在国家大力推进装配式建筑发展的进程中, 预制混凝土外挂墙板作为一种非承重围护结构构件, 由于其在构件加工和现场施工方面相对更容易掌握, 比较适合于我国目前所处的装配式建筑发展阶段。

　　 现有的外挂墙板根据支承形式不同分为点支承和线支承外挂墙板。点支承外挂墙板能通过节点区的变形使得外挂墙板具备适应主体结构变形的能力, 可以消除温度应力, 适应主体结构变形的同时而不产生附加内力, 消除施工误差, 构件及节点受力简单明确。本文主要围绕该类型的外挂墙板展开其与主体结构连接的研究。根据支承点与主体结构的支承形式, 可以将点支承外挂墙板划分为平移式外挂墙板、旋转式外挂墙板, 如图1所示。

　　 现行国家标准《装配式混凝土建筑技术标准》 (GB/T 51231—2016) ^[1] (简称装配式标准) 对外挂墙板给出了如下性能目标要求:在正常使用状态下, 外挂墙板应具有良好的工作性能;在多遇地震作用下应能正常使用;在设防烈度地震作用下经修理后应仍可使用;在预估的罕遇地震作用下外挂墙板不应整体脱落。

　　 本文结合国内外最新研究成果和应用经验, 立足于国内标准对外挂墙板的性能目标要求, 研究了计算节点时的墙板地震作用标准值, 并针对不同支承形式的点支承外挂墙板系统, 推导了连接节点力的计算方法, 提出了节点变形能力设计的影响因素及计算思路, 为相关设计人员提供相应的技术参考。

　　 根据现行行业标准《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) ^[2]的有关规定, 计算外挂墙板的水平地震作用标准值时, 可采用等效侧力法, 并按照式 (1) 计算:

　　 $F{}_{\text{E}\text{k}}=\beta {}_{\text{E}}\alpha {}_{\max }G{}_{\text{k}}(1)$

　　 式中:F_Ek为施加于外挂墙板重心处的水平地震作用标准值;β_E为动力放大系数, 取5.0;α_max为水平多遇地震影响系数最大值, 应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) 的有关规定;G_k为外挂墙板的重力荷载标准值, kN。

　　 对于动力放大系数的取值, 是依据抗规中对于非结构构件的规定, 并参考了现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》 (JGJ 102—2003) ^[4]的规定给出的。在这两本相关标准中, 动力系数应按照式 (2) 计算:

　　 $\beta {}_{\text{E}}=\gamma \eta \xi {}_1\xi {}_2(2)$

　　 式中:γ为非结构构件功能系数, 可取1.4;η为非结构构件类别系数, 可取0.9;ξ₁为体系或构件的状态系数, 可取2.0;ξ₂为位置系数, 可取2.0。

　　 按照式 (2) 计算, 外挂墙板结构地震作用动力放大系数β_E约为5.0。

　　 由于相对传统的幕墙系统, 外挂墙板自重远大于其他幕墙材料, 且与主体结构的连接往往超静定次数低, 连接节点缺乏良好的耗能机制, 其破坏模式通常属于脆性破坏。连接破坏一旦发生, 会造成外挂墙板整体坠落, 产生十分严重的后果。因此装配式标准中对于外挂墙板的连接节点作用效应进行了提高, 在多遇地震作用计算的基础上将作用效应放大2.0倍, 使得连接节点达到接近“中震弹性”的要求。

　　 装配式标准的要求是外挂墙板设计的最低要求, 笔者建议在开展相关工程设计过程中, 宜对相关预埋件和节点连接件的构造提出更高要求。这一方面是考虑国内在外挂墙板的设计、加工和施工方面经验相对缺乏, 质量控制压力较大;另一方面, 笔者借鉴日本和我国台湾地区在外挂墙板设计方面的经验, 考虑到外挂墙板与主体结构连接节点在使用过程中很难进行维护和保养, 为提高连接节点的耐久性能和可靠性, 其连接节点所采用的预埋件、节点连接件等均采用厚度较大的钢板, 板厚均在20～25mm以上;而实践经验证明, 采用此构造要求不会对工程造价产生较大影响, 但可有效提升外挂墙板工程的质量和耐久性能。

