用于保温混凝土墙板的柔性连接件力学性能测定

摘要

我们提出了一种测试方案，该方案可与广泛使用的分析方法相结合，用于评估剪力连接件的力学性能，以指导保温混凝土墙板的设计，进而预测全尺寸保温板的整体力学行为。

摘要

本文档提供了适用于连续和离散保温混凝土夹芯墙板（ICSWP）的非标准双剪试验的操作建议。目前尚无此类标准化试验方法，但已有若干类似试验在文献中被不同程度地实施过。此外，文献中的试验极少详细描述或深入讨论其测试过程、数据分析及安全操作规程。本文推荐了一种试件构型，并讨论了可能的变体。从荷载-位移数据中识别出关键的力学性能参数，并详细说明了其提取方法。通过试验数据在设计中的应用示例（如确定连接件刚度），简要展示了如何计算ICSWP的挠度和开裂行为。可利用完整的荷载-位移曲线或仅基于连接件最大强度来确定墙板的强度性能。文中同时指出了当前方法的局限性与未解问题，并明确了未来需要开展的重要研究工作。

引言

保温混凝土夹心墙板（ICSWPs）由两层混凝土中间夹设一层保温材料构成，这两层混凝土通常被称为“叶层”（wythes），共同为建筑围护结构或承重板提供热工与结构性能上的高效构件¹（图1）。为了适应快速发展的建筑行业以及建筑节能规范对热工性能的新要求，预制构件制造商正在生产具有更薄混凝土层和更厚高热阻保温层的ICSWPs；此外，设计人员也采用更为精细的方法来考虑混凝土叶层之间的部分组合作用，以在提升热工与结构性能的同时降低整体建筑成本²。尽管已知结构效率在很大程度上取决于混凝土层之间的结构连接，且市场上已有多种专有的抗剪连接件，但目前文献中尚无标准化的测试方法用于评估这些连接件的力学性能。现有连接件在几何形状、材料和制造工艺方面差异显著，因此难以建立统一的分析方法来确定其力学特性。基于此，许多研究人员在实验室中采用自行设计的试验装置，试图模拟连接件在正常使用极限状态和承载能力极限状态下的基本受力行为^{3,4,5,6,7,8,9,10}。然而，尽管已有两种方法被纳入测试评估体系^5,8，但由于连接件在形状、刚度和材料组成方面存在广泛差异，这些方法并不适用于所有类型的连接件。

图 1：夹芯墙板试件的典型构造。 请点击此处查看此图的放大版本。

测试这些连接件的常用方法是单剪试验，即采用单排或双排连接件进行测试，如前所述^3,11,12，该方法通常基于混凝土锚栓测试标准 ASTM E488¹³。ASTM E488 并未明确要求，但通过建议的试验装置图示强烈暗示了应测试从固定混凝土基座中伸出的单个锚栓。试件测试完成后，绘制一组荷载-位移曲线，并从这些曲线中获得极限弹性荷载（F_u）和弹性刚度（K_0.5Fu）的平均值。采用这种方法的主要优点之一是结果变异小，且无需大型实验室空间或大量传感器¹⁴。另一种方法是对叶状连接件进行双剪加载，以确定用于此类面板设计的力学性能^6,7,14,15,16。所得数据以相同方式处理，并通过试验获得极限弹性荷载（F_u）和弹性刚度（K_0.5Fu）的平均值。尽管这种测试方法需要使用更多材料并配备更多传感器，但在实验室中施加荷载和边界条件据称更为简便。

两种测试方式看似差异不大，但其结果却有所不同，这主要取决于它们在多大程度上能够模拟连接件在全尺寸墙板中的实际受力行为。单剪单列测试装置会产生一种夹持效应，如图2B、C所示，同时还会产生额外的倾覆力矩，如先前研究所述^14,17，而这种力矩在全尺寸墙板中并不存在。相比之下，双剪测试能更准确地模拟全尺寸条件下的真实行为——它能够反映外层板相对于中心层板的纯剪切滑移。因此，已有研究表明，在分析方法中采用双剪测试所得参数，其计算结果更接近于代表性保温墙体面板在大尺度测试中获得的实际数据¹⁴。图3展示了连接件进行单剪和双剪测试的示意图装置。

图 2：文献中采用的不同连接件测试构型示例。 单个连接件试件所产生的加载方式并不能真实反映全尺寸板中各叶板所呈现的平行平移行为。（A）两个连接件的双剪构型；（B）一个连接件的双剪构型；（C）一个连接件的单剪构型。请点击此处查看该图的放大版本。

