中英規(guī)范砌體夾心墻設(shè)計(jì)對(duì)比分析

張京街，張超，高連玉

(1 重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016；2 中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110111)

1 夾心墻起源及應(yīng)用

砌體夾心墻的應(yīng)用最早在19 世紀(jì)初期起源于英國(guó)，隨后在北美新世界殖民地和新西蘭等南半球國(guó)家和地區(qū)廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是能夠減少濕氣侵入內(nèi)部居住環(huán)境、節(jié)省材料以及更好的保溫隔熱和防火性能。最初英國(guó)使用的夾心墻多采用230×110×76 mm（9×4.5×3 in）的粘土磚，有兩種常見的截面布置，一種是內(nèi)外葉墻均順磚砌筑，中間有10 mm 空腔，一種是內(nèi)外葉墻磚均沿厚度方向砌筑，空腔寬76 mm,墻體總厚約230 mm；內(nèi)、外葉墻之間用實(shí)心粘土磚連接，這也導(dǎo)致外部濕氣可通過(guò)連接磚進(jìn)入內(nèi)葉墻。為解決濕氣入侵問(wèn)題，對(duì)葉墻連接技術(shù)進(jìn)行了更新，采用異形連接磚由內(nèi)葉墻往外葉墻向下傾斜，或采用設(shè)豎向排水孔的擠壓成型磚，之后又由金屬拉結(jié)件代替連接磚，并迅速得到推廣[1]。據(jù)了解，19 世紀(jì)50 年代英國(guó)南安普頓80%住宅的夾心墻使用金屬拉結(jié)件。最初用的拉結(jié)件一般是鑄鐵或鍛鐵，表面通常不作處理或采用蘸焦油和砂進(jìn)行預(yù)處理，容易腐蝕。為解決拉結(jié)件腐蝕問(wèn)題，開始采用表面鍍銅或熱鍍鋅鋼代替鑄鐵。鍍鋅拉結(jié)件有不同的形式，其中，雙三角（蝴蝶）和馬蹄形拉結(jié)件彈性好，主要用于單層房屋，豎向扭曲和魚尾形拉結(jié)件則更適于多層房屋。新西蘭無(wú)筋粘土磚夾心墻砌體主要修建于1880—1935 年間，在砌體結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)大的比重，單磚-空腔-單磚截面夾心墻普遍用于單層房屋和多層房屋底層以上墻體，單磚-空腔-雙磚截面多用于多層房屋底層墻體。第二次世界大戰(zhàn)后，夾心墻砌體房屋在中歐和北歐國(guó)家廣泛用于（低層）住宅中，其內(nèi)葉墻承重，常采用硅酸鈣砌塊；外葉墻不承重，常采用飾面粘土磚；有時(shí)空腔內(nèi)填充保溫材料[2]。夾心墻在北美和亞洲其他國(guó)家也有較為廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)夾心墻的興起主要出于建筑節(jié)能的考慮，作為一種高效節(jié)能墻體，目前主要用于寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)的建筑外墻以及有保溫隔熱要求的墻體[3]，在夏暖冬冷等氣候分區(qū)應(yīng)用也有研究和實(shí)踐探索[4-5]。2001 年版《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50003 修訂時(shí)，在國(guó)內(nèi)一些科研單位試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，參考國(guó)外（主要是美國(guó)）規(guī)范，引入砌體夾心墻的構(gòu)造措施，之后在2011 年版規(guī)范中對(duì)夾心墻設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求進(jìn)行了完善和補(bǔ)充。李壽德[5]對(duì)遼寧、吉林、河北、北京、山東、新疆等地15 個(gè)項(xiàng)目共60 棟建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，夾心墻在建筑節(jié)能和造價(jià)方面均有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，裝飾多孔磚和裝飾砌塊清水外墻的裝飾效果也很有特點(diǎn)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，由于構(gòu)造處理不當(dāng)、施工不規(guī)范、拉結(jié)件防腐不到位、排濕泄水措施不當(dāng)?shù)仍?，有的夾心墻存在熱橋、結(jié)露、保溫隔熱性能不佳、外葉墻開裂等問(wèn)題，有的甚至有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。夾心墻設(shè)計(jì)理論伴隨著工程實(shí)踐不斷豐富和完善，并逐步形成了具有我國(guó)地方特色的夾心墻技術(shù)體系。2012 年，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝飾多孔磚夾心復(fù)合墻技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 274[6]發(fā)布實(shí)施，適用于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的非抗震設(shè)防區(qū)、抗震設(shè)防為6 度至8 度地區(qū)，外墻磚采用燒結(jié)裝飾多孔磚或非燒結(jié)裝飾砌塊的夾心復(fù)合墻建筑。國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《夾心保溫墻建筑與結(jié)構(gòu)構(gòu)造》16J107/16G617 于2016 年發(fā)布實(shí)施。

