外墻板承重型裝配式混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系研究

鄒芳玉，裴春蕾，衛(wèi) 格，王藝霖

(1.山東盛士力建筑工業(yè)科技有限公司,山東 煙臺(tái) 265700;2.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

混凝土結(jié)構(gòu)在住宅建筑領(lǐng)域具有很多突出的優(yōu)勢(shì)[1-2]，在裝配式的時(shí)代潮流影響之下，裝配式混凝土住宅體系的研發(fā)也日益成為熱點(diǎn)。作為墻體較多的建筑類型，住宅結(jié)構(gòu)裝配化研究的焦點(diǎn)也在于墻體。由于很多高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，對(duì)應(yīng)的研究為裝配式或裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，如李錫洲等[3]基于全裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，研究了螺栓連接型多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)(以預(yù)制墻板和預(yù)制樓板為主要承重構(gòu)件)的力學(xué)性能并進(jìn)行了實(shí)際案例分析；雷俤鋒[4]將傳統(tǒng)裝配式剪力墻墻身分布筋在樓面處斷開后以坐漿連接替代，得到一種SGBL裝配整體式剪力墻。在偏于保守的情況下，為確保豎向承重構(gòu)件的質(zhì)量，也可采用現(xiàn)澆剪力墻，將樓板作為主要的預(yù)制構(gòu)件，如謝龍寶等[5]面向?qū)嶋H工程采用了“現(xiàn)澆剪力墻+全預(yù)制實(shí)心板”的裝配式結(jié)構(gòu)體系并從結(jié)構(gòu)布置、預(yù)制率分析、樓板對(duì)比等方面進(jìn)行了詳細(xì)探討。此外，也有住宅采用的是框架體系，以利用其空間布置靈活的優(yōu)勢(shì)，對(duì)應(yīng)的研究為裝配式或裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，如宋小輝等[6]針對(duì)裝配式框架結(jié)構(gòu)住宅在樓板構(gòu)造上的一些缺陷，提出了一種免于現(xiàn)澆疊合的全預(yù)制型樓板，對(duì)預(yù)制板與預(yù)制梁、柱的搭接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全新的構(gòu)造設(shè)計(jì)，可顯著降低現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量、快速完成整體拼裝。同時(shí)，在預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)[7]、構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)連接技術(shù)[8]等方面也不斷有新的研究成果出現(xiàn)。

但總體來看，剪力墻結(jié)構(gòu)體系存在承重墻體多且不能拆、內(nèi)部空間布置不太靈活的問題，框架結(jié)構(gòu)體系存在柱子截面偏大、影響住宅室內(nèi)空間使用的問題，仍有必要繼續(xù)開發(fā)新型的結(jié)構(gòu)體系。為此，本文將面向多層住宅，提出一種外墻板承重型裝配式混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系，在一定程度上兼具剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而結(jié)合實(shí)例對(duì)其力學(xué)性能、分析和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入探討。

1 外墻板承重型裝配式混凝土住宅結(jié)構(gòu)方案

1.1 結(jié)構(gòu)體系概述

外墻板承重型裝配式混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系，主要包括承重型預(yù)制外墻板、預(yù)制樓板、樓梯系統(tǒng)。

承重型預(yù)制外墻板為夾芯式構(gòu)造，包含承重內(nèi)葉、保溫隔熱層和外葉。預(yù)制樓板可采用SP預(yù)應(yīng)力空心板[9]，根據(jù)圖集《SP預(yù)應(yīng)力空心板》(05SG408)中的允許荷載表進(jìn)行選型。預(yù)制樓板一般單向布置，直接支撐在住宅的外墻上。樓層處的連接構(gòu)造為本方案的構(gòu)造特色，將在1.4節(jié)詳細(xì)介紹。

樓梯系統(tǒng)選取承重內(nèi)墻+預(yù)制小板(含踏步板和休息平臺(tái)板)的構(gòu)造方案。若樓梯的縱向?yàn)槟媳毕?，被樓梯間打斷的預(yù)制樓板可以將端部直接支撐在承重內(nèi)墻上；若樓梯的縱向?yàn)闁|西方向，則需在承重內(nèi)墻的角部布置豁口以支撐“過渡梁，該梁用來支撐樓板端部。

住宅內(nèi)部的墻體為非承重墻，可采用蒸壓加氣混凝土墻板[10]等。

1.2 一般規(guī)定

(1)抗震等級(jí)的確定：設(shè)防烈度為8度、7度時(shí)，分別取三級(jí)、四級(jí)[9，11，12]。

(2)預(yù)制墻板的軸壓比要求：三級(jí)時(shí)不大于0.15，四級(jí)時(shí)不大于0.2[11]。

(3)結(jié)構(gòu)分析方法：可采用彈性方法[9，11]；地震作用可采用底部剪力法計(jì)算，各墻肢按照負(fù)荷面積分擔(dān)地震力；采用后澆混凝土連接的預(yù)制墻肢可作為整體構(gòu)件考慮。

