過民龍，徐其功，2，張 凱

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500；2、廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州510010）

0 前言

在傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土建筑結(jié)構(gòu)中，圍護(hù)墻或填充墻主要起到防火、防水、保溫節(jié)能等功能性作用，其與建筑舒適度、耐久性等正常使用條件下應(yīng)具備的性能密切相關(guān)。隨著裝配式混凝土建筑的發(fā)展，采用各種工藝制作的預(yù)制墻體成為行業(yè)主推方向，但毫無疑問的是上述墻板應(yīng)具備的功能，對(duì)于預(yù)制墻板而言仍舊必須做到。目前我國現(xiàn)行《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：GB∕T 51129-2017》對(duì)于干法施工、裝修一體化等綠色環(huán)保工藝的使用持推薦態(tài)度，而裝配式建筑吊裝的施工要求又使預(yù)制墻體本身需具備良好的強(qiáng)度及剛度，因此若要求裝配式預(yù)制墻體達(dá)到與現(xiàn)澆砌筑墻體相同的建筑使用性能，則需要采用構(gòu)造措施將墻板各分塊、墻板與主體結(jié)構(gòu)有效地連接為整體，而這些構(gòu)造措施將使預(yù)制墻板在強(qiáng)度與剛度、及其對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響上較采用砌筑墻體的結(jié)構(gòu)有很大不同，這實(shí)際上即是當(dāng)前裝配式建筑設(shè)計(jì)中尚未周全考慮之處。

從受力性能角度出發(fā)，較剛的預(yù)制墻體必然在設(shè)計(jì)計(jì)算理論及結(jié)構(gòu)構(gòu)造上與既有現(xiàn)澆規(guī)范的兼容性不匹配。特別是在結(jié)構(gòu)抗震性能上，砌筑填充墻體在地震作用下被認(rèn)定為將產(chǎn)生砌塊間的粘結(jié)破壞從而不參與結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力，因此現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范將圍護(hù)墻或填充墻在大震作用下僅作為荷載的來源是可行的，其對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響也僅從結(jié)構(gòu)整體剛度的增大效應(yīng)出發(fā)部分地提高了地震作用下構(gòu)件的設(shè)計(jì)荷載。雖然現(xiàn)行裝配式技術(shù)規(guī)程中已考慮了預(yù)制墻板較大剛度的影響而在地震效應(yīng)的擴(kuò)大系數(shù)上進(jìn)行了修正，但裝配式建筑設(shè)計(jì)的部分理論及經(jīng)驗(yàn)結(jié)論對(duì)于預(yù)制墻板而言仍然延續(xù)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的方法體系，這顯然無法正確考慮預(yù)制墻板對(duì)主體梁、柱的真實(shí)性能影響。特別是在當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)的延性要求下，沿襲現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的一系列抗震構(gòu)造措施是否合適是未知的，這毫無疑問將給裝配式混凝土建筑全生命期的安全運(yùn)維留下隱患。

本文針對(duì)既有裝配式預(yù)制墻體常用構(gòu)造及其與主體構(gòu)件連接構(gòu)造，收集整理現(xiàn)有研究成果，探討這些構(gòu)造措施對(duì)預(yù)制墻體承載性能的影響以及墻體對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并給出設(shè)計(jì)建議，同時(shí)為進(jìn)一步研究裝配式預(yù)制墻體設(shè)計(jì)方法提供方向參考。

1 裝配式預(yù)制墻體常見構(gòu)造形式

1.1 預(yù)制墻體自身構(gòu)造

傳統(tǒng)上使用較多的預(yù)制墻板主要為預(yù)制混凝土墻板，但隨著近些年裝配式圍護(hù)結(jié)構(gòu)越發(fā)朝著輕質(zhì)高強(qiáng)發(fā)展，預(yù)制墻板的選材及結(jié)構(gòu)也有所改變，可否實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)的性能要求及板型設(shè)計(jì)是否可提質(zhì)降本，是一種裝配式預(yù)制墻板能否大范圍推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素［1］。以下列出部分目前常見預(yù)制墻板的構(gòu)造形式。

