用于隔热混凝土墙板的柔性连接器的机械性能测定

摘要

我们提出了一种测试协议，可以与广泛使用的分析方法相结合，以评估剪切连接器的机械性能，用于设计绝缘混凝土墙板，以预测全尺寸绝缘板的行为。

摘要

本文档包含执行适用于连续和离散绝缘混凝土夹芯墙板 （ICSWP） 的非标准双剪切测试的建议。这样的标准化测试并不存在，但是在文献中已经进行了几次迭代和类似的测试，取得了不同程度的成功。此外，文献中的测试很少详细描述或详细讨论测试，数据分析或安全程序。本文建议使用试样配置，并讨论各种变化。从载荷与位移数据中识别出重要的机械性能，并对其进行详细的提取。简要演示了在设计中使用测试数据，例如确定连接器的刚度，以展示如何计算ICSWP挠度和开裂行为。面板的强度行为可以使用满载与位移曲线或仅使用最大连接器强度来确定。承认缺点和未知因素，并描述未来的重要工作。

引言

隔热混凝土夹芯墙板 （ICSWP） 包括放置在两层混凝土层之间的绝缘层，通常称为 wythes，它们协同为建筑围护结构或承重板 1 提供热和结构高效的组件（图 1）。为了适应快速变化的建筑业和新的建筑法规对热效率的规定，预制商正在制造具有更薄混凝土层和更厚绝缘层且具有更高热阻的ICSWP;此外，设计师正在使用更精细的方法来考虑混凝土Wythes的部分复合相互作用，以降低整体建筑成本，同时提高热性能和结构性能²。虽然众所周知，结构效率在很大程度上取决于混凝土层之间的结构连接，并且市场上有多种专有的剪切连接器，但文献中没有标准化的测试协议来检查这些连接器的机械性能。可用的连接器在几何形状、材料和制造方面差异很大，因此很难获得统一的分析方法来确定其机械性能。出于这个原因，许多研究人员在实验室中使用了他们自己的定制设置，试图模仿连接器在服务和强度极限状态³，⁴，⁵，⁶，⁷，^8，9，10 下的基本行为。然而，其中只有两个是测试评估方案⁵，⁸ 的一部分，尽管由于它们的形状、刚度和材料成分差异很大^，它们并非适用于所有系列的连接器。

图 1:夹芯墙板试样的典型组成。 请点击此处查看此图的大图。

测试这些连接器的常用方法是通常称为单剪切，具有一排或两排连接器，如前所述³，^{11，12，它}通常基于 ASTM E488，混凝土锚测试标准¹³。ASTM E488不要求，但通过建议的测试设置的图纸强烈暗示，将从固定的混凝土基础突出的单个锚将进行测试。试样测试完成后，绘制一组载荷与位移曲线，并从这些曲线中获得极限弹性载荷（F_u）和弹性刚度（K_0.5Fu）的平均值。使用这种方法的主要优点之一是它可以产生低变异性结果，并且不需要大型实验室空间或许多传感器¹⁴。另一种方法包括以双剪切加载wythe连接器，以确定用于^{这些面板设计}6，^7，14，^15，16的机械性能。以相同的方式处理所得数据，并通过测试获得极限弹性载荷（F_u）和弹性刚度（K_0.5Fu）的平均值。虽然这种测试方法涉及使用更多的材料并且需要更多的传感器，但在实验室中应用载荷和边界条件更容易。

这两种测试风格似乎没有太大的不同，但产生不同的结果，主要是基于它们在全尺寸面板中模拟连接器行为的能力。单剪切、单排测试设置产生捏合动作，如图2B，C所示，以及额外的倾覆力矩，如前^所述14，^17，这不会出现在全尺寸面板中。双剪切在模拟这种全尺寸行为方面做得更好——它模拟了外层相对于中心怀斯的纯剪切平移。因此，分析方法中使用的双剪切值已被证明产生的结果更接近于对代表性隔热墙板进行大规模测试时获得的结果¹⁴。图3显示了连接器单剪切和双剪切测试的原理图测试设置。