　　 因此, 本文建议节点设计尽量满足罕遇地震作用下不屈服的目标, 即建议连接节点在罕遇地震作用下的承载力验算满足式 (3) 和式 (4) 的要求:

　　 $\begin{array}{l}S{}_{\text{G}\text{E}}+S{}_{\text{E}\text{h}\text{k}}^{*}\le R{}_{\text{k}}(3)\\ S{}_{\text{G}\text{E}}+S{}_{\text{E}\text{v}\text{k}}^{*}\le R{}_{\text{k}}(4)\end{array}$

　　 式中:S_GE为重力荷载代表值的效应;S^*_Ehk为水平地震作用标准值的效应;S^*_Evk为竖向地震作用标准值的效应。

　　 在计算地震作用标准值过程中, 参考抗规对非结构构件功能系数γ的取值, 对丙类建筑可取1.0, 对乙类建筑可取1.4;非结构构件类别系数η可取1.0;状态系数与位置系数不变。因此罕遇地震作用下外挂墙板连接节点承载力验算时, 丙类建筑地震作用动力放大系数β_E建议取1.0×1.0×2.0×2.0=4.0, 乙类建筑地震作用动力放大系数β_E建议取1.4×1.0×2.0×2.0=5.6。

　　 本文参考日本AIJ协会标准JASS14^[5], 并结合荷载规范, 将外挂墙板与主体结构连接用节点连接件的受力情况汇总为以下荷载工况:1) 重力作用和竖向地震作用;2) 面内水平地震作用;3) 面外水平风荷载和面外地震作用。

　　 当外挂墙板受重力和竖向地震作用时, 由于平移式点支承外挂墙板在地震作用下不发生旋转, 两个竖向承重节点均受力, 所以平移式外挂墙板受力情况如图2所示, 由重力和竖向地震作用引起的节点竖向反力标准值可轻松由静力分析方法得到, 即式 (5) 和式 (6) :

　　 $\begin{array}{l}R{}_{\text{v}\text{b}}={\rm N}b{}_2/(b{}_1+b{}_2)(5)\\ R{}_{\text{v}\text{c}}={\rm N}b{}_1/(b{}_1+b{}_2)(6)\end{array}$

　　 式中:R_vb为平移式外挂墙板中节点b的面内竖向力标准值;R_vc为平移式外挂墙板中节点c的面内竖向力标准值;N为重力和竖向地震作用;b₁为节点b离墙板重心的水平距离;b₂为节点c离墙板重心的水平距离。

　　 图2 竖向作用下平移式外挂墙板受力情况

　　 对于旋转式点支承外挂墙板, 当墙板仅承受重力和竖向地震作用时, 各支承节点的受力与平移板类似, 墙板不发生旋转, 如图3 (a) 所示, 各竖向承重节点均受力, 所以节点的反力标准值也参照式 (5) 和式 (6) 计算。但在水平地震作用或风荷载的组合工况下 (图3 (b) ) , 该类型的墙板将旋转, 造成墙板仅一个节点承受竖向荷载作用的情况;同时由于单节点竖向力与重心不在一条直线上, 所以会产生相应的水平反力。因此, 当考虑有水平地震作用或风荷载参与的组合工况时, 重力荷载与竖向地震作用下各支承节点的反力标准值建议按式 (7) 和式 (8) 进行计算:

　　 $\begin{array}{l}R{}_{\text{v}\text{b}}=R{}_{\text{v}\text{c}}={\rm N}(7)\\ R{}_{\text{h}\text{a}}=R{}_{\text{h}\text{b}}=\frac{{\rm N}\cdot \max (b{}_1,b{}_2)}{(h{}_1+h{}_2)}(8)\end{array}$

　　 式中:R_ha为旋转式外挂墙板中节点a的面内水平力标准值;R_hb为旋转式外挂墙板中节点b的面内水平力标准值;h₁为节点a离墙板重心的竖向距离;h₂为节点b离墙板重心的竖向距离。

　　 图3 竖向作用下旋转式外挂墙板受力情况

　　 另外, 需注意的是, 垂直外挂墙板方向 (图4) , 由重力和竖向地震作用引起的节点力标准值受到竖向偏心e_y的影响, 将产生垂直面外方向的受力, 该力的大小可以由式 (9) 和式 (10) 计算:

