榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系研究

韓忠民 嚴 寒 李保平 于洪耀

(1.河南大建建筑設計有限公司，河南 鄭州 450003； 2.河南眾鼎智拓環保科技有限公司，河南 鄭州 450003)

榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系研究

韓忠民1嚴 寒1李保平2于洪耀2

(1.河南大建建筑設計有限公司，河南 鄭州 450003； 2.河南眾鼎智拓環?？萍加邢薰荆幽?鄭州 450003)

介紹了榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系的技術原理及性能，并將其與一般砌體結構、一般剪力墻結構進行了對比分析，同時對該結構的保溫性能作了研究，結果表明該結構體系是一種集承重與隔熱保溫于一體的結構自保溫剪力墻結構體系，值得大力推廣應用。

榫卯式，小型混凝土空心砌塊，剪力墻，結構體系

0 引言

我國是一個擁有13億人口的發展中大國，李克強總理在今年的政府工作報告中指出“城鎮化是現代化的必由之路，是破除城鄉二元結構的重要依托”。城鎮化與工業化，已成為我國現代化建設的兩大引擎。如何更好的節約、集約利用土地、水等資源，按照促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀的總體要求，形成生產、生活、生態空間的合理結構，是一個很大、很重要的實踐課題。

城鎮化建設中城鎮建設是首當其沖的工作。在大量的中小城市，多層和小高層住宅仍然是建設的主題。目前，我國多層(2層～7層)和小高層(8層～11層)住宅建筑結構設計主要有兩種形式，多層住宅一般采用粘土多孔磚或混凝土砌塊墻、板承重結構體系；小高層住宅一般采用全現澆鋼筋混凝土剪力墻結構體系。多層住宅墻體采用的粘土多孔磚是一種高耗能、高污染產品，對環境造成的破壞很大，屬于限制使用的建材。小高層住宅采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，現場濕作業多，勞動強度高，效率低下，尤其是必須有完整的模架體系，施工周期長，費用高，樓板較薄，剛度差，隔音性能不好等缺點。

我們根據目前工程實踐中存在的問題，利用我國木結構中常用的榫卯結構形式，研究開發了“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系”，這項技術如果能得到推廣應用，將大大提高我國住宅建筑工業化的程度，同時對提高工程質量、降低造價都將起到重要的積極作用。

1 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系的發明原理及性能

1.1 技術原理

“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系”的發明原理是利用混凝土及小型混凝土空心砌塊的特性，通過改變混凝土空心砌塊的形狀從而改變混凝土空心砌塊砌體的整體性和受力模式，達到提高混凝土空心砌塊砌體的抵抗水平作用能力的目的。該體系是替代砌體結構體系和一部分剪力墻結構體系的一種科學的方法。眾所周知，傳統小型混凝土空心砌塊砌體的特點是抗壓強度高，施工簡單，但是由于傳統小型混凝土空心砌塊的形狀設計缺陷，導致其砌體的整體性和抗震性能差。因此小型混凝土空心砌塊砌體結構仍然沒有超出一般砌體結構的模式?！伴久叫⌒突炷量招钠鰤K剪力墻結構體系”的特點就是通過改變混凝土空心砌塊的形狀和砌體砌筑方式，改變混凝土空心砌塊砌體的整體性和受力模式，提高了砌塊砌體的水平抗剪承載力，即提高了砌體的抗震承載力。再加上樓層現澆鋼筋混凝土梁和砌體端部現澆鋼筋混凝土邊緣構件，使這種新型砌體結構達到剪力墻結構體系的能力，這樣既充分利用了混凝土空心砌塊砌體抗壓強度高的優點，又可以大規模的工業化生產。同時由于這種榫卯式小型混凝土空心砌塊的內部空腔的設計充分考慮了有利于保溫的要求，使得這種砌體自身具有較好的隔熱保溫特點，所以這種結構體系是一種集承重與隔熱保溫于一體的結構自保溫體系。

1.1.1 砌塊

榫卯式小型混凝土空心砌塊由三種砌塊組成，其中砌塊1、砌塊2為標準砌塊；砌塊3為輔助砌塊。如圖1所示，砌塊的孔洞設計按照孔洞長向平行于墻面，孔洞內可以加入不同材料用于不同用途的砌塊，例如砌筑外墻的砌塊，可以在其孔洞內加入保溫隔熱材料，增強其保溫隔熱的能力，這樣的外墻保溫性能足以滿足外保溫的要求，所以這種砌體就可以不再做外保溫；砌筑內墻的砌塊，可以在其孔洞內加入吸音材料，用于需要吸音的砌體。

1.1.2 砌體

用不同型號小型混凝土空心砌塊砌筑的砌體，其特點是榫卯結構可靠性高，所有灰縫均不貫通，使得水平灰縫的摩擦力轉變成混凝土砌塊之間的壓力，所以砌體的水平抗剪承載力大幅提高，同時由邊緣構件和樓層現澆梁約束的砌體的整體性、抗彎、抗裂能力也得到大幅提高。

1.1.3 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系

用不同型號小型混凝土空心砌塊，按榫卯的方式砌筑成砌體，且在砌體端頭及砌體相交處采用現澆的方式澆筑鋼筋混凝土端柱，在樓層處設置現澆混凝土帶或者現澆鋼筋混凝土樓層梁，這樣砌體在鋼筋混凝土端柱和現澆鋼筋混凝土樓層梁的約束下，整體性和抗震性能大幅提高。

