中英規范砌體夾心墻設計對比分析

張京街，張超，高連玉

(1 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016；2 中國建筑東北設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110111)

1 夾心墻起源及應用

砌體夾心墻的應用最早在19 世紀初期起源于英國，隨后在北美新世界殖民地和新西蘭等南半球國家和地區廣泛應用，其優點是能夠減少濕氣侵入內部居住環境、節省材料以及更好的保溫隔熱和防火性能。最初英國使用的夾心墻多采用230×110×76 mm（9×4.5×3 in）的粘土磚，有兩種常見的截面布置，一種是內外葉墻均順磚砌筑，中間有10 mm 空腔，一種是內外葉墻磚均沿厚度方向砌筑，空腔寬76 mm,墻體總厚約230 mm；內、外葉墻之間用實心粘土磚連接，這也導致外部濕氣可通過連接磚進入內葉墻。為解決濕氣入侵問題，對葉墻連接技術進行了更新，采用異形連接磚由內葉墻往外葉墻向下傾斜，或采用設豎向排水孔的擠壓成型磚，之后又由金屬拉結件代替連接磚，并迅速得到推廣[1]。據了解，19 世紀50 年代英國南安普頓80%住宅的夾心墻使用金屬拉結件。最初用的拉結件一般是鑄鐵或鍛鐵，表面通常不作處理或采用蘸焦油和砂進行預處理，容易腐蝕。為解決拉結件腐蝕問題，開始采用表面鍍銅或熱鍍鋅鋼代替鑄鐵。鍍鋅拉結件有不同的形式，其中，雙三角（蝴蝶）和馬蹄形拉結件彈性好，主要用于單層房屋，豎向扭曲和魚尾形拉結件則更適于多層房屋。新西蘭無筋粘土磚夾心墻砌體主要修建于1880—1935 年間，在砌體結構中占有相當大的比重，單磚-空腔-單磚截面夾心墻普遍用于單層房屋和多層房屋底層以上墻體，單磚-空腔-雙磚截面多用于多層房屋底層墻體。第二次世界大戰后，夾心墻砌體房屋在中歐和北歐國家廣泛用于（低層）住宅中，其內葉墻承重，常采用硅酸鈣砌塊；外葉墻不承重，常采用飾面粘土磚；有時空腔內填充保溫材料[2]。夾心墻在北美和亞洲其他國家也有較為廣泛的應用。

我國夾心墻的興起主要出于建筑節能的考慮，作為一種高效節能墻體，目前主要用于寒冷和嚴寒地區的建筑外墻以及有保溫隔熱要求的墻體[3]，在夏暖冬冷等氣候分區應用也有研究和實踐探索[4-5]。2001 年版《砌體結構設計規范》GB 50003 修訂時，在國內一些科研單位試驗研究基礎上，參考國外（主要是美國）規范，引入砌體夾心墻的構造措施，之后在2011 年版規范中對夾心墻設計的構造要求進行了完善和補充。李壽德[5]對遼寧、吉林、河北、北京、山東、新疆等地15 個項目共60 棟建筑進行實地調研發現，夾心墻在建筑節能和造價方面均有較為明顯的優勢，裝飾多孔磚和裝飾砌塊清水外墻的裝飾效果也很有特點，但同時也發現，由于構造處理不當、施工不規范、拉結件防腐不到位、排濕泄水措施不當等原因，有的夾心墻存在熱橋、結露、保溫隔熱性能不佳、外葉墻開裂等問題，有的甚至有失穩的風險。夾心墻設計理論伴隨著工程實踐不斷豐富和完善，并逐步形成了具有我國地方特色的夾心墻技術體系。2012 年，行業標準《裝飾多孔磚夾心復合墻技術規程》JGJ/T 274[6]發布實施，適用于嚴寒及寒冷地區的非抗震設防區、抗震設防為6 度至8 度地區，外墻磚采用燒結裝飾多孔磚或非燒結裝飾砌塊的夾心復合墻建筑。國家建筑標準設計圖集《夾心保溫墻建筑與結構構造》16J107/16G617 于2016 年發布實施。

相較而言，我國砌體夾心墻相關技術規定更多是對標和借鑒美國規范，國內對夾心墻發源地英國相關砌體規范的關注整體不多。本文通過對比分析的方式，簡要介紹英國BS 5628[7-8]規范砌體夾心墻設計的基本理念和一些具體的技術要求，希望對我國夾心墻理論發展和相關標準規范完善能夠有所參考和借鑒。

