砌體房屋封閉式陽臺挑梁施工過程荷載累積效應分析*

鄭宏宇，柳云帥，江懷雁

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學工程防災與結構安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司，廣西 南寧 530022；4.廣西建設職業(yè)技術學院土木工程系，廣西 南寧 530007)

0 引言

由于砌體結構的鋼材用量少，施工技術要求低，建設總成本較低，且構造柱不外凸于墻面，得房率高，因此多層砌體(磚混)結構和底部框架-砌體(磚混)結構仍是廣西民用住宅建筑的主要結構形式之一。多數砌體結構住宅為了擴大使用面積，2層及以上樓層在房屋進深方向的正面和背面設置了全封閉懸挑陽臺[1]，懸挑長度多為1.2～1.5m。這類封閉式懸挑陽臺正面一般開設了大小不一的窗洞，側面墻體砌筑到頂，不設窗洞。

為方便施工，一般將封閉式懸挑陽臺的圍護墻視為承重墻，與同樓層其他承重墻同時砌筑。

從結構受力角度考慮，挑梁上圍護墻體應按非承重墻施工，使各層陽臺挑梁只承受本層墻體自重[2]，但上述施工方法將挑梁上的隔墻變成了承重墻，各樓層荷載產生逐層向下傳遞的累積效應，使最下層挑梁承受的實際荷載可能超過其設計荷載，導致該挑梁的抗彎、抗剪承載力不足，存在一定的安全隱患[3]。此處的荷載累積效應是指由于構件自下而上施工，且各樓層的墻體、挑梁、封口梁等構件緊密結合，導致樓層的恒荷載、活荷載可通過墻體、挑梁、封口梁向下逐層傳遞并疊加，使最下層構件受力最大，且與設計時的承載模型存在較大差異。

當懸挑陽臺正面開設有較大窗洞時，可對荷載逐層向下傳遞路徑起隔斷作用，但陽臺側面墻體如不設窗洞，仍可出現(xiàn)荷載逐層累積效應。對于這類因施工方法帶來的結構安全問題，值得進行深入分析，但目前尚無相關文獻可查閱。因此，本文以一幢在建的5層砌體結構民宅為例，采用有限元仿真軟件ABAQUS的“生死單元”技術[4]，分別模擬封閉式陽臺圍護墻體按承重墻和填充墻施工，對比二者2層挑梁在施工過程中內力、變形的變化情況，確定實際施工時承重墻的荷載累積效應，研究挑梁的受力機理，提出相應建議，為今后此類建筑的設計和施工提供理論依據。

1 工程概況

某住宅樓位于廣西柳州地區(qū)，為5層砌體結構，總平面尺寸為9.0m×17.0m(開間×進深)，寬度方向設2個開間，采用雙向承重；結構層高3.3m，2層及以上各層前、后均設懸挑陽臺，外挑長度為1.5m，2層陽臺挑梁截面尺寸為240mm×450mm，封口梁尺寸為180mm×400mm。底層墻體厚240mm，2層及以上樓層墻體厚180mm；縱、橫墻交匯處設構造柱，構造柱截面邊長同墻厚；每層均設置1道圈梁，圈梁截面寬度同墻厚，高300mm；樓板厚120mm。墻體采用MU10 240mm×115mm×53mm燒結頁巖實心磚砌筑，砌筑砂漿的設計強度等級為M5，梁、板及構造柱等構件的混凝土強度等級均為C25，所有鋼筋種類為HRB400。由結構設計軟件計算得到的2層陽臺局部結構施工圖如圖1所示。

圖1 某砌體結構住宅樓2層結構局部施工圖

2 有限元分析模型建立

基本假定為：①不考慮墻體砌筑質量對墻體整體性和剛度的影響；②不考慮施工過程中因砌筑砂漿和混凝土收縮、徐變產生的附加變形；③不考慮混凝土和砂漿硬化時效的影響。

采用ABAQUS建立有限元數值仿真分析模型(見圖2)。由于僅考察懸挑陽臺在豎向靜力荷載作用下的受力狀況，故利用對稱性，取開間及進深方向與陽臺相鄰的1個房間進行建模分析?；炷梁推鲶w采用線性減縮積分實體單元C3D8R模擬；挑梁受力筋和墻體拉結筋采用三結點二次三維桁架單元T3D2模擬[5]?；炷敛捎没炷翐p傷塑性(concrete damage plasticity)本構關系，破壞準則參數取值按文獻[6]推薦的方法計算；考慮到封閉墻體以軸心受壓為主，按文獻[7]選取砌體的軸心受壓本構關系；鋼筋單元采用雙折線本構關系，屈服應力fy取400MPa(HRB400鋼筋標準值)，屈服前彈性模量Es0=2×105MPa，屈服后為斜直線，斜率為0.01Es0?；炷梁推鲶w材料強度取標準值。