　　 $\begin{array}{l}{\rm H}{}_{\text{a}}={\rm H}{}_{\text{b}}={\rm N}(e{}_{\text{y}}+e{}_0)\frac{b{}_2}{(b{}_1+b{}_2)(h{}_1+h{}_2)}(9)\\ {\rm H}{}_{\text{c}}={\rm H}{}_{\text{d}}={\rm N}(e{}_{\text{y}}+e{}_0)\frac{b{}_1}{(b{}_1+b{}_2)(h{}_1+h{}_2)}(10)\end{array}$

　　 式中:H_a, H_b, H_c, H_d分别为外挂墙板中节点a, b, c, d的垂直面外水平力标准值;e_y为外挂墙板面外的偏心距;e₀为外挂墙板施工误差。

　　 图4 垂直外挂墙板方向受力情况

　　 在面内水平地震作用下, 对于平移式外挂墙板, 水平地震作用由一个支承点承担, 其余点均不承担。这个支承点与重心在水平方向不重合, 造成了水平地震作用下竖向承重点的受力 (图5) 。因此, 建议参照式 (11) ～ (13) 进行计算:

　　 $\begin{array}{l}R{}_{\text{h}\text{b}}=F{}_{\text{E}\text{Κ}}(11)\\ R{}_{\text{v}\text{b}}=F{}_{\text{E}\text{Κ}}h{}_1/(b{}_1+b{}_2)(12)\\ R{}_{\text{v}\text{c}}=-F{}_{\text{E}\text{Κ}}h{}_1/(b{}_1+b{}_2)(13)\end{array}$

　　 图5 面内水平地震作用下平移式外挂墙板受力情况

　　 对于旋转式外挂墙板, 水平地震作用由上下两个支承点承担。这两个支承点的合力与重心在一条水平线上, 竖向承重点不受力 (图6) 。因此上下两个支承点的反力建议根据式 (14) 和式 (15) 进行计算:

　　 $\begin{array}{l}R{}_{\text{h}\text{a}}=F{}_{\text{E}\text{Κ}}h{}_1/(h{}_1+h{}_2)(14)\\ R{}_{\text{h}\text{b}}=F{}_{\text{E}\text{Κ}}h{}_2/(h{}_1+h{}_2)(15)\end{array}$

　　 图6 面内水平地震作用下旋转式外挂墙板受力情况

　　 同样, 需注意的是, 在垂直于外挂墙板方向, 节点受力同样受到了面外偏心e_y的影响 (图7) , 即在面内的水平地震作用下产生了面外的水平节点力, 见式 (16) , (17) :

　　 $\begin{array}{l}{\rm H}{}_{\text{a}}={\rm H}{}_{\text{d}}=F{}_{\text{E}\text{Κ}}(e{}_{\text{y}}+e{}_0)\frac{h{}_1}{(b{}_1+b{}_2)(h{}_1+h{}_2)}(16)\\ {\rm H}{}_{\text{b}}={\rm H}{}_{\text{c}}=F{}_{\text{E}\text{Κ}}(e{}_{\text{y}}+e{}_0)\frac{h{}_2}{(b{}_1+b{}_2)(h{}_1+h{}_2)}(17)\end{array}$

　　 图7 面内水平地震作用下垂直外挂墙板方向受力情况

　　 外挂墙板与主体结构采用点支承连接时, 在垂直外挂墙板平面的风荷载、地震作用下, 考虑外挂墙板的面外支承点有可能不全部受力, 所以建议反力宜按可能的三点支承板分别计算, 并取包络值确定, 计算时建议计入荷载面内和面外偏心的影响。 

　　 除了节点力计算之外, 预制混凝土外挂墙板的节点设计尚包括节点变形能力的设计, 这是预制混凝土外挂墙板区别于幕墙的一大显著特点。下面首先分析节点变形能力设计的影响因素。