相較而言，我國(guó)砌體夾心墻相關(guān)技術(shù)規(guī)定更多是對(duì)標(biāo)和借鑒美國(guó)規(guī)范，國(guó)內(nèi)對(duì)夾心墻發(fā)源地英國(guó)相關(guān)砌體規(guī)范的關(guān)注整體不多。本文通過(guò)對(duì)比分析的方式，簡(jiǎn)要介紹英國(guó)BS 5628[7-8]規(guī)范砌體夾心墻設(shè)計(jì)的基本理念和一些具體的技術(shù)要求，希望對(duì)我國(guó)夾心墻理論發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完善能夠有所參考和借鑒。

2 中英規(guī)范夾心墻設(shè)計(jì)對(duì)比

徐建[9]指出，“夾芯墻與復(fù)合墻是兩種不同的結(jié)構(gòu)形式……GB 50003—2011 沒有明確區(qū)分”。GB 50003—2011[10]對(duì)夾心墻（cavity wall with insulation）的定義為，墻體中預(yù)留的連續(xù)空腔內(nèi)填充保溫或隔熱材料，并在墻的內(nèi)葉和外葉之間用防銹的金屬拉結(jié)件連接形成的墻體。JGJ/T 274—2012[6]對(duì)夾心復(fù)合墻（cavity wall with insulation，又稱夾心墻）的定義與GB 50003—2011 類似，但明確指出該規(guī)程所適用的夾心墻為非組合作用夾心墻。按照BS 5628 對(duì)夾心墻（cavity wall）的定義，兩片平行單葉墻通過(guò)連接件有效連接，其間空隙通常不小于50 mm，為連續(xù)空腔或者用非承重材料填充。與之對(duì)應(yīng)的還有一類灌漿夾心墻（grouted cavity wall），其他規(guī)定與夾心墻相同，但其兩葉墻之間空隙用細(xì)骨料混凝土（可以配筋）填充以實(shí)現(xiàn)兩葉墻共同受力。從定義來(lái)看，GB 50003 中的夾心墻對(duì)應(yīng)美國(guó)建筑規(guī)范[11]不考慮組合作用的夾心墻，也與BS 5628 中的夾心墻相對(duì)應(yīng)。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于不考慮組合作用的外葉墻是否承受豎向荷載，美國(guó)建筑規(guī)范[11]明確規(guī)定外葉墻是非承重的飾面墻，內(nèi)葉墻是承重墻，而GB 50003—2011 沒有明確說(shuō)明夾心墻承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。JGJ/T 274—2012[6]中，夾心墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含非抗震和抗震設(shè)計(jì)，具體規(guī)定為：（1）外葉墻為自承重墻，內(nèi)葉墻根據(jù)夾心墻類別不同可為承重葉墻或自承重葉墻，不考慮豎向荷載在內(nèi)、外葉墻間的分配；（2）內(nèi)葉墻承受平面內(nèi)由風(fēng)荷載或地震荷載引起的水平力作用，不考慮外葉墻的作用；（3）承重夾心墻承載力計(jì)算采用內(nèi)葉墻截面面積，按現(xiàn)行GB 50003 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（4）多層房屋夾心墻平面外抗裂驗(yàn)算時(shí)，夾心墻在水平荷載（風(fēng)荷載）作用下的內(nèi)力可根據(jù)橫向支承條件并忽略其連續(xù)性，按單向或雙向簡(jiǎn)支板計(jì)算，平面外彎矩可按葉墻的相對(duì)抗彎剛度進(jìn)行分配后單獨(dú)進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。