2 中英規范夾心墻設計對比

徐建[9]指出，“夾芯墻與復合墻是兩種不同的結構形式……GB 50003—2011 沒有明確區分”。GB 50003—2011[10]對夾心墻（cavity wall with insulation）的定義為，墻體中預留的連續空腔內填充保溫或隔熱材料，并在墻的內葉和外葉之間用防銹的金屬拉結件連接形成的墻體。JGJ/T 274—2012[6]對夾心復合墻（cavity wall with insulation，又稱夾心墻）的定義與GB 50003—2011 類似，但明確指出該規程所適用的夾心墻為非組合作用夾心墻。按照BS 5628 對夾心墻（cavity wall）的定義，兩片平行單葉墻通過連接件有效連接，其間空隙通常不小于50 mm，為連續空腔或者用非承重材料填充。與之對應的還有一類灌漿夾心墻（grouted cavity wall），其他規定與夾心墻相同，但其兩葉墻之間空隙用細骨料混凝土（可以配筋）填充以實現兩葉墻共同受力。從定義來看，GB 50003 中的夾心墻對應美國建筑規范[11]不考慮組合作用的夾心墻，也與BS 5628 中的夾心墻相對應。

2.1 結構分析

對于不考慮組合作用的外葉墻是否承受豎向荷載，美國建筑規范[11]明確規定外葉墻是非承重的飾面墻，內葉墻是承重墻，而GB 50003—2011 沒有明確說明夾心墻承載力的設計計算方法。JGJ/T 274—2012[6]中，夾心墻結構設計包含非抗震和抗震設計，具體規定為：（1）外葉墻為自承重墻，內葉墻根據夾心墻類別不同可為承重葉墻或自承重葉墻，不考慮豎向荷載在內、外葉墻間的分配；（2）內葉墻承受平面內由風荷載或地震荷載引起的水平力作用，不考慮外葉墻的作用；（3）承重夾心墻承載力計算采用內葉墻截面面積，按現行GB 50003 等相關標準進行結構設計；（4）多層房屋夾心墻平面外抗裂驗算時，夾心墻在水平荷載（風荷載）作用下的內力可根據橫向支承條件并忽略其連續性，按單向或雙向簡支板計算，平面外彎矩可按葉墻的相對抗彎剛度進行分配后單獨進行抗裂驗算。

按照BS 5628-3[8]規定：（1）夾心墻豎向荷載作用點位于兩葉墻重心之間時，應將其分解為分別作用于兩葉墻的等效豎向荷載，分別進行豎向承載力驗算，但考慮高厚比和荷載偏心影響的承載力折減系數應按夾心墻有效厚度確定；（2）平面外橫向荷載作用下墻體彎矩有兩種近似計算方法，一種是按多邊支承板計算，并列表給出了不同支承條件（固結、簡支、自由邊）下墻板的彎矩系數；另一種是按拱計算，適于墻垛間墻體等適宜考慮拱作用等情況；（3）采用豎向扭曲形或與之等效承載能力和剛度連結件連接時，夾心墻平面外承載力取兩葉墻承載力之和，并考慮墻垛作用；采用蝴蝶或雙三角形連結件，連接件能傳遞其所承受的壓力作用時，夾心墻平面外承載力取兩葉墻承載力之和，只能部分傳遞壓力作用時夾心墻承載力應相應折減；（4）給出了夾心墻支承部位局部受壓及連接計算方法。

2.2 墻體穩定性

GB 50003 和JGJ/T 274 對墻體穩定性的考慮主要是限制其高厚比，夾心墻高厚比計算時采用有效厚度，取值為兩葉墻截面厚度平方和的根，無筋砌體墻允許高厚比與砂漿強度等級、門窗洞口情況、墻體為承重還是自承重墻等有關。

BS 5628 標準對墻體穩定性的規定分為幾個方面：（1）限制墻體高厚比：對墻體支承條件、有效高度、有效長度和有效厚度等均有相應的規定；（2）限制墻體面積：對承受均布橫向荷載的墻體，列表給出了不同氣候分區、不同高度、不同支承條件、不同類型墻體的最大面積，對支承間距、葉墻厚度、空腔寬度、連接件等滿足相應條件的夾心墻，可直接查表得到允許最大墻體面積；（3）對內墻或隔墻，圖示給出了基于高厚比和長厚比的墻體穩定性判定標準。

2.3 內外葉墻變形協調

外葉墻直接暴露在外，受氣候環境影響更大，同時外葉墻和內葉墻受到的豎向應力的大小以及所采用的材料不同，長期荷載作用下也將產生徐變差，通常應設置水平控制縫。GB 50003—2011 規定，夾心復合墻的外葉墻宜在建筑墻體適當部位設置控制縫，其間距宜為6～8 m。JGJ/T 274—2012 對不同外葉墻材料作了不同的控制縫間距，如燒結類磚砌體控制縫間距宜為6～8 m，混凝土砌塊類砌體控制縫間距宜為4～6 m，并要求控制縫應采用硅酮膠或其他密封材料嵌實。另外，GB 50003 和JGJ/T 274 均對不同抗震設防烈度下外葉墻最大橫向支承間距進行了規定，抗震設防6 度時不宜大于9 m，7 度時不宜大于6 m，8 度時不宜大于3 m。

