裝配式鋼結構建筑墻體的發展研究

張豐川 周磊

（1甘肅天水綠色裝配式建筑產業發展有限公司，甘肅 天水 741099；2甘肅建投科技研發有限公司，甘肅 蘭州 730050）

近年來，國家大力實施創新驅動戰略，推進鋼結構產業供給側改革，鋼結構建筑正經歷著迅速發展的歷史機遇期。裝配式鋼結構建筑作為建筑工業化的重要形式和發展方向，易于標準的模數化設計、預制構件的工廠化生產、施工的機械化吊裝，最終能夠達到產品系列化開發、預制構件集約型生產、配套設施社會化供應，且其抗震性好、后期鋼材可回收、減少污染環境。大力發展鋼結構建筑有利于化解我國鋼材產能過剩，促進傳統建筑業產業升級。國家高度重視發展裝配式建筑，制定了一系列政策文件引導、鼓勵和支持裝配式建筑的健康可持續發展。

目前，配套外墻技術與裝配式鋼結構住宅主體結構發展不同步，雖然市場上墻體材料種類眾多，但能夠實際應用于裝配式鋼結構外墻的卻寥寥無幾，所以，應把裝配式鋼結構建筑墻體作為重點進行研發。

1 裝配式鋼結構建筑墻體的研究現狀

鋼結構建筑具有利于工業化生產和標準化制作的優勢，所以其墻體材料也應當具備足夠的強度、穩定性，并且滿足建筑結構的熱工性能要求；同時，適合工業化發展要求的墻體應當具有輕質、隔聲、防火和環保等優異性能及可靠的連接構造。目前，裝配式鋼結構建筑墻體體系可分為建筑砌塊和建筑墻板兩個大類。

1.1 建筑砌塊

建筑砌塊的分類主要有混凝土小型空心砌塊、粉煤灰砌塊、石膏砌塊和蒸壓加氣混凝土砌塊。由于砌塊施工工程中存在大量的濕作業，現場的砌筑工程量巨大。近年來，主要以粉煤灰、爐渣、各種工業廢料、天然或人造輕骨料為主要原料制作而成的輕質小型混凝土砌塊得到了快速發展。

1）混凝土小型空心砌塊

普通混凝土小型空心砌塊制作工藝中的膠結料為水泥，集料為天然砂石，一般經過攪拌振動、壓制、養護等工藝過程制作，其中輕集料混凝土小型空心砌塊的原材料是輕集料混凝土，多用于建筑中的非承重結構構造，在工業與民用建筑填充墻及隔墻工程中應用較廣泛。圖1為混凝土小型空心砌塊。

圖1 混凝土小型空心砌塊

石膏砌塊的主要原材料為建筑石膏，在加工生產的過程中可以加入纖維增強材料、輕集料、發泡劑等制成的石膏制品，主要用于建筑工程中的非承重的隔墻。石膏砌塊具有良好的隔熱、防火、隔聲性能，其調節室內溫、濕度的性能良好；砌塊的表面相對平坦，不用墻體抹灰，所以施工效率高；砌塊的質量小，可以有效減輕建筑物的整體重量，提高抗震性能，使用空間進一步擴大，增加了房屋的有效使用面積。

3）蒸壓加氣混凝土砌塊

蒸壓加氣混凝土砌塊是以硅質材料和鈣質材料為主要原材料，摻入一定的發氣劑、水進行攪拌，通過原料之間的化學反應形成空隙，進而澆筑成型、預養切割和蒸汽養護制造的多孔硅酸鹽砌塊。在建筑工程中，只需較薄的加氣混凝土墻體就能達到一定的保溫隔熱效果，增加了建筑的有效使用面積，經濟效益顯著。圖2所示為蒸壓加氣混凝土砌塊。

圖2 蒸壓加氣混凝土砌塊

1.2 建筑墻板

建筑板材的技術含量較高，不僅對自身性能提出較高的要求，還需考慮墻板與主體結構的連接構造和施工安裝的要求，是建筑墻體材料的重要組成。建筑板材優勢明顯，可以定型化設計、生產，由于其質量輕，安裝施工方便，適合裝配化的施工方式。建筑墻板主要類型包括大型墻板、條板和薄板等。

1）纖維增強水泥平板

纖維增強水泥板是以水泥、石棉和其他纖維為增強材料，經過多道程序加工養護制成的板材。由于纖維水泥板板薄質輕，抗拉強度、沖擊強度高，且耐冷熱、不燃燒，加工性能好的優異特性，被廣泛應用于建筑工程當中。纖維增強水泥板材如圖3所示。

