外墻免拆復(fù)合保溫模板連接件數(shù)量合理選擇

吳德義，王雅倩，口永剛

（1.安徽建筑大學(xué) 建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601; 2.中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司，合肥 230000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民的生活質(zhì)量需求不斷提高，建筑行業(yè)對建筑保溫節(jié)能越來越重視，鼓勵應(yīng)用綠色建材，重視堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展道路。近些年，外墻免拆復(fù)合保溫模板在房屋建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[1]。如圖1，保溫模板通過連接件與混凝土墻體之間產(chǎn)生穩(wěn)定的連接。連接件作為外保溫系統(tǒng)中的重要連接方式，其穿過保溫模板，一端錨固于混凝土墻體中，另一端與圓盤相連[2-3]。在使用過程中，保溫模板受到風(fēng)荷載、地震荷載的組合作用，可能會發(fā)生連接件從混凝土墻體中被拔出、拉斷以及連接件圓盤破壞等現(xiàn)象，造成模板從建筑外墻脫落，不能達(dá)到保溫效果。因此，對連接件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)與受力分析，合理選擇連接件的數(shù)量有廣泛的應(yīng)用背景[4-5]。

圖1 外墻免拆復(fù)合保溫模板結(jié)構(gòu)體系圖

1 連接件拉拔試驗(yàn)

1.1 工程概況

本文以中鐵四局機(jī)關(guān)大院拆遷改造項(xiàng)目為背景。該項(xiàng)目位于合肥市包河區(qū)，總層數(shù)為 12-27層。房屋抗震烈度為7 度，屬于C 類密集建筑群的城市市區(qū)。建筑高度H=20 m 以下的保溫模板使用黏貼劑粘貼，連接件主要是針對高度H>20 m 的連接方法。現(xiàn)場試樣選用厚度為70 mm、寬度為600 mm 的擠塑板（XPS）保溫模板，兩面砂漿面層厚度均為8 mm，Q345B 級金屬錨栓直徑d=14 mm，錨栓圓盤直徑D=70 mm，連接件長度L=215 mm[6]。

1.2 試驗(yàn)方案

連接件的破環(huán)試驗(yàn)沿連接件的軸向加載進(jìn)行，對連接件的破壞形態(tài)及承載力進(jìn)行分析。中鐵四局集團(tuán)局機(jī)關(guān)大院北區(qū)拆遷改造工程項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)測，本文采用海創(chuàng)高科HC-MD60 高精度鉚釘拉拔儀，共對10 組連接件進(jìn)行拉拔力學(xué)性能試驗(yàn)[7]。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

連接件拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 連接件拉拔試驗(yàn)結(jié)果

連接件錨栓抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值表述為FK，圓盤抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值表述為FRK，表達(dá)式如式（1）所示。

1.3.2 試驗(yàn)分析

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

（1）連接件圓盤發(fā)生破壞時，連接件未發(fā)生抗拉破壞，也未發(fā)生從基層混凝土墻體中拔出現(xiàn)象，表明在外保溫系統(tǒng)中連接件圓盤要比連接件更易發(fā)生破壞。

（2）連接件錨栓最終從基層墻體拔出時，錨栓本身未出現(xiàn)明顯破壞，全部是錨栓和混凝土之間發(fā)生滑移，導(dǎo)致錨栓拔出破環(huán)。

（3） 依 據(jù) 表1 得 出 的 圓 盤= 2.141，S=0.061，V=0.028， 錨 栓= 9.619，S=0.066，V=0.007，圓盤n1=10 個時K=2.6，帶入公式（1）得出FRK= 1.985 kN，F(xiàn)K= 9.444 kN。

2 連接件受力及破壞理論分析

2.1 連接件受力分析

如圖2，高層建筑荷載以風(fēng)荷載和水平地震作用為主，為避免保溫模板受到風(fēng)荷載和水平地震作用而脫落，考慮水平負(fù)風(fēng)壓及水平地震作用效應(yīng)組合作用，分析金屬連接件受力特征，確定避免連接件拉斷、混凝土墻體中拔出以及連接件圓盤破壞等現(xiàn)象發(fā)生應(yīng)具有的連接件數(shù)量[8]。