按照BS 5628-3[8]規(guī)定：（1）夾心墻豎向荷載作用點(diǎn)位于兩葉墻重心之間時(shí)，應(yīng)將其分解為分別作用于兩葉墻的等效豎向荷載，分別進(jìn)行豎向承載力驗(yàn)算，但考慮高厚比和荷載偏心影響的承載力折減系數(shù)應(yīng)按夾心墻有效厚度確定；（2）平面外橫向荷載作用下墻體彎矩有兩種近似計(jì)算方法，一種是按多邊支承板計(jì)算，并列表給出了不同支承條件（固結(jié)、簡(jiǎn)支、自由邊）下墻板的彎矩系數(shù)；另一種是按拱計(jì)算，適于墻垛間墻體等適宜考慮拱作用等情況；（3）采用豎向扭曲形或與之等效承載能力和剛度連結(jié)件連接時(shí)，夾心墻平面外承載力取兩葉墻承載力之和，并考慮墻垛作用；采用蝴蝶或雙三角形連結(jié)件，連接件能傳遞其所承受的壓力作用時(shí)，夾心墻平面外承載力取兩葉墻承載力之和，只能部分傳遞壓力作用時(shí)夾心墻承載力應(yīng)相應(yīng)折減；（4）給出了夾心墻支承部位局部受壓及連接計(jì)算方法。

2.2 墻體穩(wěn)定性

GB 50003 和JGJ/T 274 對(duì)墻體穩(wěn)定性的考慮主要是限制其高厚比，夾心墻高厚比計(jì)算時(shí)采用有效厚度，取值為兩葉墻截面厚度平方和的根，無(wú)筋砌體墻允許高厚比與砂漿強(qiáng)度等級(jí)、門窗洞口情況、墻體為承重還是自承重墻等有關(guān)。

BS 5628 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)墻體穩(wěn)定性的規(guī)定分為幾個(gè)方面：（1）限制墻體高厚比：對(duì)墻體支承條件、有效高度、有效長(zhǎng)度和有效厚度等均有相應(yīng)的規(guī)定；（2）限制墻體面積：對(duì)承受均布橫向荷載的墻體，列表給出了不同氣候分區(qū)、不同高度、不同支承條件、不同類型墻體的最大面積，對(duì)支承間距、葉墻厚度、空腔寬度、連接件等滿足相應(yīng)條件的夾心墻，可直接查表得到允許最大墻體面積；（3）對(duì)內(nèi)墻或隔墻，圖示給出了基于高厚比和長(zhǎng)厚比的墻體穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 內(nèi)外葉墻變形協(xié)調(diào)

外葉墻直接暴露在外，受氣候環(huán)境影響更大，同時(shí)外葉墻和內(nèi)葉墻受到的豎向應(yīng)力的大小以及所采用的材料不同，長(zhǎng)期荷載作用下也將產(chǎn)生徐變差，通常應(yīng)設(shè)置水平控制縫。GB 50003—2011 規(guī)定，夾心復(fù)合墻的外葉墻宜在建筑墻體適當(dāng)部位設(shè)置控制縫，其間距宜為6～8 m。JGJ/T 274—2012 對(duì)不同外葉墻材料作了不同的控制縫間距，如燒結(jié)類磚砌體控制縫間距宜為6～8 m，混凝土砌塊類砌體控制縫間距宜為4～6 m，并要求控制縫應(yīng)采用硅酮膠或其他密封材料嵌實(shí)。另外，GB 50003 和JGJ/T 274 均對(duì)不同抗震設(shè)防烈度下外葉墻最大橫向支承間距進(jìn)行了規(guī)定，抗震設(shè)防6 度時(shí)不宜大于9 m，7 度時(shí)不宜大于6 m，8 度時(shí)不宜大于3 m。