圖3 纖維增強水泥平板

2）石膏板

纖維石膏板是以建筑石膏、外加劑、水和有機或無機纖維等原材料，經養護凝結并干燥制成的板材。由于石膏硬化后的脆性變大，強度較之前也有一定的下降，通過在石膏中加入纖維增強材料，如木質刨花、玻璃纖維等，可以使其強度、韌性有一定的加強。纖維石膏板具有良好的防火、防潮、隔聲性能，并且可釘、可鋸，易于生產和再加工。纖維石膏板還有一個顯著特點，即在使用過程中不會產生有害人體健康的揮發性物質，并可以有效調節室內的空氣濕度。

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3）蒸壓輕質加氣混凝土板（ALC板）

蒸壓輕質加氣混凝土墻板（Autoclaved Lightweight Aerated Concrete，ALC）是生石灰、硅砂、水泥為主要原材料，使用鋁粉作為混凝土發泡劑，以及經防腐處理后的鋼筋網片，對其進行一定處理后制作加工的多孔板材。板材的孔隙率一般可達70%～80%，具有輕質、保溫、隔熱、隔聲等優點，并且產品無放射性，精度高，施工安裝簡便，耐火性和承載能力優異，適用于各種建筑工程項目，在建筑的外墻、隔墻、屋面板應用廣泛。圖4為ALC外墻板示意圖。

圖4 蒸壓輕質加氣混凝土板

2 墻板連接方式及節點構造

目前墻板有剛性連接和柔性連接兩種方式。剛性連接指使用水泥砂漿將墻板與結構框架進行粘接的方式；柔性連接則是采用柔性密封膠或柔性材料將墻板與主體框架的接縫進行填充，起到連接的作用。在建筑結構產生位移時，墻板采用剛性的連接方式會產生較大應力，進而變形、開裂；如果采用柔性連接的方式，在結構發生位移時柔性填充材料可通過一定的微小變形釋放應力，從而不易造成墻板的開裂破壞。雖然柔性連接能夠起到一定的抵抗變形的能力，但墻板與主體結構之間的緊固力不夠，容易產生墻板脫落現象，因此設置一定的抗剪連接件成為墻板柔性連接的關鍵。

預制墻板由于自身強度較低，只能用于承受自身荷載，所以與主體結構的連接一般需要采用柔性連接策略才能保證墻體與主體結構的協同受力及變形。目前，市場上對于蒸壓加氣混凝土外墻板的連接構造方法主要有以下四種：鋼管錨連接、螺栓連接、斜柄連接件、直角鋼件連接件，如表1所示。對于內墻板拼縫處連接構造，一般是在與鋼結構建筑主體梁的連接部位焊接U形連接件，且連接件的間距不得大于600mm，每塊墻板需要用至少兩個U型卡件進行固定，其他的連接構造主要有以下幾種，條形連接件法、角鋼法、接縫鋼筋法、直角鋼件法、管卡法、T字相交法、十字相交法等。

3 工程應用及存在的問題

考慮到節能環保與施工因素，在裝配式鋼結構住宅體系中，內墻板選用輕質高強的復合夾芯墻板較多，該墻體承載力高、保溫隔音效果好，具有抗震、承重、輕質、節能等特點，可在工廠提前進行預制化生產，現場裝配施工，加速施工進度；外墻板可選擇原材料天然、安全、無害，對自然礦產的消耗較少，有效利用工業廢棄物，可實現社會可持續發展的蒸壓加氣混凝土板。

目前，工程上常采用鉤頭螺栓法對外墻板進行連接，采用U形卡法對輕質內墻板進行連接，取得了較好的應用效果，但在施工過程中要注意以下幾個問題：

1）墻板連接節點的強度。鉤頭螺栓連接節點承載力的大小不僅取決于構配件的強度，即鉤頭螺栓、墊片的強度大小，還與鉤頭螺栓與角鋼的焊接質量有直接的關系。一方面，墻板連接件材料價格參差不齊，材料質量難以保證，且節點連接件的價格普遍偏高；另一方面，連接件現場焊接較多，且安裝方式繁瑣，現場焊接安裝質量難以保證。

2）墻板的接縫處理。由于墻板接縫處溫度的變化、建筑材料的收縮效應、結構體系受力變形等影響，墻板接縫處的變形及裂縫時有發生。

3）技術標準圖集缺乏。國內現有裝配式鋼結構住宅配套墻板的技術、標準、圖集不夠成熟，圖集大多是企業性質，難以達到標準化與通用化。

表1 蒸壓加氣混凝土外墻板連接方式

4 結論

1）發展裝配式鋼結構住宅，一方面需要加大配套預制墻板的研發，包括材料的優選、各項性能的提升，另一方面研究重點是墻板的連接構造以及連接件質量的提升。

2）加快裝配式建筑外墻技術標準和圖集的編制，進一步規范、指導預制墻板的施工安裝，逐步實現主體結構與圍護結構的一體化設計、生產及現場施工安裝。

3）加大裝配式鋼結構建筑領域專業技術人才及產業工人的培育以及新材料、新工藝、新機具在裝配式建筑施工現場的應用，進一步提高施工效率。