(4)結(jié)構(gòu)側(cè)移要求：在風(fēng)荷載或多遇地震作用下，按彈性方法計(jì)算的樓層層間最大水平位移與層高之比(Δue/h)不宜大于1/1 200[9，11]。

1.3 預(yù)制外墻板及其連接

1.3.1 最小墻厚與配筋要求

墻板厚度不宜小于140 mm且不宜小于層高的1/25，應(yīng)配置雙排雙向分布鋼筋網(wǎng)，水平及豎向分布筋的最小配筋率不小于0.15%[9，11]。

1.3.2 墻板的水平接縫

宜設(shè)置在樓面標(biāo)高處，并應(yīng)滿足：水平縫灌縫或坐漿，接縫厚度宜為20 mm；接縫處應(yīng)設(shè)置連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間距不宜大于1 m；穿過接縫的連接鋼筋數(shù)量應(yīng)滿足接縫受剪承載力的要求，且配筋率不應(yīng)低于墻板豎向鋼筋配筋率，連接鋼筋直徑 小于14 mm；鋼筋的連接方式可采用套筒灌漿、漿錨搭接或焊接[9]。

1.3.3 墻板的豎向接縫

采用帶后澆段的整體式豎向接縫連接方式，有利于保證結(jié)構(gòu)的整體性、接縫的耐久性、防水及防火性能[9]。具體方式分為兩種情況：

(1)普通豎向接縫(一字型墻板的直接連接)：在墻板內(nèi)葉靠近邊緣處沿豎向布置若干吊環(huán)螺栓(圖1)，在相鄰墻板就位之后這些吊環(huán)螺栓的豎向位置應(yīng)上下交錯(cuò)，然后用一根豎向鋼筋貫穿各吊環(huán)螺栓，之后向墻板接縫處灌入微膨脹混凝土。

圖1 墻板側(cè)面的吊環(huán)螺栓示意

(2)拐角處豎向接縫構(gòu)造。此處有相互垂直的墻板需要進(jìn)行連接，可采取與上類似的方式，具體如圖2所示。

圖2 墻板的垂直連接示意

1.3.4 構(gòu)造邊緣構(gòu)件的設(shè)置

在水平或豎向尺寸大于800 mm的洞邊、一字墻墻體端部、縱橫墻交接處設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件[11]。基本要求：截面高度不宜小于墻厚、且不宜小于200 mm；截面寬度同墻厚；配置縱向受力鋼筋、箍筋、箍筋架立筋；上下層構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱向受力鋼筋可采用灌漿套筒連接、漿錨搭接連接等。

1.3.5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及預(yù)制墻板與基礎(chǔ)的連接

采用現(xiàn)澆大平板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面應(yīng)設(shè)置現(xiàn)澆混凝土圈梁[9]，圈梁上表面應(yīng)設(shè)置粗糙面，各預(yù)制墻板與圈梁頂面之間的接縫構(gòu)造應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求[9]。墻板與基礎(chǔ)的連接通過套筒灌漿的方式進(jìn)行，選取墻板的部分豎向鋼筋參與連接。

1.4 樓層處的連接構(gòu)造

首先沿樓層處的周長(zhǎng)布置一圈圈梁的預(yù)制部分(包括直線型和L型兩大類)并圍合一個(gè)封閉的矩形。在各預(yù)制部分向樓蓋內(nèi)部方向伸出彎鉤鋼筋，對(duì)相鄰預(yù)制部分的臨近彎鉤鋼筋進(jìn)行綁扎連接，同時(shí)在預(yù)制部分的高度中部設(shè)有螺紋鋼套筒作為灌漿通道，在預(yù)制部分的外側(cè)布置一根豎向鋼筋，其在靠近上下兩端處各連接一個(gè)螺紋鋼套筒，并在豎向鋼筋的伸出部分加工有外絲，在上下層外墻板的外葉部分相應(yīng)的位置預(yù)埋有預(yù)制鐵盒，將豎向鋼筋的伸出部分穿入鐵盒之內(nèi)并用螺母實(shí)現(xiàn)固定。更具體來說，連接構(gòu)造要區(qū)分兩種情況：

(1)預(yù)制樓板短邊的支撐端如圖3所示。

圖3 預(yù)制樓板短邊的支撐端構(gòu)造剖面示意

主要連接步驟：將SP板支撐于下層的外墻板內(nèi)葉上；沿一周布置好圈梁的預(yù)制部分并通過M12×60螺紋鋼套筒及預(yù)埋鐵盒、螺母實(shí)現(xiàn)與下層外墻板的連接；上層外墻板就位，并按同樣的方式與圈梁的預(yù)制部分實(shí)現(xiàn)連接；將上、下層墻板內(nèi)葉中的“豎向穿過SP板板縫的鋼筋”連接起來，并將SP板板縫之間的拉結(jié)鋼筋與圈梁預(yù)制部分的螺紋鋼套筒進(jìn)行連接；通過鋼套筒向連接區(qū)域的內(nèi)部圍合空間內(nèi)灌漿直至密實(shí)。

