装配式轻质墙体设计方法研究

作者：刘宜丰雷雨毕琼赵广坡

单位：中国建筑西南设计研究院有限公司四川省钢木结构装配式建筑产业技术研究中心

摘要：随着装配式建筑的推广,装配式轻质墙体将大量使用。在梳理各类装配式轻质墙体物理力学性能的基础上,基于条板通用技术条件中的抗弯破坏荷载限值要求,提出了装配式轻质墙体在面外荷载作用下的设计计算方法及连接节点设计方法;基于22片5种轻质墙板在不同高度、不同连接方式以及不同拼缝填料强度条件下的低周反复荷载试验结果,提出了装配式轻质墙体的连接构造措施。以上装配式轻质墙体的计算方法和连接构造要求,均已反映在即将发行的地方标准《四川省装配式轻质墙体技术标准》中,标准的发行必将进一步促进装配式轻质墙体的推广应用。

关键词：装配式轻质墙体轻质条板连接构造

作者简介：刘宜丰,硕士,教授级高级工程师,Email:Lyf0142@163.com；雷雨,硕士,高级工程师,Email:20985622@qq.com。
基金：国家重点研发计划课题(2019YFD1101001); 四川省科技支撑计划项目(2020YFS0061); 中国建筑西南设计研究院有限公司重点课题(R-2018-02-S-A-2019)。 -页码-：124-128

0 引言

　　中国属于地震多发区,设计中建筑主体结构的抗震得到了充分的重视,国家和地方均编制有相关的规范、规程及技术标准等。而对于主体围护结构及填充墙体的重视程度却不足。

　　四川省较多区域位于抗震设防高烈度区,2008年汶川地震以后,部分国家、地方标准根据震害经验做了局部修订,按新标准设计的主体结构抗震性能有了进一步提高。在随后的2013年芦山地震以及2017年九寨沟地震时,经过新规范设计的结构主体表现出了良好的抗震性能,而主体围护结构及填充墙体等非结构构件破坏却没有明显改善,主体围护结构坍塌所造成的伤人事故仍屡见不鲜。随着我国经济的持续发展与经济水平的进一步提高,主体围护结构及填充墙体的抗震性能也引起了越来越多的关注。

　　《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[1]及《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339—2015) ^[2]中虽对非承重砌体墙构造有较明确的规定,但在高烈度地区,地震影响系数大,普通非承重砌体墙质量大,由其造成的地震作用增加明显,同时因墙体自身刚度对结构的贡献不易估计,从而造成在地震时墙体破坏无明显规律,加大了非承重砌体填充墙的震害控制难度。装配式轻质墙体相较于普通砌体墙有着质量更轻、地震作用更小的优势,其装配方式更加灵活,尤其适合装配式建筑,但国内现有轻质墙体规范、规程、四川省的轻质墙体地方标准及相关研究中,一方面针对轻质墙体结构设计,尚无明确的计算方法; 另一方面,将轻质墙体适用范围限定在设防烈度8度及8度以下的地区,而在四川,除有西昌、康定2个9度抗震设防区外,还有都江堰市、平武县、石棉县等28个市县属于8度抗震设防区。9度区及8度区的重点设防类建筑,墙体结构构造均需按9度进行设计,导致轻质墙体在高烈度区的应用受规范、规程阻碍,严重影响了轻质墙体的推广应用。随着我国建筑业转型升级、人口结构变化、环保需求凸显,装配式建筑的进一步推广势在必行。完善装配式轻质墙体的设计计算方法、拓展其应用范围并形成相应的标准体系,必将有效促进装配式建筑的发展。

　　本文重点从装配式轻质墙体的面外设计验算过程以及墙体平面内的受力性能方面进行介绍,此部分内容将反映在即将发行的地方标准《四川省装配式轻质墙体技术标准》中。

1 轻质墙体平面外设计

1.1 轻质墙体所受风荷载与地震作用

　　当轻质墙体用于外围护墙体时,风荷载应按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)的规定计算,同时参考《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102—2003),风荷载标准值不应小于1.0kN/m²。

　　典型轻质墙体示意如图1所示。地震作用计算参考《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339—2015) ^[2],采用等效侧力法,按照式(1)计算。

