湖南地區(qū)裝配式混凝土外掛墻板接縫寬度研究

梁建國，江琬瑩，羅家豪，黃宗貴，張 星，歐陽郁文

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙 410114；2. 湖南省第六工程有限公司，長沙 410015)

裝配式混凝土外掛墻板具有工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、易滿足建筑節(jié)能要求等顯著優(yōu)點，但混凝土外掛墻板之間的拼裝接縫很容易造成外墻滲漏，且接縫寬度不合理會引起混凝土外掛板對主體結(jié)構(gòu)受力性能產(chǎn)生改變.

郁銀泉等[1]研究了接縫寬度的設(shè)計計算方法，朱宏[2]、張曉娜[3]、盧家森[4]也對接縫寬度計算提出了意見，為我國行業(yè)標準《預(yù)制混凝土外掛墻板應(yīng)用技術(shù)標準》[5]JGJ/T 458 中計算預(yù)制混凝土外掛墻板的接縫寬度的方法提供了基礎(chǔ).由于我國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候和抗震設(shè)防要求各不相同，標準中采用的考慮各種影響因素的計算方法其過程十分繁瑣，不便于設(shè)計和施工.

本文針對湖南地區(qū)氣候和抗震設(shè)防要求，對比分析JGJ/T 458、美國PCI 手冊[6]與德國DIN 18540[7]3 種方法的計算結(jié)果，提出了不同板長和密封膠變形能力的外掛墻板接縫寬度的簡易設(shè)計方法.

1 外掛墻板接縫寬度影響因素及湖南地區(qū)取值

1.1 體積變形

外掛墻板的體積變形包括溫度和濕度變化引起的變形.由建筑節(jié)能要求，外掛墻板一般采用預(yù)制混凝土夾心墻板，且其外葉往往較薄.外葉的溫度包括年溫度(季節(jié)溫度)、日溫度和太陽輻射等.

采用長沙市1980—2010 年的氣象觀測數(shù)據(jù)，以30 年來歷年7 月份各月平均最高氣溫和1 月份各月平均最低氣溫為樣本，假定其服從極值I 型分布，按50 年一遇分別統(tǒng)計得到各月的溫度，即7 月份和1 月份的標準日逐時空氣溫度.在此基礎(chǔ)上考慮太陽輻射的影響，可以得到外墻掛板外側(cè)的溫度(見表1)，其中年溫度為穩(wěn)態(tài)溫度作用，日溫度為諧波熱.

表1 長沙地區(qū)標準日室外溫度

將預(yù)制混凝土夾心板看成是3 層平壁，在年溫度和日溫度作用下，分別按穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)傳熱分析混凝土夾心板內(nèi)葉和外葉的平均溫度.分析結(jié)果[8]表明，日溫度作用對內(nèi)葉影響不大，外葉平均溫度接近墻板外側(cè)溫度.因此，分析混凝土夾心外掛板時，偏保守按東(西)山墻墻板外葉溫度變化計算， 即夏季墻板平均溫度取44.60+17.15=61.75 (℃)，冬季墻板平均溫度取2.48-0.53=1.95 (℃)，墻板夏季和冬季平均溫度差為ΔT=61.75-1.95=59.55 (℃).

環(huán)境濕度變化對外掛板的作用主要體現(xiàn)為干燥收縮變形.由于墻板在工廠預(yù)制和養(yǎng)護，一部分干燥收縮變形在工廠已經(jīng)完成，因此可參照《預(yù)制混凝土外掛墻板應(yīng)用技術(shù)標準》[5]JGJ/T 458 中條文說明，收縮變形量取0.3 mm/m.

1.2 風(fēng)和地震

風(fēng)和地震作用，在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生水平荷載，引起主體結(jié)構(gòu)層間位移.在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，往往不考慮外墻掛板對結(jié)構(gòu)剛度的影響，因此，外墻掛板之間的接縫寬度應(yīng)足夠?qū)?，以協(xié)調(diào)風(fēng)和地震作用所產(chǎn)生的層間位移.

湖南省岳陽和常德的抗震設(shè)防烈度為7 度，其余地區(qū)抗震設(shè)防烈度皆為6 度[9].根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]的3.7.3 條，多遇地震作用和風(fēng)荷載作用下層間位移角取1/800.

1.3 施工誤差

施工時難以避免的安裝誤差也應(yīng)當在設(shè)計中被考慮到.根據(jù)《預(yù)制混凝土外掛墻板應(yīng)用技術(shù)標準》[5]的8.2.11 條規(guī)定外掛墻板安裝尺寸允許誤差在接縫寬度處為±5 mm.

1.4 密封膠變形能力

外掛墻板滲漏的原因主要是接縫處密封膠的變形能力差、老化、開裂和施工質(zhì)量差，為確保外墻防水，要求密封膠的變形能力足以協(xié)調(diào)上述變形.

裝配式混凝土建筑密封膠一般采用硅酮類和硅烷改性聚醚類密封膠或聚硫類建筑密封膠.不同膠的變形能力往往不同.密封膠的變形能力一般由長期拉伸變形能力ε1和短期拉伸變形能力ε2確定.長期拉伸變形能力ε1應(yīng)符合《建筑密封膠分級和要求》[11](GB/T 22083)和《混凝土接縫用建筑密封膠》[12](JG/T 881)中位移能力的有關(guān)規(guī)定；短期拉伸變形能力ε2一般由密封膠廠家試驗報告確定，無試驗依據(jù)時，ε2可取為ε1[5].

