夹心保温复合墙体（精选5篇）
夹心保温复合墙体 篇1
摘要：随着建筑节能50%-65%的要求,对墙体传热系数限值的需求,夹心保温复合墙体作为一种新型墙体,其墙体结构新颖、节能保温、外表美观、耐腐蚀等一系列优点正逐步得以应用和推广,但还没有统一的设计规范和施工操作工艺,介绍了国内外夹心墙体现状及其构造、施工工艺,探讨了夹心墙设计中问题,为相关人员提供参考。
关键词：夹心保温复合墙体,传热系数,连接件
1 前言
把保温材料(如聚苯、岩棉、玻璃棉等)放在两片墙体中间,并在内、外页墙中间设置拉接件,形成夹心保温复合墙体。该墙体一般由内页墙、保温层、外页墙构成,保温绝热材料设在外墙的中间,有利于发挥墙体材料本身对外界环境的保护作用,从而免去保温层、材料层的增强面层,造价相对降低了。在国外该墙体的应用已经很成熟,而国内对于夹心墙的应用及系统研究起步较晚,对许多问题缺乏针对性,有些还未开展研究。本文首先介绍了国内、外夹心墙的应用和特点,进而介绍了夹心墙的构造和施工工艺以及夹心墙的设计,为我国夹心墙设计和施工提供理论依据。
1.1 国外夹心墙应用情况
在北美、北欧等国家,将岩棉等轻质材料夹于两片墙体之间,并且内、外两片墙体之间设置拉接筋,构成夹心的复合墙体(结构上称之为空腔墙)。同时,还将不同材料的墙体相结合。形成各种各样的空腔墙体。
空腔墙最早出现在古希腊和古罗马的建筑中,19世纪前期,在英国重新出现这种墙体,并表明该墙体能有效阻止水汽渗透,1850年,金属连接件被应用于该复合墙体中。19世纪后期,空腔墙出现在美国,但直到1937年,这种墙体才被官方和相关组织机构所认可。之后这种墙体的应用广泛起来,但只限于低层建筑的外承重墙体,到1940年,由于设计者认识到该墙体在高层建筑中的优势,如有效阻止水汽渗透、良好的热特性、隔声和防火作用,这种墙体现在已广泛应用于各类建筑中。
夹心墙是西方发达国家早已普遍应用的典型节能墙体,在国外应用广泛并具有完整的设计和构造规定。
1.2 国内夹心墙应用情况
1990年前后,我国的东北、华北地区、西北地区各省市的主要城市,都建成一些节能住宅试点工程和节能住宅示范小区,在严寒地区的节能住宅中,多采用夹心保温复合外墙。
我国在借用国外经验和大量试验的基础上,将这种新型复合墙体纳入到《砌体结构设计规范》GB50003-2001,并将其规定的构造原则编入到相应的国家标准图集中,如《砼砌块墙体构造》、《配筋砼砌块建筑结构构造》03SG615、《建筑物抗震构造图集》04G329等。但夹心墙作为一种新型结构墙体,对其试验和理论研究都远不够,相应的设计与和构结构构造很不成熟和完善。
1.3 特点
该墙体是一种新型墙体结构,适用于多层或中、低层住宅、办公楼、高档别墅等公共与民用建筑。主要特点有:
a.夹心墙具有良好的受力性能和抗震性能。
b.夹心墙由于其夹心层为上下连续贯通(除极少数金属连接件或网片),这种构造可做到按保温隔热需要改变其厚度,满足和适应各种节能墙体指标的要求,而且这种作法可达到基本无热(冷)桥,效能极高,因此是我国三北地区节能建筑墙体之首选。
c.夹心墙的外叶墙可按需要由各种装饰功能的砌块组成,尤其是采用高强高密度装饰劈离砌块,除建筑美学功能外,可满足室外最苛刻的耐久性要求,这也是其他墙体难以达到的地方。
d.夹心墙的外叶墙和夹心层除装饰、保温功能外,另一个更重要的作用是其对内叶墙的防护或保护。这种保护极大地减少了内叶墙受到外界气候影响的侵蚀,对承重结构的耐久性、消除或减少砌体的裂缝具有非常重要的作用。
2 构造
夹心保温复合墙体由结构层(内页墙)、保温层、保护层(外页墙)组成(通常还需要根据具体情况设置空气层)。目前,在我国该墙体有两种复合型式:多孔砖夹心墙体和混凝土砌块夹心墙体。
多孔砖夹心墙结构层一般采用结构层为240 mm承重普通多孔砖,以120 mm厚装饰多孔砖作外叶清水装饰饰面,两叶墙之间按照保温层厚度要求留出空腔,填充保温材料,两叶墙之间以专用拉结件或拉结钢筋拉结。多孔砖夹心墙构造见图1(a)。
混凝土砌块夹心墙结构层一般采用190 mm主砌块,保温层一般采用50 mm聚苯板,保护层采用90mm厚装饰性劈离砌块砌体。结构层、保温层、保护层随砌随放置拉结钢筋网片或拉结钢筋,使之三层牢固结合。混凝土砌块夹心墙构造见图1(b)。
根据不同地区,节能50%~65%的要求,对外墙传热系数限值的要求,其保温材料的厚度是不同的。目前保温材料多采用聚苯板、岩棉板等,还有一种现浇发泡保温材料,是在现场将发泡保温材料灌注到内、外叶墙的夹层中而形成的夹芯墙体,其中现浇发泡保温材料是由脲醛树脂和发泡乳液经发泡、混合后灌注到夹层并在1 min内固化而形成的具有优异热绝缘性能的泡沫体。
构造特点:由于保温材料设在外墙中间,免去了保护层构造的作法,工程造价相对降低;施工时要注意保温材料填充连接部位的紧密,并做好内外墙之间的拉接;夹芯复合外墙保温的热工薄弱部位要比内保温复合墙少。注意圈梁、构造柱部位的施工,一旦形成热桥,墙体内表面会出现结露现象而影响使用;在已建成的楼房中发现有外墙角圈梁等部位的墙体表面出现结露、发霉变黑、面层起鼓、墙皮脱落等现象
3 施工工艺
普通多孔砖夹心墙施工顺序:
a.基础部分工程验收、基础顶面清理、弹线、湿润;
b.构造柱钢筋绑扎;
c.内叶承重墙砌筑、预埋拉结钢筋、墙面原浆沟缝,同时砌筑内隔墙,过梁安装→安装保温层→外叶墙砌筑;
d.过梁、雨蓬或阳台板等安装或现浇;
