干货！！预制混凝土夹心保温外墙板用拉结件技术研究

01

研 究 背 景

1.1 夹心保温外墙板及拉结件

预制混凝土夹心保温外墙板由位于建筑外表面的外叶墙板、中间的保温层和内侧的内叶墙板组成，形成“三明治”结构，俗称三明治外墙板（图1.1）。可用于装配式建筑的承重或非承重外围护墙，相比于传统的外保温做法，耐久、防火性能好，可实现结构保温装饰一体化。

图1.1  夹心保温外墙板

穿过保温层将内、外叶墙板连接在一起的配件称为夹心保温拉结件。拉结件连接的强弱决定了夹心保温外墙板的受力性能：当连接很强时，内、外叶墙板通过拉结件可以完全协同受力，称为“完全组合式”，此时墙板内外叶共同受力，刚度和承载力大，节省材料，但在温差、混凝土收缩等作用下，内、外叶墙板彼此约束，无法有效释放应力，导致墙板可能发生开裂或严重变形；当连接较弱时，内、外叶墙不协同受力或协同受力能力较弱，设计中一般认为由内叶墙板单独承受所有内力，外叶墙板的荷载通过拉结件及保温层传递到内叶墙板上，称为“非组合式”，此时内、外也墙板可独立变形；当连接强度介于二者之间时，夹心保温外墙板受力处于完全组合式和非组合式之间，称为“部分组合式”，其计算复杂，难以准确衡量其组合程度和受力性能，一般需通过试验或根据经验进行设计。

组合程度较高时，拉结件一般采用连续的桁架形式；组合程度较低时，一般采用点状分布的金属或FRP等非金属拉结件。

由于非组合式夹心保温外墙板可有效释放温度应力，且受力明确、便于设计，因此我国目前装配式建筑中基本均采用非组合式夹心保温外墙板。

拉结件的受力与夹心保温外墙板所处的阶段和工况有关，包括生产运输阶段、施工安装阶段和使用阶段，需要考虑的作用包括自重、风荷载、温度作用、地震作用、混凝土收缩作用等。单个拉结件的受力状态主要包括受拉、受剪、受压、拉剪复合、压剪复合等。夹心保温外墙板中一般布置多个拉结件，形成拉结件系统，以抵抗上述作用，满足受力要求。

目前常用的拉结件主要分为两类：

第一类为非金属拉结件，主要为FRP材料（图1.2）。FRP拉结件包括杆式、板式，可同时承受拉力和剪力。一般情况下拉结件系统中仅需均匀布置FRP杆式拉结件即可满足受力及变形要求；但当保温厚度较大时采用杆式拉结件则不经济，需同时采用板式拉结件；此外，对存在预留空腔的夹心保温叠合墙板，FRP杆式拉结件同时兼做混凝土浇筑时的对拉杆。FRP拉结件的主要优势在于其导热系数小，产生的热桥影响小，对夹心保温外墙板的热工性能影响小，但其在保温厚度较小时，杆件抗剪刚度较大，不利于外叶墙板在温度、收缩作用下的自由变形，此外其锚固性能受安装工艺及质量影响较大。

图1.2  不同形式的FRP拉结件

第二类为金属拉结件，主要为不锈钢拉结件（图1.3）。不锈钢拉结件主要包括筒式、板式、夹式、针式、桁架式，其中针式拉结件主要用于受拉，起限位作用，也称为限位拉结件，其余拉结件均可同时用于受拉和受剪，主要起支承作用，也称为支承拉结件。不锈钢拉结件系统一般由竖向支承拉结件、水平支承拉结件和若干个限位拉结件组成，按支承拉结件不同，可分为筒式拉结件系统、板式拉结件系统、夹式拉结件系统、桁架式拉结件系统，其中对桁架式拉结件系统，可仅布置桁架式拉结件。不锈钢拉结件的优势在于安装工艺相对简单、安全性相对较高，但其由于材料导热系数较大，对夹心保温外墙板的热工性能存在不利影响。

图1.3  不同形式的不锈钢拉结件

1.2 应用及研究情况

我国目前的装配式建筑起步比欧美、日本等发达国家要晚，因此国内最早采用的夹心保温拉结件均为国外品牌产品。

对非金属类的FRP拉结件，主要以美国Thermomass的杆式及板式拉结件为主，其采用GFRP（玻璃纤维增强复合材料）制成，质量稳定，导热系数低，抗拉和抗剪强度高，弹性和韧性好，拉结件与混凝土的相容性和变形协调性好。Thermomass拉结件的设计依据主要是美国ICC ES标准AC320《Acceptance Criteria for Fiber-reinforced Composite Connectors Anchored in Concrete》和ICC ES的研究报告ESR-1746。我国引进Thermomass拉结件后，也参照进行设计。目前，国内已有不少厂家也在研发和生产FRP拉结件。

对金属类的不锈钢拉结件，主要以德国HALFEN（哈芬）的板式、针式及夹式拉结件和芬兰peikko（佩克）的桁架式拉结件为主。这些国家对拉结件产品已进行了全面、深入的研究，形成了详细的产品技术资料，进入国内市场后，主要仍以外方的技术资料为依据进行设计、生产和施工。目前，国内已有不少厂家也在研发和生产此类不锈钢拉结件，形式与国外产品类似。

1.3 存在问题

总体来看，我国在夹心保温拉结件技术领域的主要问题包括：

1）国外产品应用较多，国内以引进和吸收国外技术为主，自主创新和深入研究不足。

2）拉结件设计普遍在深化设计阶段由厂家进行；产品厂家采用的设计方法不公开、不透明，设计时常采用国外标准，存在与国内标准的衔接问题。各类产品的设计方法和安全水准均不统一；