圖2 有限元模型

模擬封閉式懸挑陽臺圍護墻體采用如下2種方式：①方法A(按承重墻施工) 懸挑陽臺圍護墻體按承重墻自下而上施工，即依次澆筑本層梁、板→砌筑本層墻體→澆筑上層樓(屋)面梁、板→砌筑上層墻體→其余樓層以此順序施工；②方法B(按填充墻施工) 懸挑陽臺圍護墻體按非承重隔墻施工，即先澆筑各層梁、板，再自上而下逐層砌筑懸挑陽臺墻體。采用“生死單元”技術模擬懸挑陽臺的施工過程，按各樓層主要構件的施工順序設置分析步，以前一分析步結束時的狀態(tài)(包括豎向荷載、結構剛度矩陣、結構位移向量等)作為下一個分析步的初始狀態(tài)，使前、后分析步的結構剛度、內力、位移等具有繼承關系。

表1 2種施工方法2層陽臺挑梁根部彎矩、剪力及懸挑端撓度隨施工過程的變化情況對比

3 挑梁及墻體的內力、變形對比分析

3.1 施工結束時2層陽臺挑梁及側墻的應力分布

全樓主體施工結束時，2種施工方式下2層陽臺挑梁及側墻縱向應力如圖3，4所示。

圖3 2層陽臺挑梁縱向應力(單位：Pa)

圖4 2層陽臺側墻縱向應力(單位：Pa)

由圖4可知，2種施工方法下的挑梁縱向應力分布特征相近，符合懸臂梁的縱向應力分布規(guī)律，且無論是梁面拉應力，還是梁底壓應力，方法A的應力水平均略高于方法B，表明方法A存在少量荷載逐層向下傳遞的累積效應。

由圖5可知，方法A的墻頂分布一定的壓應力，這是由上層挑梁底面的受壓區(qū)通過黏結力將壓應變傳至墻頂產生的；墻底中間部位存在拉應力，也由墻底挑梁上表面受拉區(qū)通過黏結力將拉應變傳至墻底所致。方法B最大拉應力同樣位于墻底中間位置，但因墻頂與上層挑梁無黏結，因此無壓應力局部增大現(xiàn)象。

3.2 施工過程中2層陽臺挑梁的內力和變形情況

提取2層陽臺挑梁根部各分析步的彎矩、剪力及懸挑端豎向撓度值，如表1所示。繪制2種施工方法下2層陽臺挑梁內力、撓度隨施工過程變化曲線，如圖5所示。

圖5 2種施工方法下2層陽臺挑梁內力、撓度隨施工過程變化曲線

1)從施工開始到結束，設2層挑梁根部彎矩、剪力和懸挑端撓度的總增量分別為ΔM，ΔV，ΔD。方法A中，第2層墻體砌筑后，彎矩、剪力、撓度增幅分別為0.934ΔM，0.675ΔV，0.977ΔD；第3層梁板澆筑后，三者增幅分別為-0.010ΔM，0.075ΔV，0.006ΔD；第3層墻體砌筑后，三者增幅分別為0.064ΔM，0.211ΔV，0.013ΔD；在剩余施工步中，三者的總增幅僅為0.021ΔM，0.039ΔV，0.004ΔD。由此可見，2層挑梁的內力和變形增量絕大部分是在前4個施工步驟完成的，尤其是第2步的增幅最大，說明第4，5層的施工對2層挑梁受力的影響較小，可忽略不計。相比較而言，方法B的2層挑梁內力、變形僅由2層墻體自重產生。

2)施工結束時，方法A的內力和變形均大于方法B，彎矩、剪力和撓度分別較方法B增大了4.6%，34.9%，5.6%，剪力增幅較大，彎矩和撓度增幅均<6%。由此可以判斷，方法A存在一定的荷載逐層傳遞累積效應，但荷載累積向下傳遞的行為主要限于相鄰一個樓層范圍內。

3)方法B的2層挑梁承受除其自重外的荷載時間相較于方法A晚很多，因此混凝土有充分的時間養(yǎng)護硬化，從理論上判斷，相對更安全。

3.3 實際承載力分析

按現(xiàn)行設計規(guī)范，挑梁的受力模型不考慮上、下層間的荷載傳遞關系，通過手工計算，得出由恒荷載標準值產生的挑梁根部彎矩為57.63kN·m，剪力為44.56kN，可見手工計算彎矩值大于ABAQUS按施工方法A(未考慮裝修荷載和使用活荷載作用)的彎矩模擬值，但手工計算剪力值卻小于ABAQUS的剪力模擬值，存在剪力估計不足的可能。

再根據圖2中①軸或③軸2層挑梁的實際配筋，取鋼筋和混凝土強度設計值估算此挑梁的抗彎承載力Mu為86.06kN·m、抗剪承載力Vu為157.99kN，與考慮恒荷載、活荷載基本組合的計算彎矩設計值M(82.76 kN·m)、剪力設計值V(63.47kN)相比，抗彎承載力相近，但抗剪承載力富余很多。原因是荷載產生的剪力設計值太小，以致于抵抗此剪力所需的箍筋也少，仍低于構造規(guī)定的最小配箍率要求，因此軟件自動按最小配箍率配置箍筋，導致由混凝土和箍筋共同提供的抗剪承載力明顯高于荷載產生的剪力設計值?？梢?，結構設計軟件的挑梁受力模型與計算的基本一致，由于有構造要求的彌補，使剪力估計不足的問題得以避免。