e.构造柱混凝土浇筑、钢筋混凝土圈梁浇筑、预制钢筋混凝土梁板等构件安装;
f.进行下一单元复合墙体施工。
混凝土砌块夹心墙施工顺序:
a.施工准备:完成基墙,抄平放线立皮数杆,砌块试排列,校正芯柱插筋位置;
b.砌筑外墙:砌内页墙→砌外页墙(内外页墙水平缝、竖缝应随砌随刮平,防止砂浆等杂物落入空腔)→插入苯板→安放内外页墙拉结网片→再砌内页墙,重复上一流程;
c.砌筑内墙:内外墙交接处应同时砌筑;
d.墙体砌到设计标高后,校正砌体轴线与标高,焊接芯柱钢筋,芯柱孔内砂浆及芯柱清扫口清理,封闭清扫口。浇捣芯柱混凝土;
e.挑梁、圈梁、楼梯、现浇板支模、绑筋、浇混凝土并养护;
f.重复以上步骤进行上一层的施工。
4 夹心保温节能复合墙体的设计
4.1 65%的节能设计依据
根据建设部编制的 《1996-2010中国建筑技术政策》中 “建筑节能技术政策篇”提出的基本目标,“从1996年起到2000年, 新设计的采暖居住建筑应在1980-1981年当地通用设计能耗水平基础上完成节能50%;从2005年起新建采暖居住建筑应在前一基础上再节能30%”,即在第一步节能的基础上节能65%,这也是我们常说的三步节能。
根据 《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95)、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计部分》(JGJ134-2001)与《夏热冬暖地区居住建筑节能设计部分》(JGJ75-2003)中规定的节能目标的基准能耗,在此能耗值的基础上,确定节能居住建筑全年的采暖、空调能耗降低50%~65%的节能目标,再按此目标对建筑、热工、采暖和空调设计提出节能措施要求。
考虑到各地节能建筑的节能潜力和我国的围护结构保温的技术成熟程度,避免了各地采用统一的节能比例的做法,而采取同一气候子区,采用相同的围护结构限值的做法。(参见《居住建筑节能设计标准》征求意见稿)。
4.2 夹心墙相关规程、图集
河北省工程建设标准 《烧结非黏土多孔砖夹心墙砌体结构技术规程》(DB13(J)49-2005);黑龙江省地方标准《烧结普通砖夹心苯板复合墙体施工及验收规程》(DB23/T697-2000) 与相应的图集《外墙夹芯保温》05J3-3构造图集;辽宁省地方标准《外保温夹心墙技术规程》(DB21/T1366-2005);《标准图夹心保温墙建筑构造》(07J107),大庆油田工程有限公司,2007年12月1日实施;《夹心保温墙结构构造》(07SG617),大庆油田工程有限公司, 中国建筑标准设计研究院,2007年12月1日实施;天津市地方标准《现浇发泡夹芯保温墙体施工及验收规程》(DB/T29-135-2005);由以上可见,我国夹心墙设计和构造标准不完备,施工及验收标准也有待完善。
4.3 设计中存在问题
夹心墙完善的设计包括四个方面:合理的设计、正确的构造、良好的材料和施工工艺。而在实际工程设计中,常会存在一些问题。
a.热桥处理
热桥降低墙体保温效果、形成室内结露,热桥部位常在梁、柱、板、内外梁拉结处等,尤其是夹心墙的金属连接件。设计中常会因为热桥部位比较多,出现部分热桥处没有采取相应的保温措施,保温效果不够理想,不满足热工规范的要求。
b.伸缩缝处理简单
一般住宅每两个单元就需设一道伸缩缝,伸缩缝内四周500 mm内填充苯板,外用镀锌铁皮防护,实际使用中,一旦铁皮防护不严或受损致使苯板保温失效,而缝两侧的墙基本没有一点保温能力,导致伸缩缝两侧房间热耗增加,恶化室内环境,因此伸缩缝内应填满苯板,并采取有效措施加强缝四周的密封围护。
c.苯板敷设拼接方式不利保温砌块夹心复合结构
有时苯板竖向接口采用双层错缝或企口拼接。这种设计使上下苯板无法企口连接,只能平接,且由于网片的存在,易造成接口有缝隙,导致保温层断裂,不连续。此做法只考虑了便于施工,却忽略了对保温的影响。应要求苯板水平及竖向接缝尽量避开砌块接缝,采用企口拼接,并应有粘接等封缝措施,拉接钢筋现场穿插苯板后再点焊成网片。
d.保温层做法过于简单
保温层厚度根据地区的不同而变化,当保温层一侧设有空气层时, 设计应把苯板用胶贴于内页上或采用双面带楞翅的苯板,两侧与内外片撑紧,以避免苯板在空腔内倾斜或移动,保证上下层苯板接合的严密性。但实际设计中对这些问题都欠考虑以至具体施工比较随意,影响保温效果。另外外墙转角处保温层应适当加厚。
e.构造调整时忽略保温
在砌块住宅施工过程中,时常会发生一些局部结构或构造调整,由于土建专业热工知识的缺乏及对专业沟通的忽视,往往忽略了某些调整会引起结构保温性能的变化而没有采取相应的加强措施,导致围护结构达不到应有的保温效果。
夹心墙作为一种新型复合墙体,墙体的受力性能、耐久性和优良的保温隔热性能是其他砌体保温墙体,如EPS外保温墙体、所谓三合一砌块保温墙体等难以比拟的。但作为一种推广的新型墙体,夹心复合墙体在设计和施工中都存在着很多问题,因此从试验和理论方面都需要更进一步的研究,设计和构造方面的标准需要完善、统一。
参考文献
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夹心复合墙体抗震性能试验研究 篇2