2 各國規(guī)范設(shè)計方法

2.1 JGJ/T 458

在JGJ/T 458 中，外掛墻板豎向接縫變形量D和水平接縫變形量δ考慮了4 種組合：1)密封材料受長期荷載作用；2)密封材料受短期荷載作用時由溫度作用控制；3)密封材料受短期荷載作用時由風(fēng)荷載控制；4)密封材料受短期荷載作用時由多遇地震作用控制.

外掛墻板接縫寬度ws根據(jù)接縫的變形量、密封膠變形能力以及密封膠變形情況計算.密封膠的變形情況分為4 種情況：1)僅發(fā)生拉壓變形；2)僅發(fā)生剪切變形；3)發(fā)生拉剪組合變形；4)發(fā)生壓剪組合變形.不同部位接縫中密封膠的變形不同，比如中部豎縫僅發(fā)生拉壓變形，角部斜向豎縫僅發(fā)生剪切變形.

每條接縫根據(jù)4 種變形量的組合值分別計算出接縫寬度，其最大值即為裂縫寬度設(shè)計值.同時，接縫寬度不應(yīng)＜15 mm，且不宜＞35 mm.當計算接縫寬度＞35 mm 時，宜調(diào)整外掛墻板的板型或節(jié)點連接形式，也可采用具有更高位移能力的彈性密封膠.

2.2 美國PCI 手冊

在美國PCI 手冊中，外墻掛板的接縫寬度考慮了溫度變形、地震作用、施工誤差、密封膠變形能力等因素的影響，所有接縫的寬度均按

進行計算.其中，J為最小接縫寬度；X為密封膠的變形能力，以%表示；A為溫度變化造成的變形，A=(熱膨脹系數(shù))×(溫度變化)×(外掛板長)；B為結(jié)構(gòu)容許誤差；C為地震或其他影響因素.

為了保證密封膠的安裝和性能達到最佳質(zhì)量，規(guī)定最小接縫寬度不小于19 mm.

2.3 DIN 18540

在DIN 18540 中，外掛墻板豎向接縫構(gòu)造見圖1.

圖1 豎向接縫構(gòu)造

最小接縫寬度計算公式為

其中，b為最小接縫寬度，mm；L為外掛板板長，m.計算豎向接縫最小寬度b時，接縫的變形量可預(yù)設(shè)由于溫度和濕度變化引起的位移量，合計約為0.8 mm/(m墻寬).接縫間距與接縫寬度最小尺寸b的關(guān)系見表2.

表2 豎向接縫寬度和深度建議值

水平縫通常不受位移以及因沉降和地震造成的不可預(yù)見的節(jié)點變形影響.水平縫企口的最小高度為80 mm，縫寬10～15 mm，企口前坡度應(yīng)＞60°，最好為90°.

3 對比分析

為了解上述3 個分析方法的外掛板接縫寬度的大小，以長沙市留置場所項目1 號宿舍樓的中部豎向縫和水平縫為例進行對比分析.該工程主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆框架剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻采用預(yù)制混凝土夾心外掛墻板，采用的密封材料的拉伸變形能力為20%，多遇地震作用下和風(fēng)荷載作用下各向?qū)娱g位移角取1/800，不考慮主體梁板變形引起的墻板變形，僅考慮密封材料受長期荷載作用下的變形.

按3 種分析方法計算外掛墻板寬度分別為：0.9，1.5，2.1，2.7，3.3，3.9，4.5，6.0 和9.0 m，層高為3.0，3.3 和3.6 m，計算結(jié)果見圖2.

圖2 3 種方法計算結(jié)果

從計算結(jié)果看，我國標準的接縫寬度介于德國標準和美國PCI 手冊之間；美國PCI 手冊計算值最小，但美國PCI 手冊的最小值取值較我國標準和德國標準大.從計算過程比較，我國標準方法最復(fù)雜；德國標準方法最簡單直接.這主要是因為我國不同地區(qū)氣候相差較大.由此可知，對于湖南地區(qū)，其氣候變化不大，可以參照德國標準的方法進行簡化.

4 湖南地區(qū)外掛板接縫寬度

根據(jù)湖南省的氣候條件、抗震設(shè)防烈度等條件，墻板高度按層高取3.0，3.3，3.6，3.9 和4.2 m，按JGJ/T 458 的4 種變形組合方式，計算不同板長、不同密封膠變形能力的角部豎向接縫、中部豎向接縫和水平接縫的接縫寬度，4 種變形組合的計算值取最大值，得到不同情況的最小接縫寬度，見圖3.

圖3 不同變形能力時密封膠接縫寬度

根據(jù)計算結(jié)果，角部豎直縫計算縫寬略大于中部豎直縫.為簡單起見，所有豎直縫寬度均按角部豎直縫取值，并考慮JGJ/T 458 的最小縫寬要求，建議湖南地區(qū)混凝土外墻掛板的接縫寬度按表3 取值.

5 結(jié)論

1)JGJ/T 458 方法，豎直縫寬度由地震作用和風(fēng)荷載作用控制，水平縫寬度由溫度作用控制，縫寬介于其他2 種方法之間，相比于其余2 種方法，其計算過程復(fù)雜；

2)建議湖南地區(qū)的混凝土外掛板縫寬按表3取值.

表3 湖南地區(qū)混凝土外掛板的接縫寬度建議值