對(duì)于豎向穿過SP板板縫的鋼筋：如果SP板縱向板縫的位置處正好對(duì)應(yīng)有外墻板內(nèi)葉之內(nèi)的豎向分布鋼筋，則直接將豎向分布筋延伸出來即可；否則需單獨(dú)布置豎向連接筋。

(2)預(yù)制樓板長(zhǎng)邊的支撐端如圖4所示。

圖4 預(yù)制樓板長(zhǎng)邊的支撐端構(gòu)造剖面示意

同時(shí)結(jié)合SP板長(zhǎng)邊方向也有鋼筋拉錨的規(guī)范要求，可利用橫向拉錨鋼筋將邊緣處的SP板與豎向墻板上部連接起來。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某二層住宅樓(七度設(shè)防)為例進(jìn)行新型結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)說明(圖5)，重點(diǎn)介紹樓板及布置、樓梯系統(tǒng)和外墻。

(a)首層平面；(b)頂層平面

2.1 樓板布置

選擇厚度為300 mm的SP板，沿東西方向布置。二層和頂層的布置方案分別如圖6、7所示。

圖6 二層的SP板布置示意mm

圖7 頂層的SP板布置示意mm

2.2 樓梯系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)造

在C軸和E軸各布置一個(gè)承重內(nèi)墻，角部豁口支撐過渡梁，過渡梁支撐SP板端部，踏步板和休息平臺(tái)板均為懸臂板的形式，與內(nèi)墻采用套筒灌漿的方式進(jìn)行連接，如圖8所示。

(a)C軸承重內(nèi)墻；(b)E軸承重內(nèi)墻

均選用C30混凝土和HRB400鋼筋。預(yù)制踏步板和休息平臺(tái)板的信息如表1所示。

表1 預(yù)制踏步板和休息平臺(tái)板信息

過渡梁長(zhǎng)度為2 220 mm，設(shè)計(jì)得到斷面示意如圖9所示。

圖9 過渡梁的斷面示意 mm

承重內(nèi)墻的厚度為180 mm，經(jīng)過荷載分析、豁口處局部受壓驗(yàn)算并考慮各懸挑板的連接筋布置后可得到配筋方案。以C軸承重內(nèi)墻為例，配筋如圖10所示。

圖10 C軸承重內(nèi)墻的配筋示意mm

2.3 外墻構(gòu)造、布置及配筋方案

高度統(tǒng)一取為3 m?？煞譃閷?shí)心墻板、帶窗洞墻板、帶門洞墻板、窗下墻板，布置方案如圖11所示。

(a)一層；(b)二層

外墻板的信息匯總?cè)绫?所示。

表2 外墻板信息匯總

支撐梁的實(shí)際長(zhǎng)度為3 510 mm，設(shè)計(jì)得到的斷面尺寸及配筋與“過渡梁”一致(圖10)。

其余外墻板厚度240 mm(內(nèi)葉120 mm、芯層70 mm、外葉50 mm)。確定內(nèi)葉配筋時(shí)取寬度為1 m的墻板作為計(jì)算單元。南北方向的外墻板為主要的承重墻板，結(jié)合《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[9]，在七度設(shè)防區(qū)按三級(jí)考慮，而東西方向的剪力墻可按四級(jí)考慮。經(jīng)過初選、剪力設(shè)計(jì)值驗(yàn)算、正截面受壓承載力驗(yàn)算、斜截面受剪承載力驗(yàn)算、最小配筋率驗(yàn)算，設(shè)計(jì)得到各普通剪力墻(無窗洞)的配筋如表4所示。

表4 各普通剪力墻(無窗洞)的配筋

表5 短肢剪力墻的基本信息與配筋

本例中的帶窗洞剪力墻包括③、④、⑥號(hào)墻板，需要在洞口兩側(cè)加設(shè)端柱。進(jìn)而得到配筋方案如表6所示。

表6 帶窗洞剪力墻的基本信息和配筋

3 結(jié) 論

用于住宅的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系是目前的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，為了達(dá)到更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、切實(shí)提高裝配率和施工便利性，本文依托某二層住宅樓實(shí)例，提出了一種新型的外墻板承重型裝配式混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系。該體系的水平承重構(gòu)件為全預(yù)制SP板，豎向承重構(gòu)件為全預(yù)制夾芯式外墻板，在樓層處的構(gòu)件連接方式上具有突出的創(chuàng)新性，采用的全預(yù)制懸臂板式樓梯系統(tǒng)具有一定的特色，具有很高的預(yù)制率和裝配率，各預(yù)制構(gòu)件的體量適中，便于運(yùn)輸和安裝，節(jié)點(diǎn)處的連接可靠，且在內(nèi)部空間的布置上具有很高的靈活性。研究表明，本外墻板承重型裝配式混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系具有完善的規(guī)范依據(jù)、全面的計(jì)算體系支撐，可快速得到合理的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用潛力。