　　 $q_{E k} = γ η ζ_{1} ζ_{2} α_{\max} G_{k} / A (1)$ $q_{E k} = γ η ζ_{1} ζ_{2} α_{\max} G_{k} / A (1)$

　　式中:q_Ek为沿最不利方向作用于墙体的均布水平地震作用标准值; γ为非结构构件功能系数,功能级别为一、二、三级时,分别取1.4,1.0,0.7; η为非结构构件类别系数,按表1采用; α_max为水平地震影响系数最大值; G_k为所计算墙体的重力荷载标准值; A为所计算墙体面积; 其余参数可按照规范取值。

　　图1 典型轻质条板墙体示意图

　　考虑外围护墙、楼梯间等逃生通道隔墙以及天井隔墙连接件的重要性,参考《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》(JGJ/T 458—2018),连接件设计时水平地震影响系数按设防地震取值,其余墙体连接件可按多遇地震取值。

　　 墙体及连接件的类别系数和功能级别表1

构件、部件名称		类别系数	功能级别
构件、部件名称		类别系数	甲类建筑	乙类建筑	丙类建筑
非承重外墙	围护墙	1.0	一级	一级	二级
非承重内墙	楼梯间等逃生通道隔墙	1.2	一级	一级	一级
	电梯间隔墙	1.2	一级	二级	三级
	天井隔墙	1.2	一级	二级	二级
	到顶防火隔墙	0.9	一级	二级	二级
	其他隔墙	0.6	二级	三级	三级
连接件	墙体连接件	1.2	一级	一级	二级
连接件	饰面连接件	1.0	二级	二级	二级

1.2 墙体设计

　　现行《建筑轻质条板隔墙技术规程》(JGJ/T 157—2014) ^[3]中第3.2.1条指出条板应符合现行行业标准《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》(JG/T 169—2016) ^[4](以下简称《通用技术要求》)的有关规定。《通用技术要求》中,强度检测与条板长度及在结构中所处位置无关,但由式(1)可知,墙体所受地震作用与地震烈度、单位面积重量以及墙体在结构中所处位置均有关系,设计中应反映相关变量。根据《通用技术要求》规定,墙体抗弯破坏荷载(跨度为2.4m定值)不应小于墙体自重的1.5倍或者2倍。根据实际墙体跨中弯矩与《通用技术要求》第7.4.2条中抗弯破坏荷载对应弯矩相等的原则,得到式(2):

　　 $\frac{1}{8} q_{e q} (2.4 - 0.1)^{2} = \frac{1}{8} q_{E} Η^{2} (2)$ $\frac{1}{8} q_{e q} (2.4 - 0.1)^{2} = \frac{1}{8} q_{E} Η^{2} (2)$

　　其中等效荷载为:

　　 $\begin{array}{l} q_{e q} = (\frac{Η}{2.3})^{2} \cdot q_{E} (3) \\ q_{e q} \leq Q_{r} (4) \end{array}$ $\begin{array}{l} q_{e q} = (\frac{Η}{2.3})^{2} \cdot q_{E} (3) \\ q_{e q} \leq Q_{r} (4) \end{array}$

　　式中:q_E为垂直于墙体的水平作用组合设计值; H为墙板长度; q_eq为墙板等效水平荷载; Q_r为抗弯破坏荷载,当墙厚≤150mm时,抗弯破坏荷载不应小于1.5倍自重,当墙厚>150mm时,抗弯破坏荷载不应小于2.0倍自重。

　　当仅考虑地震作用时,根据式(1)～(4)计算常用层高、不同地震烈度下,丙类建筑一般内隔墙的等效水平荷载与墙体自重比值结果见表2,其与层高关系曲线如图2所示。

　　 一般内隔墙墙体等效水平荷载与自重比值表2

层高 /m	等效水平荷载/自重
层高 /m	6度 (0.05g)	7度 (0.1g)	7度 (0.15g)	8度 (0.2g)	8度 (0.3g)	9度 (0.4g)
2.4	0.10	0.19	0.29	0.38	0.57	0.76
3	0.15	0.30	0.45	0.59	0.89	1.19
3.15	0.16	0.33	0.49	0.66	0.98	1.31
3.3	0.18	0.36	0.54	0.72	1.08	1.44
3.6	0.21	0.43	0.64	0.86	1.28	1.71
3.9	0.25	0.50	0.75	1.00	1.51	2.01
4.2	0.29	0.58	0.87	1.17	1.75	2.33
4.8	0.38	0.76	1.14	1.52	2.28	3.04
5.1	0.43	0.86	1.29	1.72	2.58	3.44
5.4	0.48	0.96	1.44	1.93	2.89	3.85
5.7	0.54	1.07	1.61	2.15	3.22	4.29
6	0.59	1.19	1.78	2.38	3.57	4.76