图 2:文献中采用的不同连接器测试配置的示例。 单连接器试样已被证明会导致载荷，这并不代表在全尺寸面板中看到的wythes的平行平移。（A） 带两个连接器的双剪;（B） 带一个连接器的双剪;（C） 带一个连接器的单剪。 请点击此处查看此图的大图。

所有这些研究结论的一个共同点是，这两种测试方法都适用于确定柔性连接器的机械性能，但双剪切测试方案的结果更接近于连接器在弯曲下的真实面板中的行为。换句话说，当用户在分析模型中采用此类测试结果时，它们与使用连接器的大规模测试结果非常匹配。值得一提的是，此类测试的结果适用于直接依赖机械性能作为输入设计参数的模型，例如经验推导的方法、夹层梁理论的闭式解以及具有二维和三维弹簧⁷、^18、19、20 的有限元模型。

图 3:文献中测试协议的示意图。 柱塞用于平移标本的相对尺寸。（A）单剪切和（B）双剪切测试协议。 请点击此处查看此图的大图。

本工作提出了一种获得绝缘墙板连接器骨干曲线值和力学性能的实验方案，即 F_u 和 K_0.5Fu。该方法基于使用双剪切测试方法测试连接器，并进行一些修改以消除可变性来源并产生更可靠的结果。所有样品均在温度受控的环境中构建，当混凝土达到目标抗压强度时进行测试。该测试协议的主要优点是它可以很容易地遵循，可以被不同的技术人员复制，并密切描述wythe连接器在真实的绝缘混凝土墙板中在弯曲或弯曲和轴向力组合下的真实行为，如文献所示。

应用建议的wythe连接器测试协议来确定机械性能和材料行为，将提高绝缘混凝土墙板行业测试结果的准确性，并减少有兴趣创建创新新型连接器的企业家的障碍。未来在倾斜和预制混凝土行业中，隔热板结构的大幅增加将需要更好地使用材料和更统一的方法来获得面板的工程特性。

研究方案

1. 制作试样

1. 选择离散或连续剪切连接器进行测试并遵守 图4所示试样的尺寸。如果需要，通过更改连接器的边缘距离，修改测试边缘距离间隙的尺寸。
   注意:通常，遵守制造商的指南很重要，尽管此测试可用于制定这些指南。混凝土和绝缘材料的尺寸将由感兴趣的连接器决定。测试的机械性能仅适用于尺寸、混凝土强度、绝缘密度和类型以及连接器的特定组合。
2. 指出混凝土的目标抗压强度代表感兴趣的设计情况。如果尝试对全尺寸测试结果进行建模，请确保混凝土强度与全尺寸试样或测试时的预期设计相同。如果针对特定场景，例如提升面板的最小强度，请以该强度进行测试。
3. 使用混凝土层的垂直或水平布局来制造混凝土模板。确保测试与施工风格相匹配，以便连接器的安装与现场情况相匹配。
   注意:大多数在役的 ICSWP 都是通过每层的水平布局制造的。
4. 穿孔泡沫绝缘层（用于销式扎带）或定向绝缘件（用于接缝安装的扎带），并将连接器放置在制造商提供的标准图纸中指示的位置。使用测试设施希望收集属性的方向（例如，与强轴和施加的载荷成 0° 或 90° 或其他角度）放置连接器。
   注:连接器的安装应按照制造商/供应商的指示进行，除非安装是感兴趣的测试变量。
5. 将第一个钢筋层放在模板中，以防止混凝土块在处理或测试过程中开裂时试样脆性破坏。
   注意:由于试样很少因施加的载荷而开裂，因此除非预计会参与连接器与混凝土的粘合，否则不需要温和的加固。 图 5 显示了整个流程中步骤 1.5-1.14 的组织。
6. 如果在混凝土的初始设置之前无法及时放置所有混凝土层，请将这些层至少分开 3 小时或根据连接器制造商的建议浇筑。
   注意:步骤1.7-1.14表示连续的混凝土放置。
7. 将新拌混凝土倒入模板中并充分振动，以防止混凝土中形成大空隙或颗粒压实不良。
8. 放置包含连接器的第一个绝缘层，或根据需要将它们推入泡沫中。放置绝缘层，使其与新混凝土接触。为确保混凝土在连接器周围固结，除非连接器制造商另有建议，否则请使用内部混凝土振动器以 12，000 次振动/分钟的速度振动连接器。
   注意:振动 2-5 秒足以确保连接器周围的固结。
9. 在混凝土的中间层放置一个 1 吨容量（或更强，取决于试样的最终重量）起重锚，以便于搬运。
10. 将第二个钢筋层放置在中心中心怀斯的形状中。
11. 如上所述，将第二层新混凝土倒入模板中并充分加固混凝土。
12. 放置包含连接器的第二个绝缘层或将它们安装到泡沫中，如步骤 1.4 中所述。小心确保混凝土在连接器周围加固。
13. 将第三钢筋层放置在第三层混凝土层中心的模板中。
14. 将第三层也是最后一层新混凝土倒入模板中并充分振动。
15. 为试样施工中使用的每种混凝土制作混凝土圆柱体，以记录抗压强度。
    注意:此步骤可以在试样构建过程中随时完成，但建议在放置给定批次的中途时完成。钢瓶制备和现场固化应遵循ASTM^{C31 21}。
16. 在温度受控的环境中固化试样，直到混凝土达到所需的强度。一旦混凝土对起重硬件充分硬化，将试样从表格中取出。