1.1.1 夾芯復(fù)合墻板

預(yù)制墻板中目前最為常用的形式即為預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板（PC 墻板），其保溫材料通過特定生產(chǎn)工藝埋入預(yù)制墻板內(nèi)部，墻板的內(nèi)外葉通過對(duì)拉玻璃纖維鋼筋或桁架鋼筋連結(jié)成整體，如圖1 所示。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)工藝關(guān)系緊密、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可良好移植、質(zhì)量易保證、強(qiáng)度剛度大，缺點(diǎn)是重量大［2］。

圖1 預(yù)制混凝土夾芯復(fù)合墻板Fig.1 Prefabricated Sandwich Concrete Panel

為了減輕PC 墻板的重量，通過提高內(nèi)外葉墻體的抗拉強(qiáng)度以使較薄的預(yù)制墻板仍有良好的抗裂性能，是行之有效的方案。因此，基于纖維增強(qiáng)混凝土等高性能材料的墻板制作工藝及其性能，逐漸受到研究者的關(guān)注［3］?；趯?duì)高性能材料性能與成本的折中考慮，一些學(xué)者對(duì)僅利用如UHPC 等材料的抗裂性與耐久性制作墻板外葉，內(nèi)葉仍采用RC 制作，也取得了良好的效果，如圖2所示［4］。

圖2 UHPC-RC夾芯復(fù)合墻板Fig.2 UHPC-RC Sandwich Panel

當(dāng)內(nèi)外葉墻板因使用高性能材料而逐漸變薄后，部分研究者采用多孔隙水泥基材料代替中層保溫泡沫板以提高復(fù)合墻體的整體性、防止墻葉面外破壞，并提升保溫層的使用壽命，如蒸壓加氣混凝土復(fù)合墻板等［5］。

1.1.2 預(yù)制條板

蒸壓加氣混凝土（ALC）因其密度僅為普通混凝土的1∕3 左右且具有一定的拉壓強(qiáng)度，用其制作的預(yù)制條板在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛［6］，ALC 條板的基本構(gòu)造如圖3所示。

圖3 蒸壓加氣混凝土預(yù)制條板Fig.3 Prefabricated Alc Strip Panel

相較于整塊預(yù)制的夾芯復(fù)合墻板，預(yù)制條板充分考慮了生產(chǎn)模數(shù)化及吊運(yùn)的便利性，其在做好嵌縫及與主體構(gòu)件連接后可具有良好的整體強(qiáng)度、保溫及隔聲等性能。在裝修性能上，配合條板內(nèi)預(yù)設(shè)孔道可方便水電管線的埋設(shè)，且可根據(jù)裝修需求對(duì)條板開洞，而不過分影響墻板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 不同開孔樣式的預(yù)制條板Fig.4 Strip Panels with Different Hollowing Styles

除了ALC 外，預(yù)制條板常采用的材料還包括蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土、玻璃纖維增強(qiáng)混凝土等。此外，利用工業(yè)廢棄物、尾礦、秸稈等經(jīng)過再生化處理以作為主要材料組分或摻合料的預(yù)制條板，也在我國發(fā)展綠色建筑的大環(huán)境下借助裝配式建筑步入人們的視野，如ASA板、ECP板等［7，8］。

傳統(tǒng)蒸壓加氣混凝土條板因其組分為多孔材料，墻面抹灰是其裝修施工的必要環(huán)節(jié)。為了緩解抹面帶來的質(zhì)量問題，研究者基于復(fù)合墻板的構(gòu)造方案提出將條板的面板和芯材采用不同材料制作，以使各組分發(fā)揮不同的使用功能，如圖5 所示。此種條板的面板可以采用石膏或硅酸鈣板等免抹灰建材，而芯板通常是通過膠凝材料凝聚的聚苯顆粒保溫層，如石膏基聚苯顆粒、水泥基聚苯顆粒［9，10］。

圖5 面板和芯材采用不同材料的預(yù)制條板Fig.5 Strip Panels Constructing with Different Materials for Surface and Internal Components