3）拉结件性能要求及设计方法不完善。部分拉结件受力状态与预期不符，可能存在安全隐患；

4）拉结件安装质量控制不好，影响拉结件性能的发挥；

5）缺乏统一技术标准，各类产品开发缺乏依据，产品质量不一；

如果拉结件应用不当，那夹心保温外墙板的优势就无法充分发挥，甚至变成劣势；如果外叶墙板有脱落可能，其危险性远大于普通的外保温系统脱落。对于夹心保温墙板中的拉结件系统的深入研究及制定技术标准是一项非常重要的工作。

02

研 究 内 容

2.1 总体介绍

近年来，中国建研院建研科技股份有限公司建筑工业化研究中心依托十三五国家重点研发计划课题和国内装配式建筑重点企业的委托研究课题，针对夹心保温拉结件技术进行了多项研究，部分研究填补了国内该领域的空白，为国内拉结件的技术研发和工程应用提供了有力支撑。研究内容如图2.1所示，其中针对夹心保温外墙板的研究内容主要是与拉结件直接相关的内容。

图2.1  拉结件技术研究内容

2.2 拉结件受力性能试验研究

2.1.1 受拉性能试验研究

针对不同形式的FRP拉结件、不锈钢拉结件进行了受拉性能试验研究（图2.2），分析了拉结件的受拉破坏形态，得到并评价了拉结件的受拉承载力及变形能力。

（a）FRP拉结件

（b）不锈钢针式拉结件

（c）不锈钢桁架式拉结件

（d）不锈钢夹式拉结件

图2.2  不同形式的拉结件受拉性能试验

2.2.2 受剪性能试验研究

针对不同形式的FRP拉结件、不锈钢拉结件进行了受剪性能试验研究（图2.3），分析了拉结件的受剪破坏形态，得到并评价了拉结件的受剪承载力及变形能力。

（a）FRP杆式拉结件

（b）不锈钢板式拉结件

（c）不锈钢桁架式拉结件

（d）不锈钢夹式拉结件

图2.3  不同形式的拉结件受剪性能试验

2.2.3 拉剪性能试验研究

针对不锈钢夹式拉结件和桁架式拉结件进行了拉剪性能试验研究（图2.4、图2.5），分析了拉结件的拉剪破坏形态，得到并评价了拉结件的拉剪复合受力性能。试验时先通过吊挂铁块施加拉力，然后施加水平推力，以实现拉结件的拉剪复合受力状态。

图2.4  拉结件拉剪试验装置

（a）不锈钢桁架式拉结件

（b）不锈钢夹式拉结件

图2.5  不同形式的拉结件拉剪性能试验

2.3 墙板温度试验

如前所述，夹心保温外墙板的组合受力性能由拉结件系统的强弱决定，虽然目前设计初衷是非组合式设计，但由于拉结件的布置间距、保温板的影响、混凝土封边的影响，尤其当保温厚度较小，拉结件数量较多时，则无法保证夹心保温外墙板能真正实现非组合式受力模式。比如对FRP拉结件，当保温层厚度不大、温度及收缩作用较大或拉结件间距较小时，拉结件抗剪作用较强会导致外叶墙板变形时通过拉结件受到内叶墙板的约束，这种约束作用较强时会导致外叶墙板发生严重开裂或翘曲变形，影响墙体的使用功能和耐久性。

对拉结件系统在这方面的合理性和可靠性，仅通过计算方法难以确定，此时进行试验研究是最直接、有效的方式。

针对采用FRP杆式拉结件系统、不锈钢板式拉结件系统、不锈钢桁架式拉结件系统的不同保温厚度的夹心保温外墙板，进行了温度作用受力性能试验研究（图2.6、图2.7），得到了内外叶墙板温差作用下外叶墙板的开裂及变形情况，并根据试验结果提出应用建议。

图2.6  夹心保温外墙板温度试验装置

（a）裂缝情况

（b）变形情况

图2.7  夹心保温外墙板温度试验结果

2.4 墙板浇筑试验

对带空腔的夹心保温外墙板（也称夹心保温叠合墙板），拉结件除承担普通墙板中拉结件的作用外，还兼做空腔内混凝土浇筑时的对拉杆，抵抗浇筑混凝土产生的侧压力等水平荷载。为研究浇筑工况下拉结件的安全性和墙板的性能（开裂或变形情况），有必要进行模拟浇筑工况的试验研究。

针对采用FRP杆式拉结件、不锈钢桁架式拉结件、不锈钢针式拉结件的夹心保温叠合墙板，进行了混凝土浇筑试验，得到了拉结件的受力状态和墙板的开裂及变形情况，为夹心保温叠合墙板的拉结件系统设计提供了可靠依据。

图2.8  带空腔夹心保温外墙板混凝土浇筑试验

03

成 果 及 应 用

上述研究完成人：田春雨、周剑、李然、王俊；

相关研究成果已被纳入《装配式夹心保温外墙板用金属拉结件应用技术规程》等协会标准中（编制中）；

此外，在研究过程中，针对现有技术存在的问题，提出了一些新的解决方案，并将方案转化为专利，包括非组合式夹心保温墙体用抗拉不抗剪连接件、夹心保温墙体用防屈曲连接件、一种用于预制夹心保温外墙板的桁架式拉结件等；

针对夹心保温拉结件技术，后续仍存在一些问题有待深入研究，需要全行业相关企业共同努力解决，如夹心保温墙板及拉结件系统在墙板受温度作用及混凝土收缩作用时的受力变形机理、拉结件的统一设计及性能检测要求等，为行业提供安全合理、经济适用的拉结件产品，促进装配式建筑的健康发展。

本 篇 作 者 简 介 :

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，发表学术论文8篇，申请发明或实用新型专利10项，参编协会标准3项。

（责任编辑：奚雅青）

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