2. 测试双剪切试样

注意:图6显示了准备测试的试样的代表性布局（棘轮带未附 图 ）。

1. 当用于制造试样的混凝土达到所需强度时，将试样带到实验室进行取样。
   注意:抗压强度测试应遵循ASTM C39²²。在物理测试过程中，室温应保持相对恒定，建议温度为25°C±5°C，以及在试样的测试和储存期间。测试温度范围不应受到严格控制，因为所涉及的材料的性能不应随典型室温而显着变化。
2. 将两个 3 mm x 100 mm x 600 mm 聚四氟乙烯 （PTFE） 垫条放在外部混凝土槽的底部，以最大限度地减少测试过程中的摩擦。
3. 将试样放在装载架下方，中间混凝土层居中于装载装置下方。使用液压油缸或大型万能试验机在中间的顶部施加载荷，注意用足够大的轴承板分散载荷，以防止轴承在预期载荷下失效。
4. 用混凝土或砖石螺钉将钢角连接到中间。使用钢或塑料垫圈在钢角和混凝土表面之间建立至少 5 mm 的间隔，以防止角度与试样相互作用（图 6）。
5. 将位移传感器连接到试样相对两侧的两个外部旋转（总共四个），以测量钢角相对于其在外部wythe上的固定位置的运动。
   注意: 推荐的位移传感器是线性可变差分传感器或电位计。传感器应始终存放在没有灰尘、湿气和磁效应的干燥箱中，以防止校准丢失。不建议使用模拟千分表。
6. 将 50 毫米宽的尼龙带松散地放在试样的上部周围，以确保意外的脆性连接器断裂不会对周围环境造成任何损坏，包括伤害技术人员和传感器。确保带子足够松，不会干扰试样位移，如图 7所示。
   注意:即使针不再分离，带子将防止针叶完全分离，并便于在失效后取出试样。但是，此步骤（步骤 2.6）是可选的。
7. 将称重传感器放在中间顶部的中心，夹在两块 20 mm x 150 mm x 150 mm 钢板之间。确保钢板不要悬在中心，以免在试样变形过程中干扰绝缘。
8. 将负载和位移传感器插入数据采集系统 （DAQ）。
9. 使用至少 10 Hz 的采样率开始数据收集，以确保正确记录载荷和位移。
10. 将试样加载到中心，直到达到最大实际位移并且强度大幅下降;损失 50% 的负载后，建议停止测试，尽管这是任意的。如果需要沿下降分支的其他信息，请使用任何所需的变形。以单调、准静态的方式施加载荷，该方式足够快，使连接器和混凝土蠕变不会干扰测试结果，但又不会太快以至于不能再被视为静态，除非高负载率是感兴趣的测试变量。
    注意:这表明测试应该在 5 分钟到几个小时的范围内进行。使用测试持续时间约为5-10分钟的液压手动泵已发现足够的结果。
11. 停止数据采集并将负载施加装置缩回原始位置。
12. 如上所述，卸下所有传感器并将其存放在安全的地方。
13. 将测试的试样移动到干净的区域，并将三个混凝土层分开，以确定破坏类型:混凝土断裂、连接器剪切破坏或其他。记录故障模式、绝缘粘合的质量以及任何其他相关的视觉信息。记得拍照。