對于內外葉墻不均勻豎向變形，BS 5628-3 提出兩種處理方式：（1）限制外葉墻連續高度：要求外葉墻支承間距不應超過3 層樓高和9 m 的較小值（不超過4 層或12 m 高的房屋，墻體可全高連續）；（2）計算相對變形并采用適宜的構造措施：變形計算應考慮彈性變形、溫度、濕度及徐變等因素影響，計算的相對豎向變形不應超過30 mm；可采用的構造措施包括內外葉墻分別設置過梁、采用與計算位移相適應的的連接件、將窗戶固定在外葉墻上、窗臺下面設置柔性連接等。無論采用何種處理方式，都需要同時考慮提供垂直連接來協調水平位移。

2.4 拉結件

GB 50003—2011 對拉結件選型、最小直徑、（水平和豎向）最大間距、在葉墻上的擱置長度、門窗洞口附近設置要求等作了相應的規定；JGJ/T 274—2012 增加了控制縫兩側構造處理要求。同時參考美國規范的相關規定，要求夾層厚度不宜大于120 mm，滿足相應構造要求時不需要進行拉結件錨固、拔出或壓曲等驗算。

BS 5628-3 從幾個方面對拉結件設計作了相應規定：（1）選型與間距：拉結件選型和間距取決于空腔寬度以及葉墻之間傳遞水平荷載大小，對應不同葉墻厚度、空腔寬度，列表給出了拉接件長度和選型建議、單位面積墻體拉結件件數量要求，并對洞口、墻體端部等部位的拉結件設置作了專門要求；（2）強度：拉結件設計受拉和受壓承載力應大于其承受的設計水平荷載，列表給出了不同類型拉結件的具體尺寸和材料拉伸強度等具體要求；（3）埋置深度：拉結件長度應能保證在該類拉結件適用的最大厚度墻體中居中放置時，考慮施工誤差影響（-12.5 mm）后的最小埋置深度不小于50 mm。

2.5 防雨水滲透及防潮

GB 50003—2011 從鋼筋選擇、保護層厚度、鋼筋等金屬材料（包括拉結件）防腐處理和砌體材料選擇等方面對砌體結構耐久性作了相應的規定。JGJ/T 274—2012 對夾心墻防潮設計作了相應規定：（1）嚴寒地區建筑夾心墻應進行冷凝驗算并應設置排濕空氣層（20 mm 厚）與泄水口；（2）夏熱冬冷地區夾心墻可不進行內部冷凝受潮計算，但外葉墻應進行防水、防滲設計；（3）圖示給出了排濕空氣層和泄水口的構造要求，但未給出泄水口間距的具體要求。

BS 5628-3 對防雨水滲透和防潮設計非常重視，要求外墻防雨水滲透與強度、耐久性、隔聲、隔熱等同步考慮。其設計理念是雨水會滲透外葉墻（即使有抹灰或粉刷）并沿其內側下滑，防雨水滲透不應考慮內葉墻作用，要求在過梁、樓板、管道等空腔連接部位用空腔（導水）盤代替防潮層將水氣轉移以保證內葉墻不受潮。對外墻厚度（通常不小于90 mm）和空腔寬度（通常不小于50 mm）作相應要求的同時，通過合理設置防潮層和空腔（導水）盤或設置防水層來降低雨水滲入房屋的風險，對地面標高及以下部位防潮、夾心墻下行水氣控制（空腔盤、排水孔等）以及門窗洞口邊框、窗臺下部、外墻轉換為內墻、女兒墻、煙筒等部位的構造措施作了具體要求。

3 結語

徐建[9]指出，GB 50003—2011 雖然也提出了復合墻的設計計算方法，但是對夾心墻與復合墻的區分不甚明確，而且在夾心墻承載力計算、控制縫設置、拉結件水平力傳遞等方面還需要進一步研究。從本文對比分析看，英國BS 5628 規范對夾心墻設計的規定更加體系化，在夾心墻結構分析、墻體穩定性、內外葉墻變形協調（及防裂）、拉結件設計以及防雨水滲透和防潮設計等方面都有諸多可以參考之處。相比于GB 50003 規范，JGJ/T 274規程在結構設計、控制縫設置、防水和防潮設計等方面已經有了一些補充。可以考慮在對規程使用及夾心墻應用發展等情況進行深入調研的基礎上，借鑒BS 5628 相關標準以及美國相關標準規范，在國家標準GB 50003 修訂過程中予以補充和完善。

世界范圍內砌體結構包括夾心墻的應用非常廣泛，但也具有顯著的地區特征。比如英國屬于海洋性氣候，而且建筑多為低層和多層，夾心墻的興起主要源于防止濕氣侵入和節省材料，抗震也不是設計重點考慮的因素，而我國夾心墻的應用更多是受建筑節能要求的推動，砌體結構包括夾心墻抗震性能問題不可回避。近年來國外學者針對砌體夾心墻抗震性能做了不少專門的研究[1-2,12-13]，但我國對夾心墻抗震性能的研究尚缺乏針對性和系統性。如何在保證砌體結構性能的前提下，實現砌體建筑綠色節能的性能優勢，值得每一位砌體工作者思考和探討，這在國家推動綠色低碳轉型和城鄉融合發展等政策背景下尤為重要。