所有这些研究结论的共同点在于，两种测试方法均适用于确定柔性连接件的力学性能，但双剪测试方案的结果更能准确反映连接件在实际受弯面板中的行为。换句话说，当用户在分析模型中采用此类测试结果时，其与大规模试验结果（即实际使用连接件的情况）更为接近。需要强调的是，此类测试结果适用于直接以力学性能作为输入设计参数的模型，例如经验推导方法、夹层梁理论的解析解，以及包含二维和三维弹簧的有限元模型^7,18,19,20。

图3：文献中测试方案的示意图。 使用一个冲头使试件的各层彼此相对移动。（A）单剪和（B）双剪测试方案。 请点击此处查看该图的放大版本。

本研究提出了一种实验方案，用于获取保温墙板层间连接件的骨架曲线及其力学性能参数，即 F_u 和 K_0.5Fu 的数值。该方法基于双剪试验方式测试连接件，并进行了若干改进，以消除变异来源，获得更可靠的结果。所有试样均在温控环境中制备，并在混凝土达到目标抗压强度时进行测试。该试验方案的主要优势在于操作简便，可由不同技术人员重复实施，且能够准确反映在实际保温混凝土墙板中，连接件在受弯或弯矩与轴力共同作用下的真实力学行为，这一点已在相关文献中得到证实。

采用建议的叶板连接件测试方案来确定其力学性能和材料行为，将提高保温混凝土墙板行业测试结果的准确性，并降低有意开发创新连接件的创业者的进入门槛。未来在竖立式和预制混凝土行业中，保温板结构的大幅增长将需要更高效地利用材料，以及更统一的方法来获取板材的工程性能。

方案

1. 制备测试样本

1. 选择待测试的离散型或连续型剪力连接件，并按照图4所示试件尺寸进行制作。如有需要，可通过调整连接件的边缘距离来修改试件边缘净距。
   注：通常应遵循制造商的指导原则，但本试验也可用于制定这些指导原则。混凝土层和保温层的尺寸由所关注的连接件决定。测试所得的力学性能仅对该特定组合下的混凝土层厚度、混凝土强度、保温材料密度与类型以及连接件有效。
2. 确定所代表设计工况的混凝土目标抗压强度。若旨在模拟足尺试验结果，则需确保混凝土强度与足尺试件或测试时预期设计的强度相同。若针对某一特定工况（如预制墙板起吊时的最小强度），则应在该强度下进行试验。
3. 采用混凝土层的竖向或水平布置方式制作混凝土模板。确保试验方式与实际施工方式一致，以便连接件的安装方式与现场实际情况相符。
   注：大多数在役的夹心保温墙板（ICSWP）均采用各层水平叠合的方式制造。
4. 对泡沫保温层进行开孔（适用于销式拉结件）或定位保温板块（适用于缝内安装式拉结件），并将连接件放置于制造商提供的标准图纸所指示的位置。根据试验机构希望获取性能参数的方向，确定连接件的安装方向（例如，相对于主轴方向或施加荷载方向为0°、90°或其他角度）。
   注：除非连接件的安装方式本身是试验关注的变量，否则应按照制造商/供应商的要求进行安装。
5. 在模板中放置第一层钢筋，以防止试件在搬运或测试过程中因混凝土开裂而发生脆性破坏。
   注：由于试件在受力作用下很少出现开裂，因此通常认为普通构造钢筋并非必要，除非预期其参与连接件与混凝土之间的粘结作用。图5展示了步骤1.5至1.14在整个流程中的布置顺序。
6. 若所有混凝土层无法在初凝前及时浇筑完成，则各层之间至少间隔3小时浇筑，或根据连接件制造商的建议执行。
   注：步骤1.7至1.14表示连续浇筑混凝土的过程。
7. 将新拌混凝土倒入模板中，并充分振捣，以防止混凝土中形成较大的气孔或颗粒压实不良。
8. 放置含有连接件的第一层保温材料，或根据情况将连接件压入泡沫中。保温层应与新拌混凝土接触。为确保连接件周围混凝土充分密实，除非连接件制造商另有建议，否则应使用内部混凝土振捣器以每分钟12,000次振动频率对连接件进行振捣。
   注：振捣2至5秒足以确保连接件周围的混凝土密实。
9. 在混凝土中间层中放置一个承载能力为1吨（或根据试件最终重量选择更高承载力）的吊装锚固件，以便于后续搬运。
10. 在模板中将第二层钢筋布置于中间混凝土层的中心位置。
11. 将第二层新拌混凝土倒入模板中，并按照前述方法充分密实。
12. 放置含有连接件的第二层保温材料，或按照步骤1.4所述方式将其安装至泡沫中。需仔细确保连接件周围的混凝土已充分密实。
13. 在模板中将第三层钢筋布置于第三层混凝土的中心位置。
14. 将第三层也是最后一层新拌混凝土倒入模板中，并充分振捣。
15. 为试件制作过程中使用的每种混凝土制备混凝土圆柱体，用于抗压强度记录。
    注：此步骤可在试件制作过程中的任何时间完成，但建议在某一批次浇筑进行到一半时进行。圆柱体的制备与现场养护应符合ASTM C31²¹标准。
16. 将试件置于温控环境中养护，直至混凝土达到所需强度。当混凝土硬化程度足以承受起吊装置的荷载时，即可将试件脱模。