對(duì)于內(nèi)外葉墻不均勻豎向變形，BS 5628-3 提出兩種處理方式：（1）限制外葉墻連續(xù)高度：要求外葉墻支承間距不應(yīng)超過(guò)3 層樓高和9 m 的較小值（不超過(guò)4 層或12 m 高的房屋，墻體可全高連續(xù)）；（2）計(jì)算相對(duì)變形并采用適宜的構(gòu)造措施：變形計(jì)算應(yīng)考慮彈性變形、溫度、濕度及徐變等因素影響，計(jì)算的相對(duì)豎向變形不應(yīng)超過(guò)30 mm；可采用的構(gòu)造措施包括內(nèi)外葉墻分別設(shè)置過(guò)梁、采用與計(jì)算位移相適應(yīng)的的連接件、將窗戶固定在外葉墻上、窗臺(tái)下面設(shè)置柔性連接等。無(wú)論采用何種處理方式，都需要同時(shí)考慮提供垂直連接來(lái)協(xié)調(diào)水平位移。

2.4 拉結(jié)件

GB 50003—2011 對(duì)拉結(jié)件選型、最小直徑、（水平和豎向）最大間距、在葉墻上的擱置長(zhǎng)度、門窗洞口附近設(shè)置要求等作了相應(yīng)的規(guī)定；JGJ/T 274—2012 增加了控制縫兩側(cè)構(gòu)造處理要求。同時(shí)參考美國(guó)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，要求夾層厚度不宜大于120 mm，滿足相應(yīng)構(gòu)造要求時(shí)不需要進(jìn)行拉結(jié)件錨固、拔出或壓曲等驗(yàn)算。

BS 5628-3 從幾個(gè)方面對(duì)拉結(jié)件設(shè)計(jì)作了相應(yīng)規(guī)定：（1）選型與間距：拉結(jié)件選型和間距取決于空腔寬度以及葉墻之間傳遞水平荷載大小，對(duì)應(yīng)不同葉墻厚度、空腔寬度，列表給出了拉接件長(zhǎng)度和選型建議、單位面積墻體拉結(jié)件件數(shù)量要求，并對(duì)洞口、墻體端部等部位的拉結(jié)件設(shè)置作了專門要求；（2）強(qiáng)度：拉結(jié)件設(shè)計(jì)受拉和受壓承載力應(yīng)大于其承受的設(shè)計(jì)水平荷載，列表給出了不同類型拉結(jié)件的具體尺寸和材料拉伸強(qiáng)度等具體要求；（3）埋置深度：拉結(jié)件長(zhǎng)度應(yīng)能保證在該類拉結(jié)件適用的最大厚度墻體中居中放置時(shí)，考慮施工誤差影響（-12.5 mm）后的最小埋置深度不小于50 mm。

2.5 防雨水滲透及防潮

GB 50003—2011 從鋼筋選擇、保護(hù)層厚度、鋼筋等金屬材料（包括拉結(jié)件）防腐處理和砌體材料選擇等方面對(duì)砌體結(jié)構(gòu)耐久性作了相應(yīng)的規(guī)定。JGJ/T 274—2012 對(duì)夾心墻防潮設(shè)計(jì)作了相應(yīng)規(guī)定：（1）嚴(yán)寒地區(qū)建筑夾心墻應(yīng)進(jìn)行冷凝驗(yàn)算并應(yīng)設(shè)置排濕空氣層（20 mm 厚）與泄水口；（2）夏熱冬冷地區(qū)夾心墻可不進(jìn)行內(nèi)部冷凝受潮計(jì)算，但外葉墻應(yīng)進(jìn)行防水、防滲設(shè)計(jì)；（3）圖示給出了排濕空氣層和泄水口的構(gòu)造要求，但未給出泄水口間距的具體要求。