4 基于現(xiàn)場觀測對分析結果的驗證和機理性分析

現(xiàn)場對該住宅樓2層挑梁根部外周進行觀測，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的豎向和斜向裂縫。對附近其他相同結構、同按承重墻施工的幾幢砌體結構房屋2層陽臺挑梁進行觀測，也均未發(fā)現(xiàn)挑梁根部混凝土表面出現(xiàn)裂縫，與上述數值模擬分析結果一致。上述現(xiàn)象可從以下幾方面作機理性解釋。

1) 懸挑深墻梁受力體系的形成，大大減小了2層挑梁實際承受的豎向荷載。2，3層挑梁與兩者間的圍護墻體組合形成懸挑墻梁(見圖6)，該墻梁梁高為2層層高與2層挑梁截面高度之和，是懸挑長度(1.2～1.5m)的2～3倍，因此是一道懸挑深墻梁。這是方法A澆筑第3層梁板后，挑梁剪力持續(xù)增大、彎矩反而略有減小的原因。懸挑墻梁體系形成后，2層挑梁實際承受的內力大大減小，因此不會出現(xiàn)承載力不足和開裂的問題。

圖6 懸挑墻梁受力模型及內拱效應示意

2)懸挑墻梁的墻體存在內拱效應，將其自重及上部樓層傳下的荷載對半分別傳至挑梁根部和懸臂端，使方法A中挑梁根部的彎矩增幅小于剪力增幅。

3)陽臺樓板以懸挑板的方式分擔了一部分陽臺荷載。懸挑陽臺樓板與相鄰室內樓板整體澆筑，陽臺樓板根部幾乎不可轉動，形成懸挑板，實際上承擔了一部分陽臺荷載，使挑梁受力減小。

4)混凝土和砂漿緩慢發(fā)生的收縮、徐變削弱了荷載向下傳遞的程度。實際的混凝土和砌筑砂漿均發(fā)生一定程度的收縮和徐變變形，由于墻體砌筑砂漿收縮較快，當墻頂挑梁硬化完成并具有承載力時，梁下的墻體已完成了大部分收縮變形，使挑梁與其下墻體間的接觸力降低，形成弱結合，削弱了上面各層荷載向下傳遞和累積的程度。

5 結語

1)砌體結構懸挑陽臺的圍護墻體如按承重墻進行施工，存在一定的荷載逐層向下傳遞累積效應，但主要限于相鄰一個樓層范圍內。與填充墻施工方法相比，位于最下層挑梁在完工時的彎矩、撓度增大幅度均<6%，但剪力可增大約35%，因此設計陽臺挑梁時，宜關注其抗剪承載力。

2)相鄰2層的陽臺挑梁及二者間的圍護墻組合形成懸挑墻梁，且各層的懸挑墻梁并聯(lián)，大幅度提高了陽臺部分的豎向承載力和剛度，削弱了荷載逐層向下傳遞的累積效應，這是按承重墻施工時最下層挑梁不出現(xiàn)明顯裂縫和承載力不足現(xiàn)象的主要原因；此外，墻體的內拱效應、墻上大窗洞隔斷了荷載傳遞路徑也是重要原因。

3)目前普遍采用的懸挑陽臺墻體的施工方法(按承重墻)在滿足一定條件下，仍是可行的。

設計和施工建議如下。

1)墻體(尤其是2層墻體)的砌筑質量對于墻梁的承載力和抗變形能力至關重要，故應保證墻體灰縫的密實度，特別是豎縫的密實度。

2)當按承重墻方式砌筑封閉式懸挑陽臺圍護墻體時，為保證形成有效的懸挑墻梁，應確保墻體與構造柱及其他墻體的拉結，除應按GB 50003—2011《砌體結構設計規(guī)范》的構造要求設置拉結筋外，還應適當增大拉結筋的錨固長度和數量，建議沿水平灰縫在挑梁范圍內通長布置拉結筋，以提高懸挑墻梁的抗彎、抗剪能力和整體性。

3)2層懸挑陽臺挑梁和樓板下方模板支架不應過早拆除，宜待3層梁板澆筑并養(yǎng)護至混凝土、砌筑砂漿強度達到設計強度后再拆除，以保證最下層懸挑墻梁體系的形成，避免2層陽臺挑梁過早受力。

4)挑梁懸臂端宜設置構造柱，與上、下相鄰兩層挑梁形成閉合框套，約束墻體，可進一步提高懸挑墻梁的整體性、剛度和抗震能力。

5)陽臺正面墻體宜開設較大窗洞，以隔斷上部荷載向下傳遞的路徑。

6)對此類砌體結構民用建筑進行結構設計時，當剪力較大且按計算配置箍筋時，應注意校核陽臺挑梁的抗剪承載力。