随着时代发展以及建筑节能65%目标的提出, 传统砌体结构已不能满足现代建筑对节能的要求, 据资料统计[1], 中国建筑能耗的总量呈现逐年上升的趋势, 其中, 通过建筑围护结构消耗的能量较大。由此可见, 开发节能型建筑围护结构有着重要的社会意义, 夹心复合墙体的研究正是基于这个背景提出的。从夹心墙体的组成来看 (见图1) , 该类墙体是由外叶墙、内叶墙、连接件、保温层通过设置异型构造柱、节能圈梁组合形成的新型复合墙体[2,3]。外叶墙采用具有表面装饰特性的多孔砖砌成, 免除外墙的二次装饰, 采用工业废渣替代黏土烧结而成, 选材符合节地政策, 将保温层放置在夹心墙中间, 起到了良好的保温隔热作用, 符合节能政策。
作为砌体结构主要受力构件, 夹心复合墙体整体承重的受力特点及抗震性能不同于以往有的仅考虑内叶墙作为承重构件。本文通过对墙体在低周反复荷载作用下的试验, 重点介绍夹心墙体的主要破坏形态和破坏过程, 分析夹心墙体的受力特点、拉结筋的受力情况和夹心墙体整体承重时的承载能力、延性、耗能等性能。
1 试验概况
1.1 试件设计
本次试件设计不同于传统的内墙承重, 而是以内、外叶墙均承重为考察对象, 采用2种材质烧结形成的多孔砖, 分别采用普通构造柱和异型构造柱、节能圈梁[如图1 (b) 所示, 不连续放置保温板以降低冷桥效应]作为实验要素, 混凝土强度等级为C40, 设计砌筑砂浆强度为M7.5, 页岩烧结多孔砖 (方孔) 抗压强度为30 MPa, 普通烧结多孔砖 (圆孔) 抗压强度为10 MPa。内叶墙厚为240 mm, 外叶墙厚为115 mm, 保温板厚为50 mm, 采用“Z”形拉结筋连接。内构造柱[见图1 (a) ]纵筋采用4Φ12, 箍筋采用Φ6;异型构造柱[见图1 (b) ]纵筋采用8Φ12, 箍筋采用Φ6。本次试验共3片墙体, 试件设计参数见表1, 试件尺寸均为1760 mm×1300 mm。W1-FF表示内、外叶墙均为方孔砖, 构造柱为异型构造柱;W1-YF表示内叶墙为圆孔砖, 外叶墙为方孔砖, 构造柱为异型构造柱;W1-YFN表示内叶墙为圆孔砖, 外叶墙为方孔砖, 构造柱为内构造柱。
1.2 试验加载设备
参照JGJ 101—96《建筑抗震试验方法规程》进行试验, 采用100 t MTS电液伺服结构试验系统配合反力架进行竖向和水平荷载的施加。试件基础用地槽螺栓固定在试验台座上, 千斤顶采用滚轴支座, 可随试件水平位移而自由移动, 使竖向荷载始终垂直于地面。试验中通过千分表量测基础的滑移。竖向荷载通过门式钢架施加, 千斤顶与钢架之间设置滚轴。为了准确控制竖向荷载, 在千斤顶下安放压力传感器。水平荷载通过水平反力架和电液伺服动作器施加[4]。
1.3 试验加载制度
竖向荷载施加方案:首先将竖向荷载1次加至要求值 (设计值为0.30 MPa) , 加载点位于墙顶面形心, 使外叶墙也参加工作, 这样更符合夹心墙实际的受力状况。在整个试验中, 竖向荷载值保持不变。水平荷载采用荷载-位移双控制的方法进行加载试验:仪器检查完后, 开始施加水平荷载进行预推。墙体开裂前, 采用荷载分级加载控制, 每级荷载往复推拉1次, 直至墙体开裂;开裂后, 进入位移控制加载阶段, 以某一变形量为极差进行加载, 直到压力下降到极限荷载的85%时试验停止[5]。
1.4 测点布置与数据采集
钢筋应变片的布置见图1, 墙面内测点为连接内、外叶墙的拉结筋, 构造柱、圈梁内测点为主筋。
2 夹心墙的破坏形态
夹心墙在地震作用下, 当被异型构造柱整体约束时, 其破坏形态与设置内构造柱不同 (如图2所示) 。由于影响制作墙体的因素较多, 因此, 2种构造且材质不同的墙体受力尤为复杂和多样。墙体在反复水平荷载作用下的破坏过程大致经历了以下3个阶段[6]。
弹性阶段:在水平荷载达到极限荷载30%前, 夹心复合墙体的受力性能表现为弹性, 其滞回环呈明显的线性关系, 往复荷载回位后, 墙体内的残余变形很小, 内外叶墙均未出现裂缝。这一阶段, 整体约束使得夹心复合墙体可视为1种内、外叶墙与拉接件共同协调工作的复合墙板。水平荷载达到极限荷载30%以后, 墙体内的残余变形逐渐有所增加。
弹塑性阶段:当水平荷载达到极限荷载70%~80%时, 外叶墙中部首先沿砂浆出现微裂缝, 而内叶墙随后才沿砂浆出现裂缝, 裂缝在一定范围内出现延伸。设置内构造柱的夹心墙, 出现裂缝的荷载明显低于设置异型构造柱的夹心墙, 且外叶墙裂缝分布相对比较集中在砂浆砌筑界面, 装饰砖几乎未受影响;而整体约束的夹心墙, 当内、外叶墙所用材质强度等级不同时, 呈现出内叶墙砖强度等级高的开裂荷载高。
破坏阶段:当水平荷载达到极限荷载时, 墙体中的斜裂缝已延伸至构造柱, 并逐步形成沿对角线方向贯通整个墙体的斜裂缝, 内叶墙裂缝主要集中在构造柱附近。设置内构造柱的夹心墙外叶墙裂缝仅显示单一X型裂缝, 裂缝最大宽度可达20 mm;而设置异型构造柱墙体的外叶墙裂缝呈现复杂的X型裂缝, 裂缝最大宽度为8 mm, 且部分外叶墙墙面有砖面起鼓剥落现象。作为夹心墙结构体系的主要抗侧力构件虽达到极限状态, 但仍可以承担全部的竖向荷载, 具有良好的抗倒塌能力。
3 夹心墙的抗震试验
3.1 滞回曲线 (见图3)
从滞回曲线可以看出, 设置内构造柱的墙体[见图3 (a) ], 在弹性阶段初期滞回曲线基本为直线;随着荷载的增大, 试件逐步进入弹塑性阶段, 滞回曲线呈梭形, 滞回环的面积也明显增大, 出现残余变形, 刚度明显退化;荷载继续增加, 裂缝增多, 滞回曲线向弓形发展, 滞回环的面积变的更大。