　　图2 一般内隔墙等效水平荷载与自重比值和层高对应关系图

　　由图2可知,当墙厚不小于150mm时,在满足《通用技术要求》的情况下,烈度8度(0.20g)区,层高理论上能做到5.4m;烈度8度(0.30g)区,能做到4.2m;烈度9度区,能做到3.6m。从图表中也能看出,在烈度8度及以下地区,《通用技术要求》中对于一般内隔墙抗弯破坏荷载与墙体自重的比值为1.5～2倍的要求仍然适用,而烈度9度时若仍用这个比值,则层高会受到一定限制。

　　同理,将轻质墙体用于外围护非承重墙体,根据式(1)～(4)计算墙体等效水平荷载与自重比值,结果见表3,其与层高关系曲线见图3。同样由图3可知,当墙厚不小于150mm时,在满足《通用技术要求》的情况下,不考虑风荷载作用时,烈度8度(0.20g)区,层高理论上能做到3.3m; 烈度8度(0.30g)区、9度区,仅能做到2.4m。如需提高条板墙体可安装高度,则需增大《通用技术要求》中抗弯破坏荷载与自重比值,或增加可提供墙体侧向支承的圈梁。

　　 外围护非承重墙体等效水平荷载与自重比值表3

层高 /m	等效水平荷载/自重
层高 /m	6度 (0.05g)	7度 (0.1g)	7度 (0.15g)	8度 (0.2g)	8度 (0.3g)	9度 (0.4g)
2.4	0.23	0.45	0.68	0.91	1.36	1.81
3	0.35	0.71	1.06	1.42	2.12	2.83
3.15	0.39	0.78	1.17	1.56	2.34	3.12
3.3	0.43	0.86	1.28	1.71	2.57	3.43
3.6	0.51	1.02	1.53	2.04	3.06	4.08
3.9	0.60	1.20	1.79	2.39	3.59	4.78
4.2	0.69	1.39	2.08	2.77	4.16	5.55
4.8	0.91	1.81	2.72	3.62	5.44	7.25
5.1	1.02	2.05	3.07	4.09	6.14	8.18
5.4	1.15	2.29	3.44	4.59	6.88	9.17
5.7	1.28	2.55	3.83	5.11	7.66	10.22
6	1.42	2.83	4.25	5.66	8.49	11.32

　　图3 外围护非承重墙体等效水平荷载与自重比值和层高对应关系图

1.3 连接件设计

　　条板类轻质墙体的连接件优先考虑U形卡件,其计算简图见图4。

　　图4 连接件计算简图

　　用垂直于墙体的水平作用组合设计值q_E乘以墙板长度H和宽度得到端部集中力F后,按照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017),正应力σ_M、剪应力τ应按照式(5)～(7)计算:

　　 $\begin{array}{l} σ_{Μ} = \frac{6 F a}{b t^{2}} \leq f (5) \\ τ = \frac{F}{b t} \leq f_{v} (6) \\ \sqrt[]{σ_{Μ}^{2} + 3 τ^{2}} \leq 1.1 f (7) \end{array}$ $\begin{array}{l} σ_{Μ} = \frac{6 F a}{b t^{2}} \leq f (5) \\ τ = \frac{F}{b t} \leq f_{v} (6) \\ \sqrt[]{σ_{Μ}^{2} + 3 τ^{2}} \leq 1.1 f (7) \end{array}$

