雙大開洞預制混凝土外墻板在施工吊裝階段的受力性能分析

游家奇 王黎 黃澤

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司）

1 概述

預制混凝土外墻板是指預制混凝土外墻構件，它并不承重，只作為外墻起到圍護的作用。預制混凝土外墻板因具有施工周期短、環(huán)保節(jié)能、標準化程度高等優(yōu)勢，逐漸在住宅建筑上得到廣泛運用[1]。且為推動裝配式建筑的發(fā)展，國家與地方政府陸續(xù)出臺了大量關于推行裝配式建筑實施的指導意見，以《裝配式建筑評價標準》（GB/T 1129-2017）為例，針對圍護墻和內(nèi)隔墻部分得分不得低于10 分，其中，裝配式項目通常采用非承重圍護墻非砌筑5 分，而普通的公建和住宅項目外墻一般需要采用預制混凝土外墻，且需占外圍護結構應用比例的80%以上。因此，預制混凝土外墻在整個裝配式建筑中的占比非常大。

從技術層面上看，預制混凝土外墻板因出色的工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量，較好地解決了傳統(tǒng)建筑外墻漏水、裂縫等通病。而外墻板一般是整個建筑物中造型相對復雜多變，因此預制混凝土外墻板是涵蓋了較多設計關鍵技術的預制部件之一。

預制混凝土外墻的設計主要包括拆分設計和深化設計兩部分。其中，拆分設計關系到建筑功能的實現(xiàn)、裝配率以及標準化的呈現(xiàn)；深化設計則關系到預制混凝土外墻成品的質(zhì)量以及施工的效率。

預制混凝土外墻板的種類及連接技術對比其他預制構件較為多種多樣，且根據(jù)建筑外立面要求時常需要開窗洞或增加飾面，因此預制混凝土外墻板的深化設計需根據(jù)選用的不同預制構件樣式，進而確定不同的形狀深化、節(jié)點深化等設計內(nèi)容。

在項目深化設計過程中，預制混凝土外墻板由于門洞、窗洞的關系，需在構件的各洞角處進行補強，加強構件薄弱位置的強度，確保預制構件在生產(chǎn)、運輸以及施工吊裝過程中的完整性，防止構件在脫模吊裝、施工吊裝及使用階段發(fā)生破壞。

我國對于雙大開洞預制混凝土外墻板的受力性能分析研究較少，特別是針對洞角薄弱處補強方式的分析研究更加缺少，因此該如何進行安全且經(jīng)濟地補強是一個可待探討的問題。

2 有限元受力分析

本工程中采取的裝配式預制混凝土外墻板部件形狀并不規(guī)則，為大尺寸雙開洞墻板，且該預制墻板跨度為8080mm，高度為4480mm，總重量達14.04t，難以通過理論對其受力進行準確分析，為此采用有限元分析軟件Abaqus 對預制混凝土外墻板進行仿真模擬分析，得到其在吊裝過程中窗洞邊緣混凝土與鋼筋的應力值及分布情況，以此檢核設計的合理性。

2.1 基本分析參數(shù)

模擬吊裝狀態(tài)下雙大開洞預制混凝土外墻板的受力形式，吊裝工況下動力系數(shù)取1.5；預制混凝土外墻板保護層厚度為15mm，混凝土料強度等級為C40；墻板配筋采C10@180mm 雙向雙層配筋，鋼筋等級為HRB400；吊裝預埋鐵件采用長度為260mm、強度等級為Q235 的鋼棒。

模擬采用三維實體元素單元（C3D8 單元），鋼筋元素采用兩結點線性三維桁架單元（T3D2 單元）；鋼筋與混凝土間之界面采用Embedded region Constraint（嵌入式約束），吊裝預埋鐵件與混凝土間之界面采用Tie Constraint（綁定約束）；邊界條件為固定約束吊裝預埋鐵件頂部之節(jié)點。

分析模型采用兩種窗洞補強方式：方案一在各洞角處增設斜向雙層C10 補強鋼筋，方案二采用窗洞四邊增設暗梁之方式，比較雙大開洞預制混凝土外墻板窗洞補強方式的差異。

2.2 分析結果

由吊裝工況下兩個模型的分析結果計算可知：對于混凝土應力，在吊裝工況下，兩種窗洞補強方式對混凝土整體應力值及分布無明顯影響，故細部分析結果顯示以方案一為例。分析結果如圖1 及圖2 所示。

圖1 采用斜向補強鋼筋墻板混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖2 采用斜向補強鋼筋墻板混凝土拉應力分布示意圖（單位：MPa）

如圖1 所示，預制混凝土外墻板窗洞角隅及吊點處均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，且由墻板上邊緣向窗洞角隅處延伸。從圖3 可更加清晰地看出，窗洞上下邊緣（紅色部分均為應力值小于零）受拉，由中部向兩側(cè)減少，窗洞周圍混凝土最大拉應力值約為-0.016MPa，遠小于混凝土抗拉強度設計值；且由于墻板跨度大及雙大開洞，因此墻板上下邊緣中部均出現(xiàn)受拉行為，但均小于混凝土抗拉強度設計值。

對于內(nèi)置鋼筋應力(如圖3 及圖4 所示），分析結果顯示：采用增設斜向雙層補強鋼筋方式，在吊裝工況下，鋼筋應力最大值為35.69MPa；采用窗洞四邊增設暗梁方式，在吊裝工況下，鋼筋應力最大值為38.21MPa。在兩種窗洞補強方式下，鋼筋應力差值僅2.52MPa，且均小于鋼筋強度設計值。

圖3 采用斜向補強鋼筋墻板鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖4 采用增設暗梁方式墻板鋼筋應力云圖（單位：MPa）

根據(jù)圖1 至圖4 混凝土及鋼筋應力云圖可以看出：對于雙大開洞預制混凝土外墻板，在吊裝工況下，整體構件最大應力不僅出現(xiàn)在窗洞角隅及吊點處，亦會出現(xiàn)在墻板跨中部，由窗洞角隅處逐漸向板中部擴散延伸。

基于上述模擬分析結果，采用兩種窗洞補強方式均能滿足強度設計要求，因此需要通過計算成本來進一步比較兩種補強方式的差異。方案比較結果如表1 所示。由表1 可知：采用方案二即窗洞四邊增設暗梁的方式，額外增加的成本是方案一的8.5 倍，特別是時間成本，至少需要增加4 小時/塊的工作量，整體經(jīng)濟效益較低。

表1 窗洞補強方案比較

3 結束語

綜上所述，得出以下幾點結論：

⑴基于該模擬分析結果，對于雙大開洞預制混凝土外墻板，采用增設斜向雙層補強鋼筋的窗洞補強方式即可滿足設計要求。

⑵從混凝土應力云圖可知，預制混凝土外墻板在雙開洞且洞口尺寸較大時，墻板跨中部、墻板上下邊緣、吊裝預埋件邊緣混凝土及鋼筋在吊裝工況下均會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，因此在深化設計時此部分需額外復核構件強度，以確保在各工況下的安全性。

⑶該分析是基于較理想狀態(tài)下的模擬結果，在實際吊裝過程中，預制混凝土外墻板的受力狀態(tài)不會這么理想，現(xiàn)實隨著吊裝過程的變化，其受力方向復雜多變，這是模擬分析的不足之處，所以在材料強度選取、鋼筋布置時應適當增加富余度，使其安全性更具保障。