1.2 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系的計算分析

模擬對比計算工程項目：

1)一般砌體結構與榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系的對比。

a.工程概況。模擬工程為7層住宅，層高3 m，抗震設防烈度7度，地震加速度0.15g，Ⅲ類場地土，建筑平面圖略。b.設計依據。GB 50003—2011砌體結構設計規范；GB 50010—2010混凝土結構設計規范；GB 50011—2010建筑抗震設計規范。c.對比驗算。采用兩種結構體系進行驗算。驗算條件：一般砌體結構：粘土磚強度等級MU10，容重22 kN/m2，砂漿強度等級M10.0；榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構：砌塊強度等級MU20，容重18 kN/m2，由于是榫卯結構，故采用等效一般剪力墻結構進行計算。計算結果對比見表1。

表1 一般砌體結構與榫卯砌體結構計算結果表 kN

對比結論:自重減輕；底部地震剪力減??；墻體抵抗地震作用的能力大幅提高；墻體豎向抗壓承載力大幅提高。

2)一般剪力墻結構與榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系的對比。

a.工程概況。模擬工程為15層剪力墻結構住宅，層高3 m，抗震設防烈度7度，地震加速度0.15g，Ⅲ類場地土，建筑平面同一般砌體結構平面圖。b.設計依據。GB 50003—2011砌體結構設計規范；GB 50010—2010混凝土結構設計規范；GB 50011—2010建筑抗震設計規范；JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程。c.對比驗算。驗算條件：一般剪力墻結構：按需要布置剪力墻，填充墻用200厚加氣混凝土砌塊砌體；榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構：砌塊強度等級MU20，容重18 kN/m2，由于榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構的實驗結果尚未得出，只能近似利用現有的計算工具進行驗算。故采用等效一般剪力墻數學模型進行結構分析。等效方案是把剪力墻的鋼筋混凝土容重按體積孔隙率進行折減。采用這兩種方案，根據現行規范進行計算。計算結果對比見表2。

表2 一般剪力墻結構與榫卯式小型混凝土砌塊剪力墻計算結果表

對比結論：自重減輕；地震剪力減??；剛度分布更均勻；荷載分布均勻。

1.3 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構外墻的保溫性能計算分析

榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構外墻，目前設想根據使用的地域不同，采用200厚和250厚兩種砌體。由于砌體的熱工試驗還沒有進行，目前只能近似采用傳統混凝土砌塊砌體的熱工指標和現行規范的計算方法進行估算。以下我們采用250厚砌體作為外墻，在寒冷地區進行外墻節能計算分析。

現行規范規定：

按照多層勻質材料組成的圍護結構傳熱系數計算公式：

總傳熱阻R0(m2·℃/W)：

R0=Rn+R+Rw

(1)

其中，Rn為內表面換熱阻，m2·℃/W；Rw為外表面換熱阻，m2·℃/W；R為圍護結構熱阻，對單一材料:

(2)

其中，δ為材料層的厚度，m；λc為材料層的計算導熱系數，λc=λ·a。

多層圍護結構熱阻:

R=R1+R2+…+RN

(3)

其中，R1,R2，…，RN均為各材料層熱阻，m2·℃/W。

1)寒冷地區外墻節能計算。

因為榫卯式小型混凝土空心砌塊的孔洞設計，充分考慮其砌體的熱工性能，孔洞的排列均平行于砌體墻面，最大限度隔斷垂直于墻面的熱交換路徑，而且所有的孔洞均采用盲孔。因為采用盲孔設計，可以保證砂漿鋪砌平整、飽滿，從而將混凝土空心砌塊孔洞中的空氣封閉在砌體內，形成一個個保溫的空氣間層，形成結構自保溫體系。

2)利用混凝土空心砌塊孔洞內加滿輕質保溫材料(聚氨酯)(250厚)，見表3，表4。

表3 250厚保溫混凝土空心砌塊節能計算(孔腔內全部加聚氨酯)

表4 外墻冷熱橋部分節能計算(混凝土250 mm)

2 目前的研究狀況

“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結構體系”是河南眾鼎智拓環?？萍加邢薰咀灾餮邪l的項目。該技術已獲準國家專利，專利號：1)實用新型專利:ZL201220236680.3；2)外觀設計專利：ZL201230195681.3；3)已經申請國家發明專利，申請號：201210163843.4。

該項技術自2009年起開始研制，經過了方案設計、理論計算、產品試制、模具、生產工藝及設備設計等一系列艱苦的工作，產品初步定型。在研究和試驗過程中，得到了河南大建建筑設計有限公司和鄭州大學工程學院的大力支持。

3 項目對我國建材產業的影響分析

粘土磚早已禁用，由于沒有很好的替代產品，導致建筑成本大幅增加；十二五期間，城鎮化建設速度加快，每年新建建筑面積20億m2～30億m2，對安全、環保、節能、節土等復合功能的新型建筑材料需求量很大。國家對墻材革新和建筑節能的政策支持力度也逐年加大，先后出臺了多項優惠政策。巨大的新增建設量及既有建筑改造為新型建筑材料發展提供了廣闊的市場空間。

Study on small hollow concrete masonry shear wall structure system with mortise and tenon connection style

Han Zhongmin1Yan Han1Li Baoping2Yu Hongyao2

(1.HenanDajianBuildingDesignCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

2.HenanZhongdingZhituoEnvironmentProtectionScienceandTechnologyCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The thesis introduces technological principles and performance of small hollow concrete masonry shear wall structure system with mortise and tenon connection style, compares it with general masonry structure and general shear wall structure, and studies its structural thermal insulation performance. Results show that: the structural system is the self-protecting thermal insulation shear wall structure system combining bearing with thermal insulation, which is worth promoting.

mortise and tenon connection, small hollow concrete masonry, shear wall, structural system

1009-6825(2015)02-0023-03

2014-11-04

韓忠民(1964- )，男，高級工程師； 嚴 寒(1974- )，女，工程師； 李保平(1955- )，女，高級工程師； 于洪耀(1972- )，男，工程師

TU398.2

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