SIP 墻板的綜合設計方法研究①

曹 海， 嚴 帥

(1．黃山學院建筑系，安徽 黃山245041;2．南京高科建設發(fā)展有限公司，江蘇 南京210037)

0 引言

Structural Insulated Panels，簡稱 SIP，是由兩層膠合板側(cè)板和一層EPS(聚苯乙烯泡沫板)芯材通過環(huán)氧樹脂粘接而成的復合板材．SIP板是在工廠制成的，具有輕質(zhì)高強、保溫節(jié)能、施工方便和材料利用率高等優(yōu)點，可直接運至施工現(xiàn)場進行安裝，從而減少了現(xiàn)場施工，提高了施工速度．SIP板構(gòu)造圖如圖1所示．

1 SIP墻板的綜合設計

SIP的設計與制備需要考慮各方面的因素．首先需要確定的就是其用途，SIP可用作屋面板、樓板、外墻及隔墻等，不同的用途對于SIP的要求也不盡相同．由于某些特殊性能是不能通過后期處理而改變的，因此在確定墻板的用途之后必須對材料進行合理的選擇以滿足其特定的用途．

在對墻板進行詳細設計時，通過計算需要滿足力學性能、保溫隔熱性能、隔聲性能等，同時也需要根據(jù)其用途滿足相關的規(guī)范，在綜合考慮其所需滿足的性能與規(guī)范后便可計算出墻板的各項設計參數(shù)，如面板厚度、芯材厚度、墻骨柱間距等．最后，需要考慮生產(chǎn)效率和經(jīng)濟成本等因素來選擇合適的制備工藝，從而最終制備出高性能的復合材料墻板．在整個設計與制備過程中，始終貫穿著降低經(jīng)濟成本這條主線，以使得最終的產(chǎn)品具有較高的性價比，從而適應建筑材料市場的需求．

1．1 最佳芯層厚度

當采用SIP作為外圍護結(jié)構(gòu)時，其熱阻值越大則節(jié)約的采暖能源越多[1－2]．如需增加SIP的熱阻值則要增加面板和芯材的厚度，相應的成本也會增加，由于熱阻值大部分來源于芯材，面板主要考慮受力因素，所以在節(jié)能保溫計算中需著重于芯層的厚度．而SIP的最佳芯材厚度公式如下[3]:

式中 :δc為芯材的厚度，m;ti為設計的室內(nèi)空氣溫度，℃;te為采暖期室外空氣的平均溫度，℃;n為當?shù)氐牟膳瘯r間，h/a;s為當?shù)亟y(tǒng)計計算的有效熱能價格，元/(W·h);P為年折舊率，%;u為年維護費用系數(shù)，%;λc為芯材材料計算導熱系數(shù)，W/(m2·K);Sc為芯材單位體積綜合單價，元/m3;Ri為內(nèi)表面換熱阻，(m2·K/W);δf為面板的厚度，m;λf為面板材料計算導熱系數(shù)，W/(m2·K);Re為外表面換熱阻，(m2·K/W)

芯材的最優(yōu)厚度受各種因素的影響，為研究建筑物使用年限對最佳芯層厚度的影響，在此利用式(1)將建筑物使用年限分別為20，30，40，50a時的最佳芯層厚度比較如圖2．從圖中可以看出隨著使用年限的增加最佳芯材厚度取值隨之增大，但增長趨勢變緩，一般厚度不超過100mm．這說明結(jié)構(gòu)保溫板熱工性能優(yōu)良，只需要較小的厚度即可達到與建筑物使用壽命匹配的節(jié)能要求．在實際使用中芯材的厚度還需要考慮結(jié)構(gòu)受力性能、隔聲及建筑的要求，所以最終的芯層的厚度應取芯層最佳厚度與其他要求厚度的較大值[4]．

圖1 SIP構(gòu)造圖

圖2 不同使用年限建筑物結(jié)構(gòu)保溫板最佳芯層厚度

1．2 墻板連接方案

本文所研究的SIP材料主要應用于裝配式建筑之中，其墻板可按照統(tǒng)一、標準的建筑部品規(guī)格在產(chǎn)業(yè)廠房中加工制作，采用工業(yè)化方法生產(chǎn)，在工廠或施工現(xiàn)場進行快速組裝，其優(yōu)點有生產(chǎn)效率高、構(gòu)件質(zhì)量好、施工速度快、現(xiàn)場濕作業(yè)少、施工受季節(jié)因素影響較小等．