3. 分析数据并报告结果

注意:本节介绍数据分析，以评估文献中使用的几种工程属性。其他工程属性可能令人感兴趣，数据的有用性不仅限于以下属性。

1. 将测试产生的数据文件从DAQ传输到执行数据分析的计算机/文件夹。
2. 绘制横坐标上四个位移传感器的平均值，连接器负载在纵坐标上（定义为测量载荷除以连接器数量）。
   注意:实验方法的用户必须在平均和报告之前检查数据是否存在任何有故障的传感器或不可靠的测量结果。
3. 使用数据分析软件的相应功能找到最大载荷及其相应的位移，并将这些值分别存储为 F u 和 δ _u。
4. 将最大载荷除以 2 得到半最大力 F_0.5Fu，并求其对应的位移_{δ 0.5}。
5. 通过将半最大力 F 0.5Fu 除以半最大力 δ 0.5 时的位移，找到连接器的弹性刚度 （K_0.5Fu）。 如果F_0.5Fu不在测试的一般弹性部分，请选择明显在该区域中的较低载荷并报告数字。如果使用较低的值，请务必记录 F_u 的分数和相应的力大小。
   注意:目前， K_0.5Fu线的末端被一些设计人员用作连接器中服务力的上限。
6. 报告每个连接器品牌、类型或混凝土强度采样的五个样本的平均结果。
   注意: 报告的结果仅对所选混凝土、绝缘材料、混凝土强度和连接器的特定组合有效。

结果

图8和图9A显示了每个连接器的典型负载与实验室中纤维增强聚合物（FRP）连接器的双剪切测试得出的平均位移曲线。如图所示，负载稳定增加至最大点，然后急剧下降，这通常在大多数涉及聚合物的测试中观察到。然而，如图9B所示，如果对延展性金属连接器进行采样，则在达到最大载荷后曲线变平，从而为载荷与位移图提供两?...

讨论

许多研究人员已经对ICSWP使用了这种类型的测试的一些变体，但这是概述所有单个步骤的第一个实例。文献没有涉及测试中的关键步骤，包括传感器类型和试样处理。这种方法描述了一种测试方式，与单剪切测试相比，该方法更能模拟面板在弯曲中加载时连接器的行为。这项工作有几个变量有待研究。具体而言，与边界条件相关的信息并不为人所知，但可能会影响测试。同样，负载放置的公差可?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Battery-powered Drill
Concrete Screws			50 mm long commercial concrete scews.
Data Logger			Capable of sampling at a frequency of at least 10 Hz.
Double Shear Test Specimen			Fabricated according to the dimmensions in the testing protocol.
Four Linear Variable Displacement Transformer			With at least 25 mm range for Fiber-reinforced Polymer (FRP) connectors and 50 mm for ductile steel connectors.
Hydraulic Actuator			With at least 50-Ton capacity.
Lifting anchors rated at 1 Ton
Load Cell			With at least 50-Ton capacity.
Load Frame			Capable of resisting the forces generated by the testing specimen.
Polytetrafluoroethylene (PTFE) Pads			3 mm x 100 mm x 600 mm
Ratchet Strap			At least 50 mm wide.
Steel angle
Steel Plate			Two 20 mm x 150 mm x 150 mm steel plates.
Steel Washers			Capable of producing a separation of at least 5 mm between the steel angle and the specimen.