圖2 外墻免拆復(fù)合保溫模板受力示意圖

2.1.1 風(fēng)荷載作用

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式如式（2）所示。

式中：ξ 為脈動增大系數(shù)；v 為脈動影響系數(shù)；

z 為振型系數(shù)；H 為建筑高度，m；B 為建筑寬度，m；ω0為基本風(fēng)壓值，kN/m2；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為z 高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；WK為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2。

取建筑高度H=80 m，寬度B=30 m，墻面風(fēng)荷載體型系數(shù)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

水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式如式（3）所示。

式中：βE為動力放大系數(shù)；αmax為水平地震影響系數(shù)最大值；GK為重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A 為玻璃幕墻平面面積，m2；qEK為垂直于玻璃幕墻平面的分布荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2。

βE=5.0，αmax=0.5，保溫系統(tǒng)的單位質(zhì)量m=25 kg。代入公式（3）得qEK=0.613 kN/m2。

2.1.3 風(fēng)荷載及地震荷載組合作用

考慮風(fēng)荷載及地震荷載表達(dá)式如式（4）所示。

式中：SWK為風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；SEK為地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；γW為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)；γE為地震作用分項(xiàng)系數(shù)；ψW為風(fēng)荷載組合值系數(shù)；ψE為地震作用的組合值系數(shù)；S 為作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值，kN/m2。

取γW=1.4，γE=1.3，ψW=1.0，ψE=0.5，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)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 不同高度建筑荷載組合情況

計(jì)算建筑高度H=20-100 m 的外保溫系統(tǒng)的。 當(dāng)H=20 m、H=40 m、H=60 m、H=80 m、H=100 m 時，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），得到不同高度處的荷載組合值S 分別為1.301 kN/m2、1.518 kN/m2、1.677 kN/m2、1.813 kN/m2、1.924 kN/m2。

2.2 連接件破壞理論分析

本文考慮到連接件錨栓的破壞形式為：（1）保溫模板受到的荷載效應(yīng)組合S 大于錨栓錨固在混凝土墻體中的水平錨固力T，引起保溫模板及連接件滑移破壞；（2）保溫模板受到的荷載效應(yīng)組合S 大于連接件的抗拉強(qiáng)度，造成連接件受到抗拉破壞；（3）保溫模板受到的荷載效應(yīng)組合S引起連接件的圓盤變形過度而損壞。

2.3 連接件承載力分析

2.3.1 連接件錨固承載力分析

混凝土和連接件之間的錨固力表達(dá)式如式（5）所示。

式中：d 為連接件直徑，mm；L 為有效錨固長度，mm；μ為混凝土抗壓強(qiáng)度，N/mm2；T 為單個錨筋的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，N。

工程中常用Q345B 級金屬錨栓，d=14 mm，L=145 mm，μ 為水泥標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度的10%，代入公式（5）得8.924 kN，結(jié)果遠(yuǎn)大于一般單個錨栓的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值0.6 kN，因此，改變單個連接件的直徑d 以及錨固長度L，可以減小抗拔承載力T，不僅降低其成本，而且滿足安全性及穩(wěn)定性[7]。

當(dāng)錨栓直徑取最小d=14 mm，錨固長度最小L=30 mm，代入公式（5）得T=1.846 kN。顯然T ＞0.6 kN，連接件不易發(fā)生拔出破壞，符合要求。

錨栓直徑d=14 mm 相同，在不同錨固長度L情況下，計(jì)算T，如表2 所示。

表2 單個錨栓抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值

錨栓錨固連接破壞主要有鋼材破壞及混凝土破壞。連接件鋼材破壞一般出現(xiàn)在連接件離保溫模板邊距較大、錨固長度較大處；混凝土破壞則一般出現(xiàn)在邊距小而錨固長度較小處。在連接件與混凝土墻體的接觸面，避免混凝土邊緣出現(xiàn)破壞，再考慮到保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則需要單個連接件抗拔力T 大于FRK圓盤抗拔力。確定d=14 mm，L=50 mm，T=3.007 kN，符合要求。