设置异型构造柱的墙体[见图3 (b) ], 在初期的弹性阶段滞回曲线基本为直线;随着荷载的增大, 试件逐步进入弹塑性阶段, 滞回曲线逐渐呈梭形, 滞回环的面积也明显增大, 但残余变形明显不同, 即刚度退化较慢;荷载继续增加, 裂缝增加较少, 滞回曲线向弓形发展, 滞回环的面积增加比只设置内叶墙构造柱的墙体少, 尤其是当内外叶墙的材质及强度等级不同时。
内墙使用方孔砖砌筑的墙体比使用圆孔砖的墙体抗震极限荷载高, 极限变形大, 说明材质与构造组成对夹心墙抗震性能的影响较大。从图3可以看出, 设置内构造柱墙体的滞回曲线较为饱满, 耗能性能较好;设置异型构造柱的墙体滞回曲线较为扁平, 耗能性能较差。
3.2 骨架曲线
骨架曲线为荷载变形曲线各加载循环的峰值点所连成的包络线[7]。骨架曲线可以反映墙体的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和延性特点 (见图4) 。
从图4可以看出, 尽管2个墙体的骨架曲线趋势相似, 但不同的构造仍存在明显的特征:设置异型构造柱的墙体开裂荷载远远大于设置内构造柱的墙体, 骨架曲线基本为直线;开裂后墙体骨架曲线有弯曲, 但荷载仍会上升;当到达极限荷载后, 曲线开始下降, 承载力和刚度退化较慢, 荷载值并未急剧下降;当荷载下降到极限荷载的85%时, 墙体仍具有一定的承载能力和变形能力。曲线下降段均缓和, 说明夹心复合墙体延性较好。
3.3 刚度退化曲线
在反复荷载作用下同强度的衰减一样, 刚度也存在衰减的过程[8]。试验得出的墙体刚度退化曲线见图5。
从图5可看出, 在墙体开裂之前, 其刚度下降很快, 通常在墙体出现宏观裂缝时, 刚度已经下降到初始刚度的40%左右, 其主要原因是裂缝的产生和发展破坏了墙体内部结构;从墙体开裂至明显屈服的过程中, 刚度继续下降, 但下降较为缓慢, 主要原因是裂缝不断发展为主裂缝, 同时内、外叶墙间的拉结筋协调了两叶墙的变形, 限制了裂缝的迅速发展;最后, 从墙体屈服到极限状态的过程中, 刚度下降得越来越缓慢, 这一过程主要是主裂缝贯通, 并伴随次生裂缝的发展, 因此刚度退化较稳定。与其它墙体的骨架曲线比较发现, 设置异型构造柱的墙体刚度衰减过程比设置内叶墙构造柱的墙体长。
3.4 承载能力和变形性能
墙体的极限承载力以试验的实测值为准, 并取正、反两个加载方向上极限荷载绝对值的平均值。其中Pc和Δc分别为实测开裂荷载和位移, Pu和Δu分别为实测极限荷载和位移, Pf和Δf分别为实测破坏荷载和位移, 具体试验结果见表2。
由表2可以看出, 设置内构造柱的墙体, 其开裂荷载及极限荷载明显小于设置异型构造柱的墙体;而同样为设置异型构造柱的夹心墙, 又因内、外叶墙材质的相同强度等级表现的最佳, 其开裂荷载达1.5倍;从破坏变形看出, 墙体极限位移最大, 说明对于夹心墙而言, 为了更好发挥其外叶墙材质的优势, 以异型构造柱的形式设计墙体受力, 可以较大提高该墙体的抗震性能;并且内、外叶墙的材质以及强度等级的匹配、构造柱的设置等直接影响墙体的抗震性能。由于内、外叶墙均受到梁柱的约束, 总的开裂能量被分布在两叶墙中, 好似1个耗能装置, 从而有效提高试件的变形性能, 与只有内叶墙约束的墙相比, 裂缝被限制在一定范围之内, 在反复荷载作用下, 还能继续有效地承受荷载, 此时墙体也能参与试件的抗侧力体系工作, 承载能力明显提高。
3.5 延性、耗能性、等效粘滞阻尼比
延性系数是结构抗震设计中1个重要参数, 是评价墙体变形能力的特征之一[9]。本文采用位移延性系数μ来表示延性的大小, 即根据输入总能量不变原理, 结构或构件的延性系数等于破坏荷载对应位移Δu与等效屈服位移Δy (采用面积互等法计算[7]) 之比。
墙体耗能性能用能量耗散系数Φ来衡量, 即在1个加荷循环过程中吸收的能量与该循环过程中的总变形能的比值。Φ值越大, 说明试件吸收能量就越多, 则试件的耗能性和抗震性越好。
等效粘滞阻尼比ξeq=Φ/2π。墙体等效粘滞阻尼比ξeq越大, 其耗能效果也越好。夹心复合墙体的延性系数、耗散系数及等效粘滞阻尼比见表3。
从表3可以看出, 荷载到达极限荷载时墙体的等效粘滞阻尼比都较大, 极限荷载之后随着位移的增大等效粘滞阻尼反而减小。原因是:加载初期, 墙体的耗能主要依靠墙体各部分的微小变形;随着位移的加大, 裂缝不断增多, 在反复荷载作用下, 开裂面间的相互摩擦、钢筋拉伸、构造柱圈梁的束缚以及墙体的塑性变形都消耗了大量的能量, 耗能能力加强。临近破坏时, 位移出现滑移, 墙体破坏严重, 耗能作用受到一定程度的削弱, 因而粘滞阻尼系数有所降低。极限荷载时的等效粘滞阻尼比平均为0.132, 破坏荷载时的等效粘滞阻尼比平均为0.111, 下降约16%, 表明墙体随变形的增大, 直至最终破坏, 其等效粘滞阻尼比下降并不大, 显示出该墙体具有较好的耗散地震作用的能力。设置内构造柱的墙体延性系数低于设置异型构造柱的墙体, 即内外叶墙均被约束受力的墙体延性较好;同时, W1-FF内外叶墙延性系数均稍大于W1-YF, 显示不同材质的砌体材料由于变形等方面不同影响了墙体延性。
3.6 钢筋的受力分析
W1-YFN、W1-YF、W1-FF有以下共同点:
(1) 在反复荷载作用下, 构造柱底部竖向钢筋受弯大于受剪, 呈反复拉压状态, 外侧底部钢筋及部分中部钢筋受拉屈服。底部钢筋的受拉屈服荷载小于中部, 建议夹心墙构造柱两端钢筋应保证一定的加密设置。