2. 双剪切试样的测试

注意：图6 展示了准备进行测试的试件代表性布局（未显示棘轮绑带）。

1. 当制作试件所用混凝土达到预期强度后，将试件送至实验室进行取样。
   注：抗压强度测试应遵循 ASTM C39²² 标准。测试操作过程中，环境温度应保持相对恒定，建议温度为 25 °C ± 5 °C，且在试件测试与存放期间均应维持此温度范围。该测试温度范围无需严格控制，因为所涉及材料的性能在典型室温条件下不应发生显著变化。
2. 在外部混凝土层底部放置两条尺寸为 3 mm × 100 mm × 600 mm 的聚四氟乙烯（PTFE）垫条，以减少测试过程中的摩擦。
3. 将试件置于加载框架下，使中间混凝土层居中对准加载装置。使用液压千斤顶或大型万能试验机，在中间层顶部施加荷载，并注意通过足够大的承压板均匀分布荷载，防止在预期荷载下发生承压破坏。
4. 使用混凝土或砌体螺钉将钢角码固定在中间混凝土层上。通过钢制或塑料垫圈在钢角码与混凝土表面之间预留至少 5 mm 的间隙，以避免角码与试件发生非预期相互作用（图6）。
5. 在试件两侧的两个外层混凝土层上（共四个位置）安装位移传感器，用于测量钢角码相对于其在外层混凝土上固定位置的位移。
   注：推荐使用的位移传感器为线性可变差动变压器或电位计。传感器应始终存放在干燥、无尘、无湿气且无磁干扰的容器中，以防校准失效。不推荐使用模拟指针式百分表。
6. 在试件上部松松地缠绕一条宽 50 mm 的尼龙带，以确保在连接件发生意外脆性断裂时不会对周围环境造成损害，包括对技术人员和传感器的伤害。确保尼龙带足够松弛，不会干扰试件的位移，如 图7 所示。
   注：该尼龙带可防止各层完全分离，并在试件破坏后便于拆除，即使各层不再分开亦可操作。但此步骤（步骤 2.6）为可选步骤。
7. 将荷载传感器居中放置在中间混凝土层顶部，并夹在两块尺寸为 20 mm × 150 mm × 150 mm 的钢板之间。确保钢板不超出中间层边缘，以免在试件变形过程中干扰保温层。
8. 将荷载和位移传感器接入数据采集系统（DAQ）。
9. 以至少 10 Hz 的采样频率开始数据采集，以确保荷载和位移被准确记录。
10. 对中间混凝土层施加荷载，直至达到最大实际位移且强度显著下降；当荷载损失超过 50% 时，建议停止测试，尽管该阈值为人为设定。若需获取下降段的更多数据，可继续施加任意所需的变形。加载过程应采用单调、准静态方式，速度应足够快以避免连接件和混凝土的徐变影响测试结果，但又不能过快以致无法视为静态加载，除非高加载速率本身是研究关注的变量。
    注：这表明测试持续时间应在约 5 分钟至数小时之间。使用手动液压泵进行测试，持续时间约为 5–10 分钟时，已可获得充分结果。
11. 停止数据采集，并将加载装置回撤至初始位置。
12. 拆除所有传感器并按上述要求妥善存放。
13. 将测试后的试件移至清洁区域，分离三个混凝土层，以确定破坏模式：混凝土劈裂破坏、连接件剪切破坏或其他类型。记录破坏模式、保温层粘结质量及其他相关视觉信息。务必拍摄照片。