1.1.3 其它種類

除上述常用預(yù)制墻板外，輕鋼龍骨預(yù)制復(fù)合墻板采用冷彎薄壁型鋼為主要受力部件、外覆結(jié)構(gòu)用板材、骨架內(nèi)填保溫隔熱材料以形成整體，如圖6 所示。因其骨架型材與鋼結(jié)構(gòu)具有天然的匹配性，故多用于低層或多層輕鋼體系建筑的外墻，也可用于多層或高層混凝土框架的內(nèi)外墻［11］。

圖6 輕鋼龍骨預(yù)制復(fù)合墻板Fig.6 Composite Wall Panel of Light-gauge Steel Structure

此外，實(shí)心預(yù)制墻板作為建筑內(nèi)隔墻也有一些工程應(yīng)用，如泡沫混凝土墻板、改性粉末混凝土實(shí)心墻板等。

1.2 預(yù)制墻體與主體框架連接構(gòu)造

預(yù)制墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造，不僅對(duì)墻板的結(jié)構(gòu)安全、防水保溫性能有重要影響，還在很大程度上對(duì)結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)行為影響深遠(yuǎn)。以下給出預(yù)制墻板的常用連接構(gòu)造形式。

1.2.1 外掛式

外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接方式在受力形式上劃分常包括點(diǎn)支承和線支承［12］，如圖7 所示。在《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 1-2014》所推薦的構(gòu)造下，外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)預(yù)想中通?？梢曰ゲ桓蓴_地協(xié)同工作，墻板只作為荷載與質(zhì)量的來源，對(duì)各主體構(gòu)件設(shè)計(jì)內(nèi)力產(chǎn)生影響，而不影響設(shè)計(jì)破壞模式［13］。

圖7 外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造Fig.7 Connection Details Between Out-hang Panel and Main Structural Member

外掛墻板建筑功能缺點(diǎn)是顯而易見的，即內(nèi)露梁底易造成使用空間減少的錯(cuò)覺。因此，墻板內(nèi)嵌式構(gòu)造是另一種建筑功能上較優(yōu)的解決方案。

1.2.2 內(nèi)嵌式

內(nèi)嵌構(gòu)造預(yù)制墻板多為內(nèi)隔墻所采用，當(dāng)作為圍護(hù)墻時(shí)可避免采用外掛墻板對(duì)室內(nèi)建筑造型的影響［14］。當(dāng)主體豎向構(gòu)件為現(xiàn)澆時(shí)內(nèi)嵌墻板側(cè)縫防水性良好，當(dāng)主體豎向構(gòu)件預(yù)制時(shí)配合嵌縫膠亦可有良好的性能保障。內(nèi)嵌墻板的結(jié)構(gòu)安全性則通過預(yù)埋機(jī)械套筒輔以后設(shè)拉結(jié)筋實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

在現(xiàn)行裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及豎向構(gòu)件不預(yù)制的行業(yè)傾向下，為了解決內(nèi)嵌墻體與疊合梁水平縫的漏水可能性并減少吊裝次數(shù)，預(yù)制墻體內(nèi)嵌構(gòu)造中出現(xiàn)了一種“梁墻一體”的構(gòu)件［15］。圖9列出了2種實(shí)際工程中使用的“梁墻一體”預(yù)制方案。

圖9 梁墻一體構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造Fig.9 Connection Details between Beam-wall Integrated Panel and Main Structural Member

2 裝配式預(yù)制墻體承載性能設(shè)計(jì)方法

從前述裝配式預(yù)制墻板的構(gòu)造方式來看，其技術(shù)關(guān)注點(diǎn)往往集中在墻板建筑功能，及墻板自身以吊裝安全性與安裝靜定性為度量的承載性能，而預(yù)制墻板對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響研究較少。以下針對(duì)預(yù)制墻板自身承載性能及預(yù)制墻板對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響2方面的研究現(xiàn)狀，對(duì)墻板設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論。

2.1 墻體自身承載性能

李硯波等人［16］利用數(shù)值方法對(duì)采用斜插筋對(duì)拉的混凝土夾芯板面外抗彎性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明混凝土夾芯板撓曲剛度的重要影響因素為：①對(duì)拉鋼筋彈性模量；②斜插筋的構(gòu)造方式。

殷燕等人［17］對(duì)斜插筋對(duì)拉的混凝土夾芯板在地震作用下的抗側(cè)力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明墻葉配筋網(wǎng)格尺寸相同的情況下，配筋率越大或墻葉配筋率相同但鋼筋網(wǎng)格更密的墻體抗側(cè)整體性更好。