(2) 部分拉结筋发生屈服现象, 尤以墙体主拉应力区域的拉结筋屈服较多, 其它部位屈服较少或未屈服, 表明拉结筋钢筋发挥了拉结内外叶墙的作用。拉拔试验结果表明, 拉结筋效应的发挥程度主要取决于砂浆的粘结力及钢筋的锚固手段, 砂浆强度越高, 粘结钢筋的作用越好;另外, 同一灰缝内受力钢筋的数量也影响钢筋效应的发挥, 少量配筋比大量配筋发挥的效应高。
不同点是:设置内构造的墙体构造柱中部钢筋屈服较多, 设置异型构造柱的墙体构造柱中部钢筋屈服较少, 这与试验观测到的设置内构造的墙体构造柱中部混凝土表面破损较严重的现象一致, 说明异型构造柱促使了内外叶墙共同受力, 抵抗地震作用的能力较好。
4 结 论
(1) 内、外叶墙均设置构造柱, 内、外叶墙材质相同、强度等级相同的夹心墙开裂荷载明显高于内、外叶墙强度等级不同的夹心墙。
(2) 夹心复合墙体的滞回曲线、延性系数及耗散系数等抗震指标表明, 设置异型构造柱的夹心墙的抗侧刚度、变形能力和耗能性能均优于设置内构造柱的夹心墙。
(3) 设置拉结筋能较大程度地提高墙体的变形能力, 拉结筋对防止已开裂的外叶墙在地震作用下脱落、坍塌甚至被“甩出”有重要作用。
(4) 拉结筋的设置对于夹心复合墙体至关重要。拉结筋的形式以及如何设置其在水平及竖直方向上的分布, 使墙体具有最佳的抗震性能, 有待于进一步研究。
参考文献
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夹心保温复合墙体 篇3
目前,建筑工程中常用的保温墙体分为内保温、外保温以及预制混凝土夹心保温墙体三种。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,而外保温墙体存在着较为严重的防火及耐久性问题,其使用寿命一般为15年左右[1]。
预制混凝土夹心保温墙体是一种可实现围护与保温一体化的新型保温墙体,墙体由内外叶钢筋混?凝土板、中间保温层和连接件组成。连接件是连接预制混凝土夹心保温墙体内外叶混凝土板的关键部件,其受力性能直接影响墙体的安全性。早期预制混凝土夹心保温墙体大多采用金属格构筋连接件,其保温性及耐久性较差。近年来,预制混凝土夹心保温墙体则采用了纤维增强塑料(FRP)连接件,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。预制混凝土夹心保温墙体如图1所示。
预制混凝土夹心保温墙体具有诸多优点:(1)墙体采用FRP连接件代替传统金属连接件,可有效减小连接件部位产生冷(热)桥,保温效果优良;(2)墙体保温材料设置于内外叶混凝土板之间,能有效地防止火灾、外部侵蚀环境等不利因素对保温材料的破坏,抗火性能与耐久性良好;(3)预制混凝土夹心保温墙体能高效率地实现制备工厂化和施工装配化,适用于住宅产业化的发展。
本文在介绍国内外有关预制混凝土夹心保温墙体研究与应用现状的基础上,重点介绍了新型预制混凝土无机保温夹心墙体的构造、材料力学性能以及热工性能。
1 国内外已有研究与应用进展
1.1 试验研究
自上世纪90年代以来,国外针对夹心保温墙体及FRP连接件开展了一系列研究工作,Comm.Rep等[2,3]对夹心墙体的设计方法进行了研究,包括连接的设计和混凝土、钢筋及隔热材料的选取等;A.A.A Samad[4]开展了预制夹心墙板抗弯性能试验研究,结果表明,预制混凝土夹心保温墙板的破坏模式和传统的实心板非常类似,由于连接件的存在实现了夹心墙板的共同工作。David C.Salmon[5]等开展了采用不同连接件的足尺预制混凝土夹心墙体抗弯性能试验研究,研究表明,采用纤维增强塑料桁架连接件与采用普通金属桁架连接件的墙体具有相近的抗弯承载力。
近年来,国内学者也开展了预制混凝土夹心墙板的相关研究工作。清华大学藏人卓[6]开展了混凝土夹心墙板偏心受压试验,试验表明,竖向承载力随偏心距的增加逐渐减小。济南大学高娟等[7]对预制混凝土夹心板的受弯性能进行了试验研究,结果表明,混凝土夹心板开裂比普通实心混凝土板相对较晚,裂缝宽度发展较慢,破坏前有一定的延性。天津大学赵彤等[8]开展了预应力混凝土夹心板的抗弯性能试验研究,研究表明,预应力混凝土夹心板与普通混凝土夹心板相比,受弯破坏特征有明显改善,大大延缓混凝土夹心板的开裂,提高抗裂度,并提高了夹心板的抗弯刚度,减小板的总变形。同济大学[9,10]开发了采用有机保温材料的预制混凝土夹心保温墙体及FRP连接件并系统地开展了墙体及连接件的受力性能、设计方法等的研究工作。
1.2 工程应用
预制混凝土夹心保温墙体在国外的应用较早,最初的预制混凝土夹心墙体是由内外层混凝土板,金属格构筋连接件以及岩棉、聚苯板等保温隔热层组成。由于金属连接件导热系数高,耐久性差,墙体的整体保温效果较差,使用年限较低。
随着FRP材料在桥梁、港口码头工程中的广泛应用,质轻、高强、抗腐蚀的FRP连接件也开始应用于预制混凝土夹心保温墙体中。在澳大利亚,采用Thermomass系列连接件的预制混凝土夹心保温墙体已广泛地应用于公共建筑及商业建筑墙体。在日本,包括三菱公司在内的多家大型化学公司已开发或着手开发预制混凝土夹心保温墙体及FRP新型连接件。在美国,Aslan、Dow公司等许多大型公司已开发了多种系列的预制混凝土夹心保温墙体及其配套墙体FRP连接件,并已应用于工业与民用建筑物外墙板中。如明尼苏达州Ganglehoff中心、威斯康辛州百事可乐灌装公司、飞利浦莫里斯工厂等[11]。