2.3.2 連接件的抗拉承載力分析

連接件錨栓最終從基層墻體拔出時，錨栓本身未出現(xiàn)明顯破壞，全部是錨栓和混凝土之 間發(fā)生滑移，導(dǎo)致錨栓拔出破環(huán)。FK= 9.444 kN > FRk=1.985 kN，所以計(jì)算連接件數(shù)量時可不考慮連接件的錨栓抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3.3 連接件圓盤承載力分析

連接件圓盤發(fā)生破壞時，連接件未發(fā)生抗拉破壞，也未發(fā)生從基層混凝土墻體中拔出現(xiàn)象，表明在外保溫系統(tǒng)中連接件圓盤要比連接件更易發(fā)生破壞，所以計(jì)算連接件數(shù)量時需考慮連接件的圓盤抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

3 連接件布置分析

3.1 單個連接件相應(yīng)保溫模板面積

單個連接件相應(yīng)的保溫模板面積表達(dá)式如式（6）所示。

按公式（6）計(jì)算得出表3。

表3 ω0=0.4 kN/m2 時不同建筑高度荷載組合與相應(yīng)單個錨栓相應(yīng)模板的面積

3.2 全國其他地區(qū)單個連接件所相應(yīng)保溫模板面積

查詢?nèi)珖鞯貐^(qū)的基本風(fēng)壓ω0= 0.3~1.5 kN/m2，當(dāng)?shù)孛娲植诔潭葹镃 類、地震設(shè)防烈度為7 度，不同基本風(fēng)壓ω0下，計(jì)算不同建筑高度H 處的風(fēng)荷載和地震荷載組合值S 以及單個錨栓所相應(yīng)的模板面積A，如表4 和5。

表4 ω0=0.6 kN/m2 時不同建筑高度荷載組合與單個錨栓所相應(yīng)模板面積

針對全國不同地區(qū)的基本風(fēng)壓ω0、不同高度H 的風(fēng)荷載及地震荷載組合與單個連接件所相應(yīng)的模板面積，可知基本風(fēng)壓ω0= 0.3~1.5 kN/m2，當(dāng)建筑高度H=20~60 m 時，單個錨栓所相應(yīng)模板的面積A=1.53~0.38 m2；當(dāng)建筑高度 H=60~100 m 時，單個錨栓所相應(yīng)模板的面積A =1.18~0.32 m2；在使用過程中，需考慮錨栓受荷不均勻系數(shù)K=1.25，因此，H=20~60 m，單個錨栓所相應(yīng)模板的面積A=1.91~0.48 m2；H=60~100 m，單個錨栓所相應(yīng)模板的面積A=1.48~0.40 m2。本文項(xiàng)目高度H=80 m，基本風(fēng)壓ω0=0.4 kN/m2，荷載組合值S=1.813 kN/m2，通過理論計(jì)算單個錨栓所相應(yīng)的模板面積A=1.36 m2。荷載組合值S=1.513 kN/m2，單個錨栓所相應(yīng)的模板面積A=1.64 m2。單個錨栓所相應(yīng)的模板面積越小，其錨固效果越好。現(xiàn)場保溫模板錨栓布置為單個錨栓所相應(yīng)的模板面積A=0.14 m2，因此符合要求。

4 結(jié)語

針對實(shí)際工程，免拆復(fù)合保溫系統(tǒng)在使用過程中，風(fēng)荷載及地震荷載組合值S 遠(yuǎn)小于錨栓抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值T 時，連接件不會被拔出，不易導(dǎo)致保溫模板和連接件發(fā)生破壞，而錨栓圓盤處容易出現(xiàn)破壞。

單個錨栓錨固力T 大于圓盤抗拔力FRK，且連接件錨栓拉拔力FK大于圓盤抗拔力 FRK，因此需首先考慮圓盤的破壞。錨栓直徑取最小d=14 mm，減小錨固長度，直至錨固長度最小L=30 mm時，單個錨栓錨固力仍符合安全要求。

針對全國不同地區(qū)基本風(fēng)壓ω0=0.3~1.5 kN/m2，考慮外保溫系統(tǒng)中錨栓在使用過程中受荷不均勻系數(shù)K=1.25，可以得出建筑高度H=20~60 m，單個錨栓所相應(yīng)的模板面積A=1.91~0.48 m2；建筑高度H=60~100 m，單個錨栓所相應(yīng)的模板面積A=1.48~0.40 m2。