徐虹等人［18］對(duì)裝配式混凝土預(yù)制外圍護(hù)墻在風(fēng)荷載與溫度荷載下，墻底水平拼縫的形成機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，溫度荷載對(duì)裝配式外墻的裂縫發(fā)展起著決定性作用，建議設(shè)置踢腳線以解決溫差引發(fā)的預(yù)制墻體底部滲水裂縫。

陳博珊等人［19］對(duì)ALC 墻板的面外抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明配筋率相同時(shí)，配筋根數(shù)增加有利于限制裂縫的寬度，配筋根數(shù)少時(shí)ALC 與鋼筋粘結(jié)握裹能力較差，易出現(xiàn)粘結(jié)滑移。

許盡武［20］對(duì)一批鋼筋泡沫混凝土夾芯復(fù)合墻板進(jìn)行了抗彎、抗剪性能試驗(yàn)，結(jié)果表明夾芯板材料類型、混凝土強(qiáng)度、墻板厚等因素對(duì)復(fù)合墻板的彎剪性能影響顯著。

從上述研究可知，增大預(yù)制墻板承載力及整體性的關(guān)鍵因素主要包括：①選擇合適的內(nèi)外葉墻拉結(jié)構(gòu)造及提高拉結(jié)件的剛度；②提高墻葉配筋率及適度減少鋼筋網(wǎng)尺寸；③增大墻板厚度、墻板材料強(qiáng)度、芯材強(qiáng)度。

2.2 墻體對(duì)主體結(jié)構(gòu)承載性能的影響

在裝配式建筑大力發(fā)展潮流的最初幾年，由于“等同現(xiàn)澆”設(shè)計(jì)理念的不斷宣貫，在設(shè)計(jì)與施工為主導(dǎo)的裝配式市場格局下，以設(shè)計(jì)人員為主的大量裝配式從業(yè)者常將“等同現(xiàn)澆”理念狹隘地采納于建筑功能設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)的各方各面，在少考慮甚至是不考慮構(gòu)件生產(chǎn)及施工安裝便利性的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了一系列硬搬現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的裝配式建筑設(shè)計(jì)構(gòu)造方法，認(rèn)為如此即可保障結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能。隨著行業(yè)對(duì)裝配式建筑力學(xué)性能認(rèn)知的不斷加深，目前關(guān)于裝配式設(shè)計(jì)方法的研究也逐漸轉(zhuǎn)移至對(duì)裝配式特有力學(xué)性能的探討中。

唐偉等人［21］對(duì)采用預(yù)制條板填充的鋼筋混凝土框架抗震性能進(jìn)了試驗(yàn)研究，條形預(yù)制板間、墻板與主體框架間采用植筋或預(yù)埋件連接。結(jié)果表明，采用植筋連接的條形墻板在結(jié)構(gòu)側(cè)向變形較大時(shí)能適應(yīng)主體框架的變形，對(duì)主體框架最終破壞形態(tài)影響不大，但在較小側(cè)移時(shí)結(jié)構(gòu)剛度提高較大。

林澤鑫等人［22］研究了裝配式拼裝型減震墻板框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，認(rèn)為墻板與主體框架共同抵抗側(cè)向力，可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體在小、中震下的耗能效果。

黃煒等人［23］對(duì)裝配式混凝土預(yù)制墻體填充的框架在豎向、水平荷載共同作用下進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明墻內(nèi)布筋方式、墻底水平縫連接構(gòu)造措施、墻側(cè)豎縫幾何形態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能影響很大。

方宜成［13］對(duì)含外掛夾芯復(fù)合墻板的連肢剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能研究，試件將外掛墻板底部與基礎(chǔ)間設(shè)置通縫并打膠，且墻底設(shè)置只允許墻體面內(nèi)水平滑動(dòng)的角鋼。結(jié)果表明，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)后外掛墻板對(duì)試件初始剛度影響較大，但對(duì)大震層間位移限值控制下的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)基本無影響。