相对而言,预制混凝土夹心保温墙体在国内的应用较少,亟待加强。
1.3 国内外相关规范
国外关于预制夹心墙板及FRP连接件已有相关规范条文。在墙体方面,PCI DesignHandbook(6th)介绍了几种不同构造预制墙体(预制混凝土夹心墙板、预制预应力墙板、双T型墙板等)的设计、制造、运输及安装方面内容。Acceptance Criteria for Sandwich Panels(AC 04)规定了预制夹心墙体分类、设计、试验方法、分析、质量控制等方面的内容。
连接件方面,国际专业评估机构美国ICC-ES协会颁布了AC 320《锚固于混凝土中的纤维复合连接件验收标准》,该标准规定了FRP连接件的测试与性能要求、试验方法与分析、质量控制、评估报告认证等方面内容。ICC-ES协会发布了ESR-1746《夹心保温墙板使用的THERMOMASS MC和MS纤维塑料连接件》。
目前,国内尚未颁布针对采用FRP连接件的预制混凝土夹心保温墙体相关规范和标准。夹心墙体标准与图集主要是针对砌块夹心墙体及普通金属格构筋夹心墙体,如JG 623—1996《钢丝网架水泥聚苯乙烯夹心板》、DBJ T 03—22—2005《05系列建筑标准设计图集》中的“外墙夹心保温”、GJB T—1035《夹心保温墙结构构造》等。
同济大学主编的上海市DG/T J08—2071—2010《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》中包含了预制混凝土夹心保温墙体及FRP连接件设计、构造及施工等方面的内容。目前,同济大学、北京万科企业有限公司等单位正在编制国家产品标准《预制混凝土夹心保温墙体用纤维增强塑料连接件》。
2 新型预制混凝土无机保温夹心墙体开发
近年来,同济大学与上海城建物资有限公司合作,开发了集围护与节能一体化的新型预制混凝土无机保温夹心保温墙体。与传统保温墙体相比,该墙体具有自重轻、保温效果好、抗火及耐腐蚀性能强、施工速度快等特点,可实现结构与保温同寿命。
2.1 墙体构造
墙体由内、外叶钢筋混凝土墙板、中间无机保温砂浆层以及板式FRP连接件组成。连接件由连接板和套环两部分组成。连接板两端设有FRP锚筋。板式FRP连接件在墙体中采用纵横交错布置,布置间距为500mm×500mm。墙体及连接件实物见图2,FRP连接件在墙体中的布置见图3。
2.2 材料力学性能
为测试无机保温砂浆材料及FRP连接件的力学性能,对FRP连接件和无机保温砂浆进行了材料力学性能试验。FRP连接件材性试验按照GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和美国ASTM D2344标准《聚合物基体复合材料及其层积材短梁强度的试验方法》进行,无机保温砂浆材性试验按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行,测试结果如表1、表2所示。
3 热工性能试验研究
为确定预制混凝土无机保温夹心墙体的节能保温效果,对墙体进行了热工性能测试。试件尺寸为1000mm×1000mm×180mm,其中,内外叶混凝土板厚55mm,中间无机保温砂浆板厚70mm,墙板试件见图4。测试方法参照GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》及JGJ 132—1201《采暖居住建筑节能检测标准》。测试内容为墙体热流量值、热阻、传热系数等。测试装置采用铜-康铜热电偶、数字温度巡回记录仪、WYP型板式测头等,测试装置见图5。
经过对墙体试件在稳定传热条件下连续72h的检测,墙体保温性能检测结果如表3所示。
由表3可知,墙体热阻R=1.21m2·K/W,作为外墙时,传热系数为0.738W/(m2·K),作为内墙时,传热系数为0.701W/(m2·K),低于国家JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》和上海市DG/T J 08—206—2002《住宅建筑围护结构节能应用技术规程》的规定要求(节能标准为1.0W/m2·K)。
4 结语
(1)预制混凝土无机保温夹心墙体是一种新型预制保温墙体,具有保温效果好、抗火及耐腐蚀性能强、生产与施工效率高等特点,可实现结构与保温同寿命。
(2)预制混凝土无机保温夹心墙体的热工性能试验研究结果表明,作为外墙时,传热系数为0.738W/(m2·K),作为内墙时,传热系数为0.701 W/(m2·K),满足国家相关建筑节能设计规范的要求。
摘要：介绍了一种新型预制混凝土无机保温夹心墙体。该墙体由内、外叶钢筋混凝土板、中间无机保温层以及纤维增强塑料(FRP)连接件组成,具有节能效果显著、抗火性能和耐久性能好、生产与施工效率高等特点,可实现结构与保温同寿命。开展了该新型预制混凝土无机保温夹心墙体的热工性能试验研究,研究表明,墙体的传热系数为0.738W/(m2.k),满足JGJ 134—2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的要求。
关键词：预制混凝土,无机保温夹心墙体,FRP连接件,热工性能
参考文献
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夹心复合墙体拉结筋受力性能分析 篇4