　　 由于预制混凝土外挂墙板的面内、面外刚度较大, 所以在风荷载和地震作用下, 若所有节点均固定则外挂墙将难以避免地对主体结构的刚度、承载力产生影响, 外挂墙板与连接节点也易于发生破坏, 难以保证大震不脱落的性能目标。因此, 外挂墙板除固定节点之外, 其余节点均需与主体结构有一定的相对位移。在温度作用下, 外挂墙板热胀冷缩, 所以连接节点与主体结构也宜存在一定的相对位移, 否则外挂墙板的连接节点尚需考虑温度作用对连接节点、对墙壁的不利影响, 并将大大增加预制混凝土墙板的内力和配筋, 增加拉结件、连接件的截面。在竖向荷载作用下, 外挂墙板应适应相应主体结构支承构件的变形, 否则将会影响主体结构支承构件的受力状态, 同时在外挂墙板构件内形成不必要的应力。

　　 所以, 外挂墙板连接节点与主体的相对变形需要精细设计并采取相关措施保证。笔者建议从以下两个方面解决外挂墙板节点与主体结构的相对变形:提升节点适应变形的能力和适当限制主体结构支承构件的变形。前者为节点变形能力设计的内容, 后者则为节点对主体设计的要求;主体设计合理时可减少节点变形能力的需求, 当主体设计不合理时则会增加节点变形能力的需求, 节点的变形能力设计与主体相关构件的设计是紧密相关的。

　　 风荷载和地震作用情况下, 节点适应相对变形的能力要求可参考装配式标准中的相关规定, 即取主体结构在设防烈度地震作用下弹性层间位移的3倍作为节点滑移量的控制指标, 此处不再赘述。温度作用下, 建议计算墙板的热胀冷缩变形, 根据节点的布置分析墙板的变形特点, 从而得到每个节点的变形需求。恒活荷载作用下的墙板与主体相对变形可主要通过限制主体结构支承构件的变形来实现, 当相对变形过大时节点变形设计也需考虑此项的变形需求。

　　 应特别注意的是, 在点支承外挂墙板工程施工过程中, 应对支承节点处进行必要的保护, 避免后浇混凝土或装修施工造成连接节点处的变位装置被固定死, 使得外挂墙板无法适应主体结构的变形需求。以往工程中出现过此类施工质量问题, 会严重影响到外挂墙板在持久设计状况和地震设计状况下的安全性, 对此问题应引起足够的重视。

　　 恒、活荷载作用下, 造成主体结构支承构件变形的因素主要包括安装墙板前的恒荷载、墙板自重、安装墙板后的恒、活荷载;前两种因素对外挂墙板的安装精度、难度影响较大;而外挂墙板安装完成投入使用之后的恒活荷载将减小连接节点的变形裕量。相邻层相对变形较大时, 除减小节点变形裕量外还减小了水平接缝的缝宽。

　　 建议根据支承构件的竖向变形选用不同支承形式的外挂墙板支承系统, 同时建议控制主体结构支承构件的竖向变形和相邻层的竖向变形差。当支承外挂墙板的支承构件变形较大时, 应对连接节点变形需求进行定量的分析计算并采取相应的措施, 如提高相应主体结构构件的抗扭刚度和抗弯刚度等;否则应相应提升节点适应相对变形的能力。当相邻层主体变形差异较大时尚应考虑对接缝缝宽的影响。

　　 美国PCI手册^[6]针对不同荷载工况下支承梁的变形限值给出了较为具体的要求 (表1) , 该要求可以作为设计人员设计时的参考。

　　 本文立足于外挂墙板需要满足的性能目标要求, 主要以外挂墙板中应用较为广泛的点支承外挂墙板为研究对象, 对外挂墙板与主体结构的连接节点进行了较全面的分析, 得到如下结论:

　　 (1) 分析了计算节点时外挂墙板的水平地震作用标准值计算方法, 从实际设计与施工水平出发建议节点在罕遇地震下不屈服, 并基于抗震规范给出了相应的地震作用动力放大系数。

　　 (2) 针对三类不同荷载工况, 包括重力和竖向地震作用、面内水平地震作用、面外水平风荷载和面外地震作用, 推导了点支承外挂墙板与主体结构连接节点的计算公式。

　　 (3) 应注意计入面内与面外方向偏心造成的影响, 特别注意面外偏心将产生与荷载方向不同的节点反力。

　　 (4) 重力荷载和竖向地震作用下旋转式外挂墙板考虑水平荷载的组合与不考虑水平荷载的组合下反力计算公式不同。

　　 (5) 分析了节点变形能力设计的原因与需考虑因素, 分析了主体支承构件设计对节点变形能力设计的影响并对支承构件的变形提出了控制建议。