预制混凝土夹心保温外墙板用金属拉结件受压性能试验研究
1. 研究背景
拉结件是预制混凝土夹心保温外墙板的关键配件，其分为金属拉结件和非金属拉结件。目前，国内引进和使用的金属拉结件产品主要包括德国哈芬（HALFEN）的针式、夹式及板式拉结件，芬兰佩克（peikko）的桁架式拉结件（图1）。
（a）桁架式拉结件
（b）针式拉结件
（c）夹式拉结件
（d）板式拉结件
图1 金属拉结件产品
近年来，中国建研院建研科技股份有限公司建筑工业化事业部已针对上述各类型拉结件的受拉性能、受剪性能、拉剪复合受力性能、温度作用受力性能等方面进行了较为全面的试验与理论研究，部分研究成果填补了国内该领域空白。
实际上，拉结件除了承受拉力、剪力外，在使用阶段风压荷载、温度作用、偏心荷载等作用下，还将承受不同程度的压力，实际受力状态可能处于压剪。由于保温板的存在，这些压力实际上由拉结件和保温板共同承受，进而被传递给内叶墙。但目前，各类型拉结件在设计时对受压问题的考虑并不全面和准确，国内还缺乏对拉结件受压性能的试验研究。
基于上述背景，我们与北京市燕通建筑构件有限公司合作，从目前国内拉结件的实际应用情况出发，对这些典型拉结件的受压性能进行了试验研究，为完善拉结件的设计方法提供依据。
2. 试验方案
2.1 试件设计
试件参数见表1，拉结件锚固深度参考产品技术资料的最小值取值。试件混凝土强度等级为C30。为考虑保温板老化等不利因素，试件中保温板采用密度和强度较低的EPS保温板。对每种参数，共制作2个相同试件，共计16个试件。此外，制作100mm、200mm、250mm厚保温板试块各3个，试块截面尺寸为300mm×300mm。
表1 拉结件受压试件参数
试件由保温层及内、外叶板组成，其中外叶板厚60mm，内叶板厚120mm，外叶板置于上侧，试件具体尺寸如图2所示。对夹心构造为空腔的试件，试验时去除保温层。
（a）佩克桁架式拉结件
（b）哈芬夹式拉结件
（c）哈芬针式拉结件
（d）哈芬板式拉结件
图2 拉结件受压试件设计图
2.2 加载装置与量测方案
试验加载装置如图3所示，试件四角采用角钢夹固限位，顶部放置钢板使试件均匀受压，采用竖向千斤顶对试件施加压力，连续加载直至试件破坏，加载速度控制在1kN/min。在试件四边中点各设置1个位移计，以量测上下混凝土板的相对位移，此外在拉结件上粘贴应变片量测拉结件受力过程中的应变。
图3 拉结件受压试验装置
3. 试验现象
3.1 针式、板式、夹式拉结件
3.1.1 有保温试件
试件在压力作用下逐渐被压缩变形，同时荷载不断上升；在荷载达到峰值之前，没有明显现象；荷载达到峰值之后，试件继续受压变形，荷载下降速度减缓，最终趋于稳定，荷载下降至峰值的85%以下时结束试验，可明显观察到保温板受压膨胀后向四周突出。
各类型拉结件有保温试件的试验结束状态与掏空保温板后观察到的拉结件破坏状态如图4 所示。
（a）针式拉结件
（b）板式拉结件
（c）夹式拉结件
图4 针式、板式、夹式拉结件有保温试件破坏状态
3.1.2 无保温试件
针式、夹式拉结件：均以腹杆受压屈曲明显，最终因试件变形过大且荷载已经下降至峰值的85%以下而结束试验。
板式拉结件：随着压力增加，拉结件发生屈曲，荷载随之降低；继续加载，拉结件弯折愈加严重，最终因变形过大且荷载已下降至峰值的85%以下而结束试验。
各类型拉结件无保温试件的试验结束状态与拉结件破坏状态如图5 所示。
