雙大開洞預(yù)制混凝土外墻板在施工吊裝階段的受力性能分析

游家奇 王黎 黃澤

（華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 概述

預(yù)制混凝土外墻板是指預(yù)制混凝土外墻構(gòu)件，它并不承重，只作為外墻起到圍護(hù)的作用。預(yù)制混凝土外墻板因具有施工周期短、環(huán)保節(jié)能、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)勢，逐漸在住宅建筑上得到廣泛運(yùn)用[1]。且為推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展，國家與地方政府陸續(xù)出臺了大量關(guān)于推行裝配式建筑實(shí)施的指導(dǎo)意見，以《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 1129-2017）為例，針對圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻部分得分不得低于10 分，其中，裝配式項(xiàng)目通常采用非承重圍護(hù)墻非砌筑5 分，而普通的公建和住宅項(xiàng)目外墻一般需要采用預(yù)制混凝土外墻，且需占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用比例的80%以上。因此，預(yù)制混凝土外墻在整個(gè)裝配式建筑中的占比非常大。

從技術(shù)層面上看，預(yù)制混凝土外墻板因出色的工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量，較好地解決了傳統(tǒng)建筑外墻漏水、裂縫等通病。而外墻板一般是整個(gè)建筑物中造型相對復(fù)雜多變，因此預(yù)制混凝土外墻板是涵蓋了較多設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)制部件之一。

預(yù)制混凝土外墻的設(shè)計(jì)主要包括拆分設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)兩部分。其中，拆分設(shè)計(jì)關(guān)系到建筑功能的實(shí)現(xiàn)、裝配率以及標(biāo)準(zhǔn)化的呈現(xiàn)；深化設(shè)計(jì)則關(guān)系到預(yù)制混凝土外墻成品的質(zhì)量以及施工的效率。

預(yù)制混凝土外墻板的種類及連接技術(shù)對比其他預(yù)制構(gòu)件較為多種多樣，且根據(jù)建筑外立面要求時(shí)常需要開窗洞或增加飾面，因此預(yù)制混凝土外墻板的深化設(shè)計(jì)需根據(jù)選用的不同預(yù)制構(gòu)件樣式，進(jìn)而確定不同的形狀深化、節(jié)點(diǎn)深化等設(shè)計(jì)內(nèi)容。

在項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)過程中，預(yù)制混凝土外墻板由于門洞、窗洞的關(guān)系，需在構(gòu)件的各洞角處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，加強(qiáng)構(gòu)件薄弱位置的強(qiáng)度，確保預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)、運(yùn)輸以及施工吊裝過程中的完整性，防止構(gòu)件在脫模吊裝、施工吊裝及使用階段發(fā)生破壞。

我國對于雙大開洞預(yù)制混凝土外墻板的受力性能分析研究較少，特別是針對洞角薄弱處補(bǔ)強(qiáng)方式的分析研究更加缺少，因此該如何進(jìn)行安全且經(jīng)濟(jì)地補(bǔ)強(qiáng)是一個(gè)可待探討的問題。

2 有限元受力分析

本工程中采取的裝配式預(yù)制混凝土外墻板部件形狀并不規(guī)則，為大尺寸雙開洞墻板，且該預(yù)制墻板跨度為8080mm，高度為4480mm，總重量達(dá)14.04t，難以通過理論對其受力進(jìn)行準(zhǔn)確分析，為此采用有限元分析軟件Abaqus 對預(yù)制混凝土外墻板進(jìn)行仿真模擬分析，得到其在吊裝過程中窗洞邊緣混凝土與鋼筋的應(yīng)力值及分布情況，以此檢核設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 基本分析參數(shù)

模擬吊裝狀態(tài)下雙大開洞預(yù)制混凝土外墻板的受力形式，吊裝工況下動(dòng)力系數(shù)取1.5；預(yù)制混凝土外墻板保護(hù)層厚度為15mm，混凝土料強(qiáng)度等級為C40；墻板配筋采C10@180mm 雙向雙層配筋，鋼筋等級為HRB400；吊裝預(yù)埋鐵件采用長度為260mm、強(qiáng)度等級為Q235 的鋼棒。

模擬采用三維實(shí)體元素單元（C3D8 單元），鋼筋元素采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元（T3D2 單元）；鋼筋與混凝土間之界面采用Embedded region Constraint（嵌入式約束），吊裝預(yù)埋鐵件與混凝土間之界面采用Tie Constraint（綁定約束）；邊界條件為固定約束吊裝預(yù)埋鐵件頂部之節(jié)點(diǎn)。