劉樂招［24］通過數(shù)值方法研究了裝配式混凝土填充墻在墻體類型、高寬比、厚度、與框架間拉接方式改變時(shí)其對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)砌體填充墻，混凝土填充墻剛度大、整體性好、承載力高，對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震性能影響大。

李久鵬［25］對(duì)外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行了研究，其認(rèn)為若合理考慮外掛墻板對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力的貢獻(xiàn)，則可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

李國強(qiáng)等人［26］在H 型鋼梁與矩形鋼管柱構(gòu)成的鋼框架結(jié)構(gòu)中采用外掛條形板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了外掛條形板對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)向力有剛度和強(qiáng)度貢獻(xiàn)，并建議條形板與主體結(jié)構(gòu)連接采用柔性連接。

陳長林等人［27］提出了一種適用于輕質(zhì)整體式內(nèi)隔墻板的柔性連接，對(duì)墻板與主體結(jié)構(gòu)間的縫隙寬度、柔性連接的鋼筋間距、直徑、錨固深度等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了靜力彈塑性分析，表明在大震層間位移角作用下內(nèi)隔墻對(duì)結(jié)構(gòu)整體的靜載推覆強(qiáng)度及剛度貢獻(xiàn)較大。

上述研究表明，考慮墻板與主體結(jié)構(gòu)的相互作用，合理利用其抗側(cè)能力，可以達(dá)到耗散地震能量的效果。因此，在一定構(gòu)造條件下，裝配式預(yù)制墻體并沒有實(shí)現(xiàn)如現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一般僅作為荷載的來源，其可作為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的一部分，與主體結(jié)構(gòu)共同為建筑整體的抗側(cè)向變形及耗能提供正面作用。在裝配式預(yù)制墻板設(shè)計(jì)時(shí)建議按以下方式考慮：①通過構(gòu)造避免墻體與主體結(jié)構(gòu)在大震作用下破壞模式相互影響；②通過設(shè)計(jì)及構(gòu)造使墻體與主體結(jié)構(gòu)在共同抵抗小、中震時(shí)，控制連接構(gòu)造的相對(duì)變形，適度利用墻板對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)作用的正面效應(yīng)。

3 結(jié)論

裝配式建筑的設(shè)計(jì)不是結(jié)構(gòu)安全問題的單一考量，而是結(jié)構(gòu)安全、建筑功能、建筑耐久性、施工工藝、生產(chǎn)成本等一系列問題的解決方案的綜合考慮。綜合前人對(duì)裝配式預(yù)制墻板的研究，其設(shè)計(jì)模式可歸納為以下幾種考慮：①完全避免墻板參與結(jié)構(gòu)抗震的貢獻(xiàn)，這種方式在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上僅需通過增大墻與主體間縫隙輔以柔性連接構(gòu)造即可實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于如防水嵌縫、建筑飾面的處理較難完美做到，因此這種方法并不適宜作為裝配式墻板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；②完全考慮墻板參與結(jié)構(gòu)抗震的貢獻(xiàn)，即不論小震、中震或大震作用下，墻板均作為結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力的來源，此種設(shè)計(jì)方式針對(duì)常見的采用較剛連接措施使墻板與主體結(jié)構(gòu)自始至終緊密聯(lián)系在一起的情況，在多遇地震的控制層間位移變化范圍內(nèi)墻體與主體結(jié)構(gòu)即發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，易使防水膠等建筑功能相關(guān)構(gòu)造發(fā)生破壞，且因墻體與主體結(jié)構(gòu)連接緊密而不便打膠更換，故而一定程度上抵觸了“中震可修”的概念；③部分考慮墻板參與結(jié)構(gòu)抗震的貢獻(xiàn)，即只考慮罕遇地震作用下墻板對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力貢獻(xiàn)，此種設(shè)計(jì)方式在墻板與主體結(jié)構(gòu)間采用柔性連接，并將墻板與主體結(jié)構(gòu)保持合適距離的縫隙以使其二者在中震以下工況中能以較小的相互影響協(xié)同變形，在層間位移較大時(shí)墻板通過接觸作用，形成類似對(duì)角斜撐的受力模式，從而增加了結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度及抗震耗能性能，是一種可行性較高的墻板設(shè)計(jì)方案。