（a）针式拉结件
（b）板式拉结件
（c）夹式拉结件
图5 针式、板式、夹式拉结件无保温试件破坏状态
3.2 桁架式拉结件
有保温试件：试件在压力作用下逐渐被压缩，同时荷载不断上升；荷载达到峰值前，没有明显现象；荷载达到峰值后，试件继续受压变形，荷载下降逐渐变缓，最终趋于稳定，压缩过程中保温板发出轻微的挤压响声；保温板膨胀后向四周突出。
无保温试件：掏空保温板且尚未加载时，桁架式拉结件腹杆均已出现微弯曲的现象，上方混凝土板明显下沉；加载初期拉结件腹杆变形不明显，但很快一侧的拉结件腹杆发生严重屈曲，上方混凝土板塌陷，试验结束。
各试件破坏状态和掏空保温板后观察的拉结件破坏状态照片如图6 所示。
（a）有保温试件
（b）无保温试件
图6 桁架式拉结件试件破坏状态
4. 试验结论及建议
4.1 针式、板式、夹式拉结件
4.1.1 荷载-位移及应变曲线
各试件的荷载-平均位移曲线和拉结件应变与荷载的关系曲线如图7 所示。
（a）荷载-平均位移曲线（从左至右：针式、板式、夹式）
（b）I型荷载-拉结件应变曲线（从左至右：针式、板式、夹式）
（c）II型荷载-拉结件应变曲线（从左至右：针式、板式、夹式）
图7 针式、板式、夹式拉结件荷载-位移及应变曲线
从上图可知：
1）试件的荷载-平均位移曲线峰值有差异，但走势基本一致，可以分为三个阶段：第一阶段是加载初期，表现为曲线线性增长，试件处于弹性状态；第二阶段是曲线非线性增长，但增长速度变缓，荷载增大至峰值；第三阶段是拉结件受压屈曲，荷载下降，位移继续增加，但荷载下降速度逐渐变缓，最终荷载趋于稳定。
2）荷载-拉结件应变曲线总体可以分为两种类型：
I型：加载初期曲线呈线性增长，当荷载接近峰值时，曲线表现出非线性，之后拉结件发生屈曲，且测点靠近受拉侧，导致应变呈反向减小，由压应变逐渐转变为拉应变并不断增大；
II型：应变始终保持为压应变，荷载达到峰值前，应变随荷载呈线性变化，之后拉结件突然发生屈曲，荷载下降，由于测点靠近杆件受压侧，因此压应变持续增大。
4.1.2 承载力分析
各试件的承载力统计及分析见表2。表中Nu为加载过程中的拉结件承载力试验值的平均值；Nd为拉结件的承载力设计值，根据国外产品技术资料取值。
表2 拉结件承载力分析一
将有保温试件、无保温试件和保温板的整体受压承载力进行对比分析，结果见表3，表中保温板承受的荷载由相同厚度保温板的平均压应力试验值（本文未详细给出保温板的试验结果）乘以拉结件试件中保温板的截面面积得到。
表3 拉结件承载力分析二
由上述结果可知：
1）有保温试件、无保温试件的承载力试验值与设计值的比值大于国外和国内设计时采用的承载力分项系数1.5（拉结件自身破坏），满足可靠性要求。
2）有保温试件的荷载大于无保温试件与保温板荷载之和，位移越大时二者差别越大。这是由于有保温试件中保温板的存在为拉结件杆件提供了侧向约束，增强了拉结件杆件的稳定承载力，延缓了其受压屈曲。
3）在拉结件垂直度和平直度满足要求的情况下，对针式、板式拉结件，按计算长度为0.6倍杆件长度计算稳定承载力是可行的；对夹式拉结件，计算长度可取为杆件长度的0.8倍。
4.1.3 变形分析
按平均值分析，单个拉结件的特征点荷载及平均位移统计见表4。
表4 单个拉结件受压变形分析
由上表可知：达到设计承载力和极限承载力时，有保温试件和无保温试件的平均压缩位移均较小，且均远小于外墙板的胶缝变形能力（大于10mm）。