在對墻板進行裝配時，墻板連接方案的好壞決定著墻體結(jié)構(gòu)的整體性能，在構(gòu)成復合材料SIP墻體時，最重要的目標是保證連接部位的強度和可靠性，以便使墻體均勻傳遞結(jié)構(gòu)所承受的全部荷載．墻體的連接方式主要有三種(如圖3)，

圖3 SIP的連接示意圖

圖(a)是取用兩塊與面板材料相同的板材內(nèi)嵌入SIP側(cè)板內(nèi)，然后用螺釘固定;圖(b)為采用木骨柱進行釘連接的連接方式;圖(c)直接采用整塊SIP作為中間的連接材料．采用圖(a)方式進行連接的墻體，其保溫隔熱性能優(yōu)越，不存在冷熱橋，但抗側(cè)性能不如圖(b)方式．采用圖(b)方式連接的墻體，抗側(cè)性能較好，但保溫效果不如圖(a)．而圖(c)連接方式的原理與圖(a)相似，但其可操作性比圖(a)方式要好．

同時SIP重量很輕，吊裝不需要大型吊裝設備，安裝速度快，所以作為樓板和屋面板非常方便．圖4為SIP樓板及帶女兒墻的屋面板的安裝方式[5－6]．

圖4 SIP樓板及屋面板的安裝方式

2 基于性能的抗震設計步驟與建議

在北美和我國的木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中，木結(jié)構(gòu)房屋可以選用如下兩種方法之一進行設計:(l)根據(jù)極限狀態(tài)等工程計算原理進行計算設計，簡稱工程設計;(2)對于較簡單的或者常見的房屋可以根據(jù)傳統(tǒng)的構(gòu)造進行設計，簡稱構(gòu)造設計．在北美的木結(jié)構(gòu)房屋中，采用傳統(tǒng)構(gòu)造設計的房屋占有相當大的比例[7]．以往的震害調(diào)查表明[8]，構(gòu)造設計的木結(jié)構(gòu)房屋也表現(xiàn)出良好的抗震性能．

歐洲、北美建筑規(guī)范中的抗震設計均采用的是基于力的設計方法．這種方法首先根據(jù)彈性反應譜確定彈性階段的地震作用力，然后引入折減系數(shù)R對彈性階段的地震作用力進行折減，從而考慮彈塑性階段結(jié)構(gòu)的延性．我國規(guī)范采用的也是基于力的抗震設計方法，但是沒有考慮地震作用折減系數(shù)R．

基于性能的抗震設計方法與基于力的方法相比，有很多明顯的優(yōu)勢．目前各國研究人員在這方面開展了很多研究工作．基于性能的抗震設計的重要前提是確定不同地震水準時的性能目標，下表1為美國FEMA[9～10]所建議的木結(jié)構(gòu)房屋的性能目標．

表1 地震水準和結(jié)構(gòu)性能目標的關系

圖5 SIP住宅平面圖

圖6 SIP住宅立面圖

在SIP房屋中，層間位移對于控制地震災害是最重要的參數(shù)，因此適宜采用基于位移的性能設計方法進行抗震設計．基于位移的性能設計方法最早由Priestley[11]在1993年提出，這種方法將層間位移小于與地震水準相對于的位移作為設防目標．采用這種方法時，結(jié)構(gòu)整體需要首先被簡化成一個具有等效彈性抗側(cè)剛度和粘性阻尼的單自由度體系．

與基于力的抗震設計方法相比，SIP房屋采用上述基于位移的方法進行設計時具有如下明顯的優(yōu)點:不需要事先估計結(jié)構(gòu)的彈性周期，不需要力折減系數(shù)R，位移目標貫穿整個設計過程，不需要確定彈性和非彈性位移之間的關系，不需要確定屈服位移．但是基于位移的設計方法的缺點在于增加了結(jié)構(gòu)整體的荷載位移關系以及目標位移和等效阻尼系數(shù)關系的計算．對于SIP房屋而言，層間位移是決定抗側(cè)構(gòu)件破壞的決定因素，因此采用基于位移的抗震設計更加科學合理．