分析模型采用兩種窗洞補(bǔ)強(qiáng)方式：方案一在各洞角處增設(shè)斜向雙層C10 補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，方案二采用窗洞四邊增設(shè)暗梁之方式，比較雙大開洞預(yù)制混凝土外墻板窗洞補(bǔ)強(qiáng)方式的差異。

2.2 分析結(jié)果

由吊裝工況下兩個(gè)模型的分析結(jié)果計(jì)算可知：對于混凝土應(yīng)力，在吊裝工況下，兩種窗洞補(bǔ)強(qiáng)方式對混凝土整體應(yīng)力值及分布無明顯影響，故細(xì)部分析結(jié)果顯示以方案一為例。分析結(jié)果如圖1 及圖2 所示。

圖1 采用斜向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋墻板混凝土應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖2 采用斜向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋墻板混凝土拉應(yīng)力分布示意圖（單位：MPa）

如圖1 所示，預(yù)制混凝土外墻板窗洞角隅及吊點(diǎn)處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且由墻板上邊緣向窗洞角隅處延伸。從圖3 可更加清晰地看出，窗洞上下邊緣（紅色部分均為應(yīng)力值小于零）受拉，由中部向兩側(cè)減少，窗洞周圍混凝土最大拉應(yīng)力值約為-0.016MPa，遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；且由于墻板跨度大及雙大開洞，因此墻板上下邊緣中部均出現(xiàn)受拉行為，但均小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

對于內(nèi)置鋼筋應(yīng)力(如圖3 及圖4 所示），分析結(jié)果顯示：采用增設(shè)斜向雙層補(bǔ)強(qiáng)鋼筋方式，在吊裝工況下，鋼筋應(yīng)力最大值為35.69MPa；采用窗洞四邊增設(shè)暗梁方式，在吊裝工況下，鋼筋應(yīng)力最大值為38.21MPa。在兩種窗洞補(bǔ)強(qiáng)方式下，鋼筋應(yīng)力差值僅2.52MPa，且均小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖3 采用斜向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋墻板鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖4 采用增設(shè)暗梁方式墻板鋼筋應(yīng)力云圖（單位：MPa）

根據(jù)圖1 至圖4 混凝土及鋼筋應(yīng)力云圖可以看出：對于雙大開洞預(yù)制混凝土外墻板，在吊裝工況下，整體構(gòu)件最大應(yīng)力不僅出現(xiàn)在窗洞角隅及吊點(diǎn)處，亦會出現(xiàn)在墻板跨中部，由窗洞角隅處逐漸向板中部擴(kuò)散延伸。

基于上述模擬分析結(jié)果，采用兩種窗洞補(bǔ)強(qiáng)方式均能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，因此需要通過計(jì)算成本來進(jìn)一步比較兩種補(bǔ)強(qiáng)方式的差異。方案比較結(jié)果如表1 所示。由表1 可知：采用方案二即窗洞四邊增設(shè)暗梁的方式，額外增加的成本是方案一的8.5 倍，特別是時(shí)間成本，至少需要增加4 小時(shí)/塊的工作量，整體經(jīng)濟(jì)效益較低。

表1 窗洞補(bǔ)強(qiáng)方案比較

3 結(jié)束語

綜上所述，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

⑴基于該模擬分析結(jié)果，對于雙大開洞預(yù)制混凝土外墻板，采用增設(shè)斜向雙層補(bǔ)強(qiáng)鋼筋的窗洞補(bǔ)強(qiáng)方式即可滿足設(shè)計(jì)要求。

⑵從混凝土應(yīng)力云圖可知，預(yù)制混凝土外墻板在雙開洞且洞口尺寸較大時(shí)，墻板跨中部、墻板上下邊緣、吊裝預(yù)埋件邊緣混凝土及鋼筋在吊裝工況下均會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此在深化設(shè)計(jì)時(shí)此部分需額外復(fù)核構(gòu)件強(qiáng)度，以確保在各工況下的安全性。

⑶該分析是基于較理想狀態(tài)下的模擬結(jié)果，在實(shí)際吊裝過程中，預(yù)制混凝土外墻板的受力狀態(tài)不會這么理想，現(xiàn)實(shí)隨著吊裝過程的變化，其受力方向復(fù)雜多變，這是模擬分析的不足之處，所以在材料強(qiáng)度選取、鋼筋布置時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加富余度，使其安全性更具保障。