4.1.4 设计方法分析
按拉结件承受全部压力和保温板承受全部压力两种方式进行分析。按拉结件承受全部压力时，分析结果见表5；按保温板承受全部压力时，分析结果见表6。
表5 按拉结件承受全部压力分析
表6 按保温板承受全部压力分析
根据上述分析结果建议：
1）对针式拉结件，考虑实际工程中不容易控制其平直度和垂直度，因此建议按保温板承受全部压力进行设计，且控制保温板的设计压应力不大于设计允许压应力，设计允许压应力取为min（保温板强度的1/2，保温板变形达到胶缝允许剪切变形量时应力的1/2）。
2）对板式、夹式拉结件，平直度和垂直度偏差控制相对容易，建议按拉结件承受全部压力进行设计，且无需对保温板额外进行验算。
4.2 桁架式拉结件
4.2.1 荷载-位移及应变曲线
各试件的荷载-平均位移及应变曲线如图8 所示。
（a）荷载-平均位移曲线 （b）荷载-应变曲线
图8 桁架式拉结件荷载-平均位移及应变曲线
由上述结果可知：
1）荷载-平均位移曲线走势一致，可分为三个阶段：第一阶段是加载初期，表现为曲线线性增长，试件处于弹性状态；第二阶段是曲线非线性增长，但曲线斜率减小；第三阶段是曲线以第二阶段结束时的斜率继续接近线性增长，最终以压缩位移超过保温板极限位移（10%保温板厚度）而结束试验。
2）加载初期荷载-应变曲线呈线性增长，当荷载还较小且仍保持增大时，由于杆件发生屈曲，且测点靠近受拉侧，导致应变突然反向减小直至试验结束。
4.2.2 承载力分析
各试件的承载力统计及分析见表7和表8。
表7 桁架式拉结件受压承载力分析一
表8 桁架式拉结件受压承载力分析二
由上述结果可知：
无保温试件的承载力很小，仅为有保温试件的3%~10%，且加载开始后很快发生破坏，说明桁架式拉结件在无保温的情况下无法有效承压，必须依靠保温板。
4.2.3 设计方法分析
根据试验结果可知桁架式拉结件只能按保温板承受全部压力考虑，需控制保温板的压应力和变形，其设计方法分析结果见表9。
表9 桁架式拉结件设计方法分析
根据分析结果可知：
1）按保温板不发生破坏控制，此时拉结件已屈曲，但对桁架式拉结件而言，杆件屈曲后并不影响拉结件杆件的受拉性能和拉结件整体的受剪性能，因此工程设计时控制保温板的设计压应力不大于保温板强度的1/2即可。
2）按保温板变形不大于胶缝允许剪切变形量控制，即保证外墙板胶缝不发生破坏。
3）工程设计时建议按1）和2）同时控制，以保证保温板及胶缝均不发生破坏。
5. 总结
本研究项目针对预制混凝土夹心保温外墙板常用的4种类型的金属拉结件，完成了16个试件的受压试验，得到了拉结件的受压破坏形态、承载力、变形性能等，并对拉结件的受压设计方法进行了详细分析，提出了建议的设计方法，可供工程设计参考。相关成果已纳入北京市建设工程物资协会标准《预制混凝土夹心保温外墙板用金属拉结件应用技术规程》T/BCMA 002-2021。
本 篇 作 者
李 俊 阳，1992年11月出生，2019年硕士毕业于中国地震局工程力学研究所防灾减灾工程及防护工程专业，主要从事装配式结构研发、咨询及设计工作，发表学术论文多篇，申请发明或实用新型专利1项。
周 剑，1989年1月出生，2015年硕士毕业于清华大学土木工程系，负责和参加多项装配式结构研发、咨询及设计工作，作为主要起草人参编CECS等团体标准4项，发表学术论文十多篇，申请专利十余项。