裝配式鋼筋混凝土墻板結構形式及連接方式研究

陳曉鋒, 錢云飛, 汪少波, 劉中博

(1.蘇州二建建筑集團有限公司,江蘇 蘇州 215000;2.西安理工大學 土木建筑工程學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著我國城鄉建筑面積的日益擴大,建筑行業已是我國經濟發展中的中流砥柱。相關調查數據顯示,我國建筑全過程能耗占國家總能耗的三分之一,能源消耗巨大的主要原因是傳統的建筑模式過于粗獷,沒有合理地利用技術和資源。舊有的建筑模式難以適應國家綠色創新的發展理念,綠色建筑工業化的實現也更加急迫。裝配式建筑是指建筑的一部分或者整體在工廠進行預制,然后運送到施工現場后采用有效的連接方式組裝成整體的建筑。[1]裝配式建筑可以在工廠預制,具有精度高、綠色節能、節省人力資源等優點,契合國家當前對于綠色發展的需要。

我國最初的裝配式建筑受蘇聯影響很大,由于大地震暴露出了的裝配式安全問題,商品混凝土的興起與大量勞動力進入城市,裝配式結構的發展受到抑制。隨著我國社會老齡化的加劇,勞動力成本大幅增加,為了滿足綠色可持續發展的國家策略,裝配式建筑在近年來得到迅速發展。國內學者對于裝配式有著大量研究,卞文軍等[2]研究了不同連接方式的預制復合墻板對鋼筋混凝土框架的影響,結果表明,剛性連接使框架的剛度和承載力大幅提高,但是結構延性變差,柔性和半柔性連接的鋼筋混凝土框架抗側剛度和承載力明顯好于砌塊鋼筋混凝土框架,半柔性連接展現了良好的耗能能力。韋超等[3]研究了一種采用鋼板焊接的裝配式剪力墻,所有試件的破壞都發生在墻身處,為壓彎破壞,試件的滯回曲線呈弓形,耗能較好,達到了現澆剪力墻結構的要求。趙永強等[4]制備了一棟兩層帶 PC填充墻裝配式剪力墻結構的 1∶3 縮尺試件,研究其抗震性能,研究發現:當地震等級在八級罕遇地震之前,填充墻對剪力墻結構的抗側剛度明顯增大,地震等級達到八級罕遇地震時,填充墻對剪力墻基本失去作用,試件損傷嚴重。王偉等[5]設計了三層足尺分層裝配支撐鋼框架通過柔性連接外墻板,研究地震作用下鋼框架與外墻板能否協同工作。結果表明:多遇地震下,結構與墻板完好無損;罕遇地震下,損傷集中于柔性支撐,鋼框架與墻板完好無損,外墻板提高了鋼框架的層間變形均勻性,削弱了柔性支撐受到的沖擊效應。

1 裝配式鋼筋混凝土墻板的形式

根據墻體構造的不同,可分為單一墻體和復合墻體,其中單一墻體主要有實心黏土磚墻體、空心磚和空心砌體墻體等。復合墻體根據保溫板所在位置,有內保溫、外保溫和夾芯保溫三種形式[6]。預制墻板根據是否受力分為承重型墻板和非承重型墻板。

1.1 內保溫外掛墻板

內保溫復合墻體是指將保溫材料置于墻體內側。我國應用較廣的內保溫技術有采用增強石膏或聚合物砂漿的復合聚苯保溫板、內墻貼聚苯板抹粉刷石膏以及抹聚苯顆粒保溫料漿等技術[7]。內保溫復合墻板對保溫材料要求不高,取材方便,室內施工對人工要求不高,且內保溫材料在室內易于更換,安全性較好,如圖1所示。但是內保溫技術占用室內空間;保溫材料強度低,無法在保溫材料上安裝窗簾等飾物,保溫材料的飾面層可能發生開裂,造成保溫層破壞;在廚房和衛生間等潮濕環境,可能會影響保溫材料的使用壽命。

1-基層墻體 2-找平層 3-黏結層 4-真空絕熱板 5-防護面板 6-龍骨圖1 真空絕熱墻內墻板外觀

1.2 外保溫外掛墻板

外保溫復合材料是指將隔熱材料置于墻體外側,主要分為外掛式外保溫復合墻體、聚苯板與混凝土墻體一次澆筑成型墻體以及涂抹聚苯顆粒保溫料漿保溫墻體等[7]。外保溫墻體不會對建筑的使用空間造成影響,更有利于建筑的節能改造,且由于安裝在室外,不易受到冷熱橋現象的影響,如圖2所示。但是外保溫墻體對保溫材料的要求較高,保溫層的耐久性和耐火性需要得到保障,且由于保溫材料強度不高,運輸和安裝過程中易發生損壞,影響正常使用;對于現場施工的要求較高,需要高素質的技術人員來執行。

圖2 全預制保溫外墻板示意圖

1.3 夾芯保溫外掛墻板

夾芯保溫外掛墻板是指將保溫層置于內板和外板中間,由連接件將內外混凝土面層與保溫層連接成整體,保溫層置于中間防止熱量流失。保溫層不占用內部空間的同時,墻體也同時具有一定的承重功能、圍護功能和保溫功能。混凝土夾芯復合墻板可現場制作,取材方便,也可工廠化制作,批量化生產,如圖3所示。根據連接件的不同,分為采用金屬連接件的保溫板、非金屬連接件的保溫板以及采用預制混凝土外模板技術的預制混凝土夾芯保溫板[8]。根據外掛墻板的主要類型可分為預制混凝土夾心保溫板、ALC墻板、玻璃纖維增強水泥板、輕鋼龍骨復合墻板等。