由于夹心墙具有内外叶墙的构造形式,所以拉结筋是夹心墙砌体结构中不可或缺的一个环节。当夹心墙砌体在外力荷载作用下,没有开裂之前,拉结筋的主要作用是协调内、外叶墙的变形;当墙体开裂之后,拉结筋除了协调两叶墙体的变形之外,对墙体的开裂还有一定的约束作用[1,2,3]。
拉结筋能够协调墙体内外叶之间的变形,提高墙体的整体性及延性性能,使墙体能够在温度、沉降以及砌体材质不均匀等产生变形的情况下,保证已开裂墙体不致于脱落、倒塌。但是,拉结筋对在内外叶墙片间可靠地传递内力,以及提高反复荷载作用下墙体整体的强度、刚度方面的作用不大。
2 拉结筋的布置及要求
夹心墙拉结筋能够充分发挥拉结作用,一个重要的前提是在砌体内如何布置。如果间距过大,拉结的效果就会降低;如果间距过小,拉结的效果虽然得到提高,但是在增加了施工难度,增大了建筑物成本的同时,还会因为拉结筋穿过苯板保温层产生的热桥多,墙体的保温隔热效果也会降低。因此,国内外一些规范也对夹心墙拉结筋的布置做了相关的规定。
美国建筑统一规范(UBC)中对拉结筋布置的要求是:每平方米夹心墙内Φ3.8不少于4根,Φ4.8不少于2.4根;拉结筋应竖向交错布置,其最大间距,水平为900 mm,竖向为600 mm;允许用矩形或者Z字形拉结筋拉结任何块体;拉结筋应具有足够的长度,以连接(咬合)所有墙片,拉结筋在墙体内的部分应全部埋入砂浆或者混凝土中,拉结筋端部弯折90度,弯折长度不小于50 mm。
我国《砌体结构设计规范》(GB 50003-2001)对夹心墙拉结筋的规定是:Z字形拉结筋直径不应小于6 mm;拉结筋应沿竖向梅花形布置,拉结筋的水平和竖向最大间距分别不宜大于800 mm和600 mm,对有抗震或者抗震设防要求时,分别不宜大于800 mm和500 mm;拉结筋在叶墙上的搁置长度,不应小于页墙厚度的2/3,并不宜小于60 mm。
为了能够给夹心墙研究提供更加丰富翔实的实验数据,让夹心墙的拉结筋能同时兼顾墙体稳定和经济实用,在满足了国内外规范要求的前提下,分别使用了直径为6 mm的冷拔钢丝(S)和6 mm的热轧钢筋(J)两种材料制作的Z字形拉结筋。所使用的热轧圆钢经过检测,屈服应变为1145;冷拔钢丝由于没有明显的屈服点,检测其σ0.2所对应的应变为1367。两种材质的拉结筋交错分布,整体呈梅花状[4,5]。具体布置情况如图1所示。
3 试验过程
本试验采用西安建筑科技大学结构实验室的MTS电液伺服结构试验系统进行试验。水平荷载通过100t电液伺服动作器配合反力架进行竖向和水平荷载的施加,其推力由作动器直接作用在墙片的侧面顶部,拉力则通过4根钢拉杆传到墙片圈梁的另一端。竖向荷载通过二级钢分配梁施加(如图2所示),千斤顶采用滚轴支座,可随墙片水平位移而自由移动,使竖向荷载始终垂直于地面。墙片底梁用水平压梁固定在试验台座上[6]。本次试验制作三片墙体试件,编号分别为:W2-FYN,W2-FY,W2-FF。
4 拉结筋受力分析
试验在拉结筋中部设置应变片监测点,由于试件在反复荷载作用下拉结筋的应变比较复杂,各试件拉结筋在低周反复荷载下的应变曲线分别见图3、图4、图5。
整理三个墙片的拉结筋的应变值范围,见表1。
通过表1可以看见多数的拉结筋受力范围都比较小,只有W2-FF的拉结筋J09出现屈服。
砌体结构拉结筋在地震力作用下应力变化很复杂,具有很高的随机性,因此在处理拉结筋应变时,很多人经常采用的只是将墙片在开裂荷载、极限荷载和0.85极限荷载时所对应的拉结筋应变挑选出来,然后简单的对比分析。这样的做法虽然提高了分析效率,简洁明确,但是往往也忽略了拉结筋应力变化的整体性。看似杂乱无章的拉结筋应变曲线之中,其实也是有一定的基本规律可以寻找的。
通过拉结筋应变曲线可以看出,不管单个拉结筋受到的是拉力还是压力,每个拉结筋应变都是随着墙片水平往复作用力的逐渐增加而增加。但是在每个循环作用下的增加并不是单纯增加,在同次循环的相反作用力下会有一定程度的降低。这一现象在各拉结筋曲线中表现不一,有些呈现很明显往复受力,甚至是拉压之间的转换;而有些只是拉或者压应变的循环递增。这个特征刚好体现了夹心墙在受到外力作用下,内外叶墙通过拉结筋的拉压,相互协调作用的状态[7]。
其次,每个拉结筋的应变变化在夹心墙出现开裂之前基本都能够符合上述规律,在墙体开裂到极限荷载之间,上述的规律性被进一步扩大。但是当水平力到达墙体的极限荷载之时,拉结筋的应变会突然失去控制,有的会出现拉压应变之间的瞬间转换。这是由于极限荷载到来之前,拉结钢筋传导受力主要依靠钢筋与砂浆接触面上的粘结力,钢筋在灰缝中是固定的;极限荷载之后,夹心墙的灰缝损坏严重,拉结筋的拉压传导主要依靠砖缝之间的干摩擦,拉结筋有一定的松动,在往复力的作用下,变形增大的墙体,其内外叶墙的间距变化会发生突然转变,从而导致拉结筋拉压状态的改变[8]。
5 结语
拉结筋并不能提高墙体的初裂荷载,但是可以有效控制裂缝的发展速度,推迟裂缝贯通的时间。拉结筋使得夹心墙的内、外叶墙之间形成了封闭的箱形截面,让外叶墙在协调内叶墙一致的同时,进而在一定程度上间接地提高了内叶墙的承载力。另外,拉结筋很大程度上约束了墙体的侧向位移,特别是保护层的侧向位移。
拉结筋应力变化非常复杂,造成这么复杂的变化情况,是由于有外在加载和内在砌筑材质、砌筑质量等诸多因素的影响。但是即使如此,拉结筋在水平反复荷载下所具有的规律性通过仔细研究还是能够寻找到,它的变形同时也体现了内外叶墙在平面竖向内的变形情况。
