某超限項(xiàng)目中輕質(zhì)條板隔墻及連接件抗震設(shè)計(jì)分析

劉 宇， 鄭佳麗

(成都華宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610000)

在裝配式建筑、綠色建筑大力推廣和深入發(fā)展的產(chǎn)業(yè)背景下，輕質(zhì)條板隔墻作為一種環(huán)保節(jié)能、輕質(zhì)高強(qiáng)、施工便捷的新型材料，在建筑工程中得到了廣泛運(yùn)用[6]。對(duì)于傳統(tǒng)的砌體填充墻，我國(guó)已作出了大量的研究，而對(duì)輕質(zhì)條板隔墻的構(gòu)造措施和抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)研究甚少。目前國(guó)內(nèi)僅有JGJ 339-2015《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]等作為設(shè)計(jì)依據(jù)，其中的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料強(qiáng)度影響因素、裂縫控制及抗震連接還有待后續(xù)深入研究完善。

1 工程概況

華地恒通·樂(lè)薈城項(xiàng)目位于西昌市航天大道東沿線北側(cè)，根據(jù)GB 50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[7]、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[8]，可得西昌市抗震設(shè)防烈度為9度(0.4g)。普通內(nèi)隔墻的功能級(jí)別為三級(jí)，鋼卡件功能級(jí)別為二級(jí)。

本工程采用改性石膏條板內(nèi)隔墻設(shè)計(jì)方案，改性石膏條板運(yùn)用于7～15層內(nèi)隔墻，層高均為3.8 m，計(jì)算條板高度時(shí)統(tǒng)一取梁高600 mm。此方案超過(guò)JGJ/T 157-2014《建筑輕質(zhì)條板隔墻技術(shù)規(guī)程》[9]中，輕質(zhì)條板適用于抗震設(shè)防烈度8度及8度以下地區(qū)規(guī)定。因本工程地處設(shè)防烈度為9度區(qū)，故按超限項(xiàng)目進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

本工程鋼卡件采用厚度為 4 mm的 Q235 鋼(容重78.5kN/m3，f=215N/mm2，fy=235N/mm2)。石膏條板及抗震鋼卡件安裝如圖1所示。本工程內(nèi)隔墻的兩側(cè)及上部與主體結(jié)構(gòu)之間均采用柔性連接。

圖1 石膏條板及抗震鋼卡件安裝(單位：mm)

2 輕質(zhì)條板及連接件抗震設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算假定

(1)由于輕質(zhì)條板與主體結(jié)構(gòu)采用了柔性連接，可僅進(jìn)行抗震鋼卡件在內(nèi)隔墻平面外的抗震承載力驗(yàn)算。鋼卡件在內(nèi)隔墻平面外按懸臂構(gòu)件考慮。

(2)本工程采用改性石膏條板的抗壓強(qiáng)度(約4.7 MPa)是抗拉強(qiáng)度(約1.0 MPa)的4倍以上，而輕質(zhì)條板平面外抗彎驗(yàn)算是由其抗拉強(qiáng)度控制的。一方面，條板的重力荷載引起的應(yīng)力為壓應(yīng)力，對(duì)條板的承載力有利；另一方面，9度區(qū)豎向地震作用取重力荷載的20 %，其引起的拉應(yīng)力雖對(duì)條板承載力不利，但小于重力荷載引起的壓應(yīng)力，故本工程為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮重力荷載及豎向地震作用是偏安全的。

2.2 輕質(zhì)條板平面外抗彎

本工程選用改性石膏條板的規(guī)格為 2950 mm×600 mm×120 mm，面密度為 88 kg/m2。根據(jù)10J 113-1《內(nèi)隔墻-輕質(zhì)條板》[3]圖集規(guī)定，條板上端在兩板拼縫處用抗震鋼卡件與主體結(jié)構(gòu)連接；考慮本工程抗震設(shè)防烈度高于規(guī)范圖集8度區(qū)要求，條板下端采用2 mm厚抗震鋼卡件與樓地面連接，如圖2～圖3所示。

圖2 輕質(zhì)條板與上部主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造

圖3 輕質(zhì)條板與樓地板連接構(gòu)造

將輕質(zhì)條板受水平地震力的計(jì)算簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁跨中受集中荷載的模型[4]，如圖4所示，H為輕質(zhì)條板高度。

圖4 輕質(zhì)條板平面外抗彎計(jì)算模型

根據(jù)JGJ 339-2015《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用等效側(cè)力法計(jì)算水平地震作用F，計(jì)算公式如下：

F=γηζ1ζ2αmaxG

(1)

式中:G為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力；αmax為水平地震影響系數(shù)最大值；γ為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能系數(shù)，一、二級(jí)分別取1.4、1.0；η為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù)；ζ1為狀態(tài)系數(shù)，對(duì)預(yù)制建筑構(gòu)件、懸臂類構(gòu)件、支承點(diǎn)低于質(zhì)心的建筑附屬設(shè)備和柔性體系宜取2.0，其余情況可取1.0；ζ2為位置系數(shù)，建筑的頂點(diǎn)宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線性分布。

本工程中γ取1.0；η按非承重內(nèi)隔墻中其他隔墻、丙類建筑查規(guī)范取0.6；ζ1取2.0；ζ2根據(jù)F取最大值時(shí)考慮，應(yīng)按建筑的頂點(diǎn)取2.0；本工程位于發(fā)震斷裂5 km以內(nèi)，結(jié)合GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)將地震影響系數(shù)最大值乘以增大系數(shù)1.5。綜上可得采用等效側(cè)力法計(jì)算的水平地震作用最大值：

