玄武岩纤维复合材料 (BFRP) 连接件抗剪承载力试验研究 | MDPI Buildings

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文章导读

连接件是混凝土夹心墙板中的关键受力部件，起到传递外叶板自重，抵抗由风荷载、地震作用带来的外部作用，确保混凝土夹心墙板作为一个整体工作。按照材料的不同，连接件主要分为普通钢筋连接件、金属合金连接件和纤维增强塑料 (FRP) 连接件三种。FRP 连接件具有导热系数低、耐久性好、造价低、强度高的特点，可有效避免墙体在连接件部位的冷 (热) 桥效应，提高墙体的保温效果与安全性，通常垂直安装在混凝土夹心板中，在建筑工程领域具有广阔的工程应用前景。

来自东南大学汪昕教授、吴智深教授、刘霞老师及其团队在 Buildings 期刊发表了文章，针对 58 个 BFRP 连接件抗剪试件开展了双剪试验，提出了连接件抗剪承载力模型，为 BFRP 连接件在工程应用中的设计选型提供参考。

BFRP 连接件

BFRP 连接件特点：

• 玄武岩纤维绿色环保；

• 抗疲劳、蠕变性能好；

• 导热系数低，有利于节能保温；

• 耐腐蚀性好，适用于混凝土碱性环境；

• 热膨胀系数与混凝土相近，保持变形一致性；

• 与合金件比，轻质高强，造价低。

研究方法与过程

本实验设计了 18 组双剪试验，每组 3 个试件，共 54 个试件。试件混凝土外叶板厚度为 60mm，内叶板厚度为 120mm，试件高度 400mm，宽度 200mm，连接件位于试件中间位置。

主要的试验参数包括：

1. 连接件直径 (12mm、10mm、8mm)；

2. 连接件安装角度 (90°、75°、60°、45°)；

3. 连接件受力模式 (弯-剪、拉-弯-剪、压-弯-剪)；

4. 保温层厚度 (100mm、150mm、200mm、250mm)。

试件由连接件、混凝土、保温板三部分组成，其中连接件为一体化深肋纹 BFRP 筋 (如上图所示)，导热系数为 0.6W/(m·K)。试验研究表明混凝土强度、粘结长度、外表面形状等参数影响 FRP 筋粘结性能。肋间距为 1 倍筋材直径，肋高度为直径的 6%，肋宽度为直径的 25% 时，BFRP 筋与混凝土具有较好的工作性能，其粘结强度比钢筋提高了 29.5%。混凝土采用商品混凝土，混凝土标号为 C25。同条件养护 28 天后，进行立方体试块强度测试，测得其抗压强度分别为 30.2MPa、28.4MPa、28.7MPa，取三个强度的平均值再乘以修正系数 0.95 作为混凝土强度值，则混凝土实测抗压强度值为 27.7MPa。保温板采用挤塑聚苯乙烯板 (XPS) 保温板，密度为 35kg/m³，抗压强度为 250kPa，导热系数为0.028W/(m·K)。

制作流程

可概括为 4 个步骤：连接件、保温板准备→连接件安装，模具制作→保温板安装→混凝土浇筑。

首先将 BFRP 连接件按各试验组所需的长度切割成不同长度，然后在保温板上插入，控制保温板两侧露出连接件长度一致，垂直投影长度均为 50mm；利用定位板，在模板中进行保温板安装固定；最后进行混凝土分层浇筑，每次浇筑三分之一，浇筑完成后对试件进行洒水养护 28 天后进行试验。

试验装置如下图所示，试件的外叶板混凝土支撑在钢垫块上，图中 B 为保温层厚度；α 为连接件安装角度。试验采用 W+B 作动器进行加载，设备最大荷载为 500kN，加载方式采用位移控制，加载速度为 2mm/min。荷载值由试验机传感器记录，混凝土内外叶板之间的相对滑移采用位移计 D1 测量，加载过程中混凝土外叶板的倾斜状况，采用顶部设置的两个水平方向的位移计 D2、D3 测量，测量数据由数据采集仪记录。

双剪试验装置

研究总结

本文基于 BFRP 连接件双剪试验，获得了 BFRP 连接件破坏模式、荷载位移曲线和承载力，分析了 BFRP 连接件跨径比、安装角度、布置间距和组合度等参数对抗剪承载力的影响，提出了连接件抗剪承载力承载力模型。主要结论如下：

(1) 安装角度不同导致试件呈现不同的破坏模式。随着安装角度的减小，BFRP 连接件的破坏模式从层间剪切失效到连接器断裂，再到混凝土开裂。

(2) 应力模式对荷载-位移曲线的离散性有很大影响。弯-剪和拉-弯剪切试件的试验曲线一致性较好，而压-弯剪试件的曲线由于连接件发生了屈曲而表现出较大的分散特性。

(3) 连接件的布置间距对抗剪承载力的影响相对较小，最大误差为 2.2%。为了在安全储备比较富裕的情况下获得较高的刚度和承载力，连接件的跨径比不宜大于 15，角度应设置为 60°或75°。

(4) 对于具有平面或空间组合的 BFRP 连接件的设计，剪切力可以通过单个 BFRP 连接器剪切力的线性叠加进行 PCSP 系统的设计。

(5) 抗剪承载力和最大剪力的预测模型具有良好的准确性，相关系数 (R2) 分别为 0.982 和 0.946。对于厚度在 200mm 内 PCSP 系统，预测模型可为 BFRP 连接件的设计和选择提供依据。

原文出自 Buildings 期刊

Liu, X.; Wang, X.; Yang, T.; Wu, Z. The Shear Behavior of Insulated Precast Concrete Sandwich Panels Reinforced with BFRP. Buildings 2022, 12, 1326.

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     Buildings 期刊介绍

主编：David Arditi, Illinois Institute of Technology, USA

期刊领域涵盖建筑结构、建筑材料、建筑的维修和翻新、施工管理、建筑与环境、能源与建筑、建筑的运营维护和建筑设计等。

2021 Impact Factor	3.324
2021 CiteScore	3.8
Time to First Decision	16.2 Days
Time to Publication	38 Days

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