合值S=1.513 kN/m²，单个锚栓所相应的模板面积A=1.64 m²。单个锚栓所相应的模板面积越小，其锚固效果越好。现场保温模板锚栓布置为单个锚栓所相应的模板面积A=0.14 m²，因此符合要求。

4 结语

针对实际工程，免拆复合保温系统在使用过程中，风荷载及地震荷载组合值S 远小于锚栓抗拔承载力标准值T 时，连接件不会被拔出，不易导致保温模板和连接件发生破坏，而锚栓圆盘处容易出现破坏。

单个锚栓锚固力T 大于圆盘抗拔力FRK，且连接件锚栓拉拔力FK大于圆盘抗拔力 FRK，因此需首先考虑圆盘的破坏。锚栓直径取最小d=14 mm，减小锚固长度，直至锚固长度最小L=30 mm时，单个锚栓锚固力仍符合安全要求。

针对全国不同地区基本风压ω0=0.3~1.5 kN/m2，考虑外保温系统中锚栓在使用过程中受荷不均匀系数K=1.25，可以得出建筑高度H=20~60 m，单个锚栓所相应的模板面积A=1.91~0.48 m²；建筑高度H=60~100 m，单个锚栓所相应的模板面积A=1.48~0.40 m²。