3 算例

SIP墻體的極限荷載是否滿足目前木結(jié)構(gòu)規(guī)范的抗震要求需進一步的驗算，因此需要對SIP住宅計算一層墻體的水平作用標準值．此SIP住宅平面及立面如圖5，6所示，總建筑面積108m2，總高度6．23m．基本雪壓為 0．5 kN/m2;計算時東西向由地震荷載控制，風壓忽略．地面粗糙度為A類;抗震設防烈度為7度第二組、基本地震加速度值為0．1g，場地類別為Ⅲ類．所有墻面板體均采用SIP板，不考慮石膏板和外掛鋁合金．表2為主要材料表．

表2 主要建筑材料表

3．1 永久荷載

(1)屋面荷載標準值

屋面瓦 0．71 kN/m2 SIP 板 0．229 kN/m2屋架間距600mm 0．1 kN/m2 2 ×12．5mm 石膏天花板 0．2 kN/m2總計: 1．24 kN/m2

(2)樓面荷載標準值

地毯 0．1 kN/m2 SIP 板 0．229 kN/m2 72mm×235mm間距400mm擱柵 0．125 kN/m2 2 ×12．5mm 石膏天花板 0．2 kN/m2總計: 0．65 kN/m2

(3)墻體荷載標準值

SIP 板 0．229 kN/m2 72mm×100mm間距400mm墻骨柱 0．07 kN/m2總計: 0．30 kN/m2

3．2 可變荷載

(1)雪荷載標準值:Sk=μrs0=1．0×0．5=0．5kN/m2

(2)屋面活荷載標準值:不上人屋面，活荷載0．5 kN/m2

(3)樓面活荷載標準值:樓面活荷載 2．0 kN/m2

根據(jù)已知條件利用下式計算(采用底部剪力法計算[12]):

式中:α1為水平地震影響系數(shù);，其中Tg=0．55，η2=1．0，T=0．05H0．75=0．05×6．230．75=0．29(GB50005－2003 第9．2．2 條)

由于0．1 ＜T=0．29 ＜Tg=0．55，所以 α1=η2αmax=0．08;

δn為頂部附加地震作用系數(shù)，取值為0;Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，多質(zhì)點可取總重力荷載代表值的85%;

屋蓋自重:

Gr=Ar×Dr=55．5×1．24=68．8(kN)樓面自重:

Gf=Af×Df=54×0．65=35．1(kN)

二層墻體自重:

Gw2=(4×6+2．4+2×3)×2．43×0．3+2×0．5×6×1．1×0．229=25．13(kN)

一層墻體自重:

Gw1=(3×6+3+2×9)×2．7×0．3=31．59(kN)

屋蓋質(zhì)點自重:

Greq=Gr+0．5×Ar×0．5+0．5×Gw2=68．8

+0．5×55．5×0．5+0．5×25．13=95．24(kN)

樓蓋質(zhì)點自重:

Gfeq=Gf+0．5×Af×2．0+0．5×(Gw2+Gw1)

=35．1+0．5×54×2．0+0．5×(25．13+31．59)=117．5(kN)

3．3 計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)等效總重力荷載:

由試驗[13]我們得出SIP墻體在低周反復加載下的極限荷載最小值為21．298kN，是Fi=10．69kN的1．99倍．因此SIP墻體的抗震性能大于目前規(guī)范所要求的標準．

4 總結(jié)

本文對SIP的建筑使用功能進行了分析和介紹，提出了綜合考慮各項設計因素的SIP設計流程，并介紹了基于房屋性能的抗震設計方法的步驟與建議;最后通過算例，采用底部剪力法計算出SIP住宅一層墻體的水平作用標準值，并對比試驗結(jié)果，得出結(jié)論:試驗墻體的抗震性能遠遠大于目前規(guī)范所要求的標準，SIP剪力墻結(jié)構(gòu)擁有著良好抗震性能．本文內(nèi)容可供工程設計與施工人員參考．

[1] 中國建筑學會建材分會墻體保溫材料及應用技術(shù)專業(yè)委員會．墻體保溫建筑節(jié)能[M]．北京:中國電力出版社2008．

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[3] 張玉龍．結(jié)構(gòu)保溫板(SIP)受力性能及熱工性能研究[D]．南京:南京工業(yè)大學，2009．

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[9] FEMA．Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings[C]．Federal Emergency Management Agency，1997．

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[12] 建筑抗震設計規(guī)范(GB500ll－2008)[S]．2008，北京:中國建筑工業(yè)出版社．

[13] 嚴帥．SIP板式木結(jié)構(gòu)體系抗震性能研究[D]．南京:南京工業(yè)大學，2010．