BS 5628-3 對(duì)防雨水滲透和防潮設(shè)計(jì)非常重視，要求外墻防雨水滲透與強(qiáng)度、耐久性、隔聲、隔熱等同步考慮。其設(shè)計(jì)理念是雨水會(huì)滲透外葉墻（即使有抹灰或粉刷）并沿其內(nèi)側(cè)下滑，防雨水滲透不應(yīng)考慮內(nèi)葉墻作用，要求在過(guò)梁、樓板、管道等空腔連接部位用空腔（導(dǎo)水）盤代替防潮層將水氣轉(zhuǎn)移以保證內(nèi)葉墻不受潮。對(duì)外墻厚度（通常不小于90 mm）和空腔寬度（通常不小于50 mm）作相應(yīng)要求的同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置防潮層和空腔（導(dǎo)水）盤或設(shè)置防水層來(lái)降低雨水滲入房屋的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)地面標(biāo)高及以下部位防潮、夾心墻下行水氣控制（空腔盤、排水孔等）以及門窗洞口邊框、窗臺(tái)下部、外墻轉(zhuǎn)換為內(nèi)墻、女兒墻、煙筒等部位的構(gòu)造措施作了具體要求。

3 結(jié)語(yǔ)

徐建[9]指出，GB 50003—2011 雖然也提出了復(fù)合墻的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，但是對(duì)夾心墻與復(fù)合墻的區(qū)分不甚明確，而且在夾心墻承載力計(jì)算、控制縫設(shè)置、拉結(jié)件水平力傳遞等方面還需要進(jìn)一步研究。從本文對(duì)比分析看，英國(guó)BS 5628 規(guī)范對(duì)夾心墻設(shè)計(jì)的規(guī)定更加體系化，在夾心墻結(jié)構(gòu)分析、墻體穩(wěn)定性、內(nèi)外葉墻變形協(xié)調(diào)（及防裂）、拉結(jié)件設(shè)計(jì)以及防雨水滲透和防潮設(shè)計(jì)等方面都有諸多可以參考之處。相比于GB 50003 規(guī)范，JGJ/T 274規(guī)程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制縫設(shè)置、防水和防潮設(shè)計(jì)等方面已經(jīng)有了一些補(bǔ)充?？梢钥紤]在對(duì)規(guī)程使用及夾心墻應(yīng)用發(fā)展等情況進(jìn)行深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒BS 5628 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50003 修訂過(guò)程中予以補(bǔ)充和完善。

世界范圍內(nèi)砌體結(jié)構(gòu)包括夾心墻的應(yīng)用非常廣泛，但也具有顯著的地區(qū)特征。比如英國(guó)屬于海洋性氣候，而且建筑多為低層和多層，夾心墻的興起主要源于防止?jié)駳馇秩牒凸?jié)省材料，抗震也不是設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的因素，而我國(guó)夾心墻的應(yīng)用更多是受建筑節(jié)能要求的推動(dòng)，砌體結(jié)構(gòu)包括夾心墻抗震性能問(wèn)題不可回避。近年來(lái)國(guó)外學(xué)者針對(duì)砌體夾心墻抗震性能做了不少專門的研究[1-2,12-13]，但我國(guó)對(duì)夾心墻抗震性能的研究尚缺乏針對(duì)性和系統(tǒng)性。如何在保證砌體結(jié)構(gòu)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)砌體建筑綠色節(jié)能的性能優(yōu)勢(shì)，值得每一位砌體工作者思考和探討，這在國(guó)家推動(dòng)綠色低碳轉(zhuǎn)型和城鄉(xiāng)融合發(fā)展等政策背景下尤為重要。