3. 分析数据并报告结果

注意：本节描述了用于评估文献中若干工程特性的数据分析方法。其他工程特性也可能具有研究价值，且数据的应用价值并不局限于下述特性。

1. 将数据采集系统（DAQ）测试生成的数据文件传输至进行数据分析的计算机/文件夹中。
2. 以四个位移传感器的平均值为横坐标，连接件荷载为纵坐标（定义为测得的总荷载除以连接件数量）绘制曲线。
   注意：实验方法使用者在对数据进行平均和报告之前，必须检查数据中是否存在故障传感器或不可靠的测量值。
3. 使用数据分析软件的适当功能确定最大荷载及其对应的位移，并将这些值分别记录为 F_u 和 δ_u。 
4. 将最大荷载除以 2，得到半最大荷载 F_0.5Fu，并找出其对应的位移 δ_0.5。
5. 通过将半最大荷载 F_0.5Fu 除以其对应的位移 δ_0.5，计算连接件的弹性刚度（K_0.5Fu）。如果 F_0.5Fu  不位于试验曲线明显的弹性阶段，则应选择一个明显处于该区域的较低荷载，并报告所选数值。若使用了较低的荷载值，务必记录其相对于 F_u 的比例及对应的具体荷载大小。
   注意：目前，部分设计人员将 K_0.5Fu  直线的终点用作连接件服役荷载的上限。
6. 报告每种连接件品牌、类型或混凝土强度条件下五个试样的平均结果。
   注意：所报告的结果仅对特定的混凝土层、保温层、混凝土强度和连接件组合有效。

结果

图8 和 图9A 显示实验室中对纤维增强聚合物（FRP）连接件进行双剪试验所得的典型单个连接件荷载-平均位移曲线。如图所示，荷载持续上升至峰值后急剧下降，这在大多数涉及聚合物的试验中均属典型现象。然而，随着 图9B 表明，若取样为延性金属连接件，则在达到最大载荷后曲线趋于平缓，因此载荷-位移曲线可能出现两种结果：延性断裂或脆性断裂（图 9A,B）。尽管文献中一些FRP连接件表现出一定的延性（图9C），与延展性金属制成的连接器相比，这一数值非常小。数据来自 图8 呈现在 补充文件 1每个子图的数据 图9 呈现在 补充文件 2,...

讨论

许多研究人员已使用过此类ICSWP测试的某些变体，但本文首次系统地概述了所有具体操作步骤。现有文献尚未涉及测试中的关键步骤，包括传感器类型和试样处理方法。本方法描述了一种测试方式，相较于单剪测试，能更真实地模拟面板在受弯时连接件的实际受力行为。本研究中仍有一些变量有待进一步探讨。具体而言，与边界条件相关的信息尚不明确，但可能对测试结果产生影响。同样，荷载施加位置的容差以及荷载加载速率也可能具有重要影响。根据其他文献中所述双剪试样的力学原理^10,14，关键变量是试样的长度。

尽管对于高度为1,200 mm的试件已显示出看似充分的结果，且已有若干研究人员尝试了多种不同长度，但最优长度仍不明确。据非正式观察，作者发现当试件长度低于该1,200 mm时会出现夹持行为，此前已有相关报道¹⁴。目前尚不清楚选择更长尺寸是否会产生显著差异。横向尺寸被认为不会影响测试结果，除非出现边缘效应或连接件之间的相互作用。根据商业连接件的嵌入尺寸...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电池供电钻机
混凝土螺钉			商用混凝土螺钉，长度为 50 mm。
数据记录仪			采样频率至少为 10 Hz。
双剪试验试件			根据测试规程中的尺寸加工制作。
四个线性可变差动变压器			量程至少为 25 mm（用于纤维增强聚合物（FRP）连接件）和 50 mm（用于延性钢连接件）。
液压作动器			承载能力至少为 50 吨。
额定载荷为 1 吨的吊装锚栓
载荷传感器			承载能力至少为 50 吨。
加载框架			能够抵抗试验试件产生的作用力。
聚四氟乙烯（PTFE）垫板			3 mm × 100 mm × 600 mm
棘轮绑带			宽度至少为 50 mm。
钢角
钢板			两块 20 mm × 150 mm × 150 mm 的钢板。
钢垫圈			能够在钢角与试件之间产生至少 5 mm 的间距。