Fmax=γηζ1ζ2αmaxG=1.0×0.6×2.0×2.0×0.32×1.5×88×0.6×(3.8-0.6)×10÷1000=1.95kN

(2)

再根據(jù)輕質(zhì)條板平面外抗彎計(jì)算模型，可以得到跨中彎矩的計(jì)算公式如下：

(3)

由式(2)和式(3)可得條板跨中最大彎矩：

(4)

現(xiàn)行JG/T 169-2016《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》[2]中規(guī)定120 mm厚輕質(zhì)條板抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)N≥1.5，結(jié)合工程實(shí)際，本工程提高了120 mm厚輕質(zhì)條板抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)N的數(shù)值。由此可得120 mm厚改性石膏條板平面外抗彎承載力Mcr如下：

(5)

輕質(zhì)條板在水平地震作用下的平面外受彎應(yīng)滿足下式：

Mmax≤Mcr

(6)

由式(5)、式(6)可得，

(7)

本工程用改性石膏條板(2 950 mm×600 mm×120 mm)經(jīng)檢測(cè)得條板抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)N=3.3，滿足要求。

2.3 鋼卡件承載力驗(yàn)算

10J 113-1《內(nèi)隔墻-輕質(zhì)條板》中規(guī)定U型抗震鋼卡件統(tǒng)一采用1.5 mm厚，U型鋼卡件具體尺寸如圖5所示。

圖5 圖集標(biāo)準(zhǔn)U型鋼卡件(單位：mm)

對(duì)圖集中通用的U型鋼卡件按懸臂構(gòu)件驗(yàn)算平面外受彎承載力。根據(jù)JGJ 339-2015《非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用等效側(cè)力法計(jì)算水平地震作用F。計(jì)算公式中U型鋼卡件的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù)η取1.2，其余參數(shù)取值同輕質(zhì)條板水平地震作用F計(jì)算公式取值。由此可得條板作用于U型鋼卡件的水平地震作用力最大值為：

(8)

U型鋼卡件對(duì)條板的支承作用在翼緣高度中心，由式(8)可得單個(gè)U型鋼卡件翼緣最大彎曲應(yīng)力：

式中：M為鋼卡件計(jì)算彎矩；Ws1為鋼卡件抵抗彎矩截面模量(鋼卡厚4 mm)。

即現(xiàn)行圖集中標(biāo)準(zhǔn)U型鋼卡件不能滿足本超限工程抗震設(shè)計(jì)要求。結(jié)合工程實(shí)際，現(xiàn)采用4 mm厚U型鋼卡件，U型鋼卡件具體尺寸如圖6所示。

圖6 4 mm厚鋼卡件尺寸示意(單位：mm)

對(duì)U型鋼卡件翼緣按懸臂構(gòu)件進(jìn)行平面外抗彎承載力驗(yàn)算。由式(8)可得單個(gè)U型鋼卡件U型鋼卡件翼緣最大彎曲應(yīng)力：

通過(guò)上述對(duì)比驗(yàn)算可知，現(xiàn)行規(guī)范圖集給定的輕質(zhì)條板抗彎承載力以及鋼卡件標(biāo)準(zhǔn)尺寸還不能滿足一些復(fù)雜超限工程項(xiàng)目。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行輕質(zhì)條板超限項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范圖集，提高輕質(zhì)條板實(shí)際抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)數(shù)值以及抗震卡件截面尺寸，以滿足輕質(zhì)條板和鋼卡件在水平地震作用下的平面外抗彎承載力要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)行規(guī)范圖集對(duì)砌體隔墻的構(gòu)造及抗震設(shè)計(jì)已較為成熟，而對(duì)輕質(zhì)條板隔墻的構(gòu)造措施及在高烈度區(qū)水平地震作用下的抗震設(shè)計(jì)規(guī)定還有待完善，尤其對(duì)于超限輕質(zhì)隔墻項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累較少。本工程位于9度抗震設(shè)防烈度區(qū)，按超限項(xiàng)目對(duì)輕質(zhì)隔墻進(jìn)行設(shè)計(jì)。在現(xiàn)有規(guī)范圖集的指導(dǎo)下，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)輕質(zhì)條板和U型鋼卡件在水平地震作用下的平面外抗彎承載力進(jìn)行驗(yàn)算，并滿足抗震設(shè)計(jì)要求。通過(guò)與現(xiàn)有規(guī)范圖集的對(duì)比分析，提出了以下用于輕質(zhì)隔墻超限項(xiàng)目的加強(qiáng)設(shè)計(jì)措施。

(1)現(xiàn)行JG/T 169-2016《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》 中規(guī)定90 mm、120 mm、150 mm厚輕質(zhì)條板抗彎破壞荷載/板自重倍數(shù)N≥1.5,在該規(guī)范規(guī)定抗彎破壞荷載不能滿足輕質(zhì)條板抗彎承載力時(shí)，可提高此倍數(shù)N的數(shù)值，使條板平面外最大彎矩設(shè)計(jì)值小于平面外抗彎承載力設(shè)計(jì)值，滿足抗震要求。

(2)10J 113-1《內(nèi)隔墻-輕質(zhì)條板》 中規(guī)定U型抗震鋼卡件統(tǒng)一采用1.5 mm厚,將U型鋼卡件翼緣按懸臂構(gòu)件進(jìn)行平面外抗彎承載力驗(yàn)算，計(jì)算得到的最大應(yīng)力值偏于不安全。本工程采用了加大U型鋼卡件厚度及長(zhǎng)度尺寸的方案，提高了U型鋼卡件的平面外抗彎承載力至抗震設(shè)計(jì)要求。