圖3 預制混凝土夾心保溫板構造

預制混凝土夾芯保溫板也存在著以下缺點:保溫板體積較大,運輸和安裝有一定不便;墻板制造成本較高;由于墻板組成結構,夾芯保溫板布置于承重墻體之間,導致墻板的抗震性能較差;雨雪天氣易產生滲漏和漏水現象,對墻板連接處的施工質量要求較高;保溫層內外溫差較大,保溫材料易產生變形,可能影響結構的穩定性。

1.3.1 采用金屬連接件的預制混凝土夾芯保溫板

預制混凝土夾芯保溫板通常采用不銹鋼作為金屬連接件,由于金屬存在熱橋效應,熱量會經由金屬連接件傳遞到建筑外部,對建筑的保溫性能造成不利影響,存在較大的熱量損失。

1.3.2 采用非金屬連接件的預制混凝土夾芯保溫板

非金屬連接件可以有效降低金屬連接件的熱橋效應,減少建筑內部的熱量散失。常使用復合增強纖維材質的連接件,保溫材料一般選用聚苯乙烯泡沫板,材料易于生產,也可有效降低預制混凝土夾芯保溫板的熱損失。連接件通過錨固將中間層的保溫材料固定在混凝土中。

1.3.3 采用預制混凝土外模板技術的預制混凝土夾芯保溫板

采用預制混凝土外面板為外模板進行制作,在預制板內側放入保溫材料,再通過拉接螺栓和內模板進行連接,一般在現場進行澆筑,對施工人員技術要求不高。

1.3.4 ALC墻板

蒸壓加氣混凝土墻板又稱ALC墻板,主要以石英砂、水泥、石灰和石膏為原材料,以鋁粉為發氣劑,經過一系列工序制成的細密多孔狀輕質加氣混凝土,如圖4所示。ALC墻板材料的單位耗能更少,生產和使用更符合國家綠色環保的戰略方針,由于其材料多孔的性質,在物性上也與傳統建筑材料有著很大區別。ALC墻板廣泛應用于各種墻體保溫,在降低原材料消耗的同時,也能有效縮短施工周期,如圖5所示。但是,ALC墻板相比傳統的混凝土墻板造價較高。

圖4 裝配式ALC預制墻板

圖5 ALC外墻板連接構造

1.3.5 玻璃纖維增強水泥板

玻璃纖維增強水泥板主要由玻璃纖維和低堿水泥經過特定工藝制作,如圖6所示,具有輕質、高強、抗彎拉和沖擊性好、使用壽命長等特點。

圖6 玻璃纖維增強水泥板

1.3.6 輕鋼龍骨復合墻板

輕鋼龍骨復合墻板由混凝土板、輕鋼龍骨、保溫隔熱材料三部分組成,通過中間的輕鋼龍骨將兩側的混凝土板與中間的保溫隔熱材料組成整體,如圖7所示,具有良好的保溫隔熱性能,可有效降低成本,便于運輸和安裝。

圖7 輕鋼龍骨復合墻板

2 外墻板的連接方式

外掛墻板的安裝,一般是通過在預制墻板上預埋連接件或套筒灌漿。主體結構與外墻板的連接方式,可分為剛性連接與柔性連接兩種。

2.1 剛性連接

剛性連接可使主體結構與墻板形成整體,通常采用套筒灌漿或焊接的形式,如圖8所示。墻板與主體建筑共同承擔荷載。剛性連接無須現場澆筑混凝土,施工方便,是目前最普遍的連接方式,具有完整的技術體系和施工規范。當結構主體受損傷或出現變形時,外掛墻板由于連接處剛度較大無法與主體結構共同變形,可能會成為整個建筑結構的薄弱部位,導致墻板脫落或造成更大損失。

圖8 墻板剛性連接

2.2 柔性連接

柔性連接大多采用點支承的方式,主體結構與墻板之間采用柔性節點連接而成,如圖9所示。在地震作用下,整體結構在地震荷載下產生較大晃動時,外掛墻板連接節點處可以產生水平或豎向滑移,墻板不參與承受荷載,與主體建筑之間產生相對運動,不會因共振導致節點破壞。柔性節點同時具有損傷控制特性和震后可恢復性,相對于主體結構具有良好的變形適應能力。

圖9 墻板柔性連接

3 結束語

綜上所述,裝配式墻板具有工業化程度高、綠色節能、施工迅速的特點,契合我國綠色、創新的發展理念,具有廣闊的應用前景。與傳統墻板相比,裝配式墻板多為工廠預制,無須濕作業,能適應現代快節奏的施工要求,在簡化施工流程的同時,墻板的防水性能與保溫能力更加優異。隨著時代的發展,在注重裝配式墻板的技術應用水平不斷提高的同時,也要注意優化施工工藝,規范施工流程,及時解決施工過程中存在的問題,促進裝配式墻板的施工水平不斷更新優化,為裝配式建筑的長久發展助力。