夹心墙拉结筋整体工作性能良好,个别出现屈服的原因是在某根钢筋上产生的应力集中现象所形成。所以在设计时也可以考虑使用经济成本比较低廉的冷拔钢丝制作拉结筋。
参考文献
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夹心保温复合墙体 篇5
在这种将保温材料置于外叶墙和内叶墙之间的节能夹心墙体,稳定性与传统的墙体相比较差。这种稳定性较差的节能墙体在实体建筑的应用过程中能否有效的抵抗风荷载、地震力,在水平惯性力和重力的作用下,砌体结构墙体通常会产生交叉的对角裂缝,造成严重的震害。因此,分析墙体在复合应力作用下的破坏形态是抗震性能研究的重要内容。当作用力较强时会出现什么样的破坏形态,对进一步研究这种墙体在结构安全方面的构造和设计形式十分重要。
1 夹心节能复合墙体的基本构造形式
夹心墙是将一定厚度的保温材料置于内外叶墙体之间的节能墙体[1],基本构造形式见图1所示。
2 试验方案
2.1 试件制作
本次试验制作3个墙片,竖向压力为0.3MPa,墙片设计参考《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101-1996)[2],墙片的制作按照《砌体施工及验收规范》(GB50203-2002)的规定进行。墙片设计主要参数见表1,墙片示意图见图2。
注:W1-FF表示内外叶墙均为烧结页岩多孔砖,构造柱为全构造柱;W1-FY表示内叶墙为普通烧结多孔砖,外叶墙为烧结页岩多孔砖,构造柱为全构造柱;W1-FYN表示内叶墙为普通烧结多孔砖,外叶墙为烧结页岩多孔砖,构造柱为内构造柱。
2.2 试验过程
试验采用西安建筑科技大学结构实验室的MTS电液伺服结构试验系统进行试验。试验加载见图3所示,水平荷载通过100 t电液伺服作动器配合反力架进行竖向和水平荷载的施加,其推力由作动器直接作用在墙片的侧面顶部,拉力则通过4根钢拉杆传到墙片圈梁的另一端。竖向荷载通过二级钢分配梁施加,千斤顶采用滚轴支座,可随墙片水平位移而自由移动,使竖向荷载始终垂直于地面。墙片底梁用水平压梁固定在试验台座上。
3 墙片破坏形态
3.1 墙片破坏形态
W1-FYN和W1-FY墙片试验采取的是荷载-位移双控制加载方式,即每个级别推拉各一次,并持荷3 min～5 min。墙片的竖向压应力为0.3 MPa,墙片破坏后的裂缝分布分别见图4和图5。
W1-FF墙片试验采取的是荷载-位移双控制加载方式,即每个级别推拉各一次,并持荷3 min～5 min。在预加载完成后,开始以50 kN为级差进行反复推拉加载。墙片的竖向压应力仍为0.3 MPa,墙片破坏后的裂缝分布见图6。
3.2 破坏形态分析
通过上述试验表明夹心复合墙在低周反复水平荷载作用下的破坏过程大致经历了三个阶段:
a.弹性阶段
在水平荷载达到极限荷载30%前,夹心复合墙的受力性能表现为弹性,此时滞回曲线近似呈一条直线,往复荷载回位后,墙体内的残余变形很小,内外叶墙均未出现裂缝。这一阶段,整体约束使得夹心复合墙可视为一种内外叶墙与拉结件共同工作协调的复合墙板。水平荷载达到极限荷载30%以后,墙体内的残余变形逐渐有所增加。
b.弹塑性阶段
当水平荷载达到极限荷载70%～80%左右时[3],夹心外叶墙中部首先沿砂浆出现微裂缝,而内叶墙随后才出现砂浆裂缝,裂缝在一定范围内会出现延伸。在这一阶段,不同构造情况表现是不同的,W1-FYN内叶墙开裂荷载为331.1 kN,比W1-FY和W1-FF的开裂荷载小118 k N和169.2 kN,而外叶墙的开裂荷载比后两者小68.2 k N和170.3 kN。可见,只设置内叶墙构造柱的夹心墙出现裂缝的荷载明显低于内外叶墙设置构造柱整体约束的夹心墙[4];W1-FF内、外叶墙的开裂荷载比W1-FY分别大102.1 kN和51.2 kN,可见同是整体约束的夹心墙,内外叶墙所用材质强度等级不同时,呈现出内外叶墙砖强度等级高的,开裂荷载高。
c.破坏阶段
荷载继续增加,当水平荷载达到极限荷载时,墙体中的斜裂缝已延伸至构造柱,并逐步形成沿对角线方向贯通整个墙体的斜裂缝,内叶墙裂缝主要集中在构造柱附近,外叶墙裂缝呈现复杂“X”型的裂缝,而只有内构造柱约束的夹心墙外叶墙裂缝仅显示单一“X”型裂缝。此后进入位移控制的循环阶段,有砖面起鼓剥落现象,设置内构造柱墙片外叶墙裂缝宽度最大可达20 mm,设置整体约束构造柱的外叶墙裂缝宽度最大达8 mm。此时,墙体达到破坏阶段,作为夹心墙结构体系的主要抗侧力构件虽达到极限状态,但仍可以承担全部的竖向荷载,具有良好的抗倒塌能力[5,6]。
4 结语
通过夹心节能复合墙体低周反复荷载试验结合试验墙片的破坏形态综合分析表明全构造柱墙片承载力较内构造柱墙片有较大提高,墙片变形也较大。在低周反复荷载作用下,夹心复合墙的破坏阶段均可分为弹性阶段、开裂阶段和破坏阶段。不同构造设置的夹心墙破坏机理不同:只有内构造柱墙片外叶墙的破坏基本符合主拉应力原理,而内叶墙开裂前基本符合主拉应力理论,剪摩理论则能很好地解释内叶墙开裂以后的承载力极限状态以及承载力退化的现象;设置全构造柱的夹心复合墙,内、外叶墙裂缝的产生是由于主拉应力超过了墙片主拉应力强度的结果,开裂后符合剪摩理论。
参考文献
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