2 轻质墙体平面内受力性能研究

　　随着近几年装配式建筑的发展,轻质墙体企业也迅速崛起,各类型轻质墙板应运而生。目前工程中常用的有蒸压加气混凝土板(ALC板)、改性石膏隔墙板、菱镁板、灰渣板及硅酸盐聚苯颗粒水泥复合板等。近年来也有一些轻质墙板的试验以及分析,但重点均为轻质墙体对主体结构的影响以及连接件的破坏研究 ^{[5,6,7,8,9,10,11]}。为了解各类轻质墙体地震作用下的工作性能,本文选取挤塑成型水泥墙板6片、镁水泥胶凝锯末组合空心墙板6片、改性石膏轻质墙板4片、钢钙秸秆实心墙板4片、纤维水泥复合墙板2片等5种墙体,共22片墙,进行了低周往复荷载试验。通过调整板竖缝粘接材料强度、墙体与试验框架的缝隙宽度、钢夹片固定位置以及不同的安装工艺来测试墙体的抗震性能。墙体试件加载与测点布置见图5。

　　试验发现,将墙体与主体框架间缝隙用粘接或勾缝材料填实时,墙体在达到层间位移角1/550时,无开裂情况; 当层间位移角达到1/250时,部分墙体有轻微裂缝,如粘接材料强度不低于墙体材料强度时,表现为墙体角部压裂; 如粘接材料强度低于墙体材料强度时,表现为拼缝处开裂; 当层间位移角达到1/50时,墙体开裂较严重,如粘接材料强度不低于墙体材料强度时,表现为墙体斜向或水平贯通裂缝,如图6所示; 粘接材料强度低于墙体材料强度时,表现为拼板板缝开裂,板上裂缝非常细微(图7),以及条板角部轻微压碎(图8),墙体均保持完整无垮塌迹象(除一片90mm厚墙体在拆除过程中断裂外)。

　　图5 墙体试件加载及测点布置示意图

　　图6 破坏时墙体裂缝

　　图7 破坏时墙体拼缝处破坏

　　图8 墙体角部压碎

　　图9 墙体少量贯穿裂缝图

　　图10 墙体拼缝处裂缝及条板水平裂缝图

　　图11 墙体拼缝处裂缝图

　　图12 墙体角部裂缝图

　　当将墙体与主体框架间缝隙在安装时控制在不小于20mm时,墙体达到层间位移角1/250时,墙体均能保持完整,仅在墙体与边框交界处灰缝开裂; 随着层间位移角进一步增加,墙体整体开始出现滑移,当墙体层间位移角达到1/50且粘接材料强度不低于墙体材料强度时,墙体有少量贯穿裂缝如图9所示,拼缝处开裂,墙体四周角部压碎; 当墙体层间位移角达到1/50且粘结材料强度低于墙体材料强度时,墙体拼缝处开裂并伴随少量条板水平裂缝如图10,11所示,墙体四周角部有局部开裂情况如图12所示。墙体均保持完整无垮塌迹象。综合5类轻质墙体的低周往复荷载试验,结构设计时轻质墙体的抗震性能目标可按“小震不裂、大震不塌”的原则进行设计。

　　墙体平面外按本文第1节的相关要求进行设计; 墙体平面内拼缝连接材料强度不宜高于墙体材料强度,且对层间位移角较大的比如钢框架结构体系亦或高烈度地区(8度及以上),墙体与主体结构间留出不小于20mm的间隙,墙板夹具尽量避免安装在墙板角部。采取以上设计措施后,装配式轻质墙体即便在9度抗震设防区,也较易实现前述抗震性能目标。

3 结论

　　 (1)基于《通用技术要求》定义的轻质条板抗弯破坏荷载,并结合《非结构构件抗震设计规范》(JGJ 339—2015)相关要求,提出了装配式轻质墙体平面外设计计算方法及计算公式。

　　 (2)按本文墙体平面外承载力设计计算方法,分析了轻质内隔墙和轻质外围护非承重墙体抗弯破坏荷载与层高的关系,证实只要将墙板抗弯破坏荷载与自重比值适当提高,轻质条板墙体也可适用于9度抗震设防区。

　　 (3)基于5类轻质条板22片墙体的低周往复荷载试验,证实了墙体与主体结构间隙、墙板拼缝连接材料强度、墙板夹具位置等均会明显影响轻质墙体地震下的裂缝开展。本文提出了墙板拼缝连接材料强度不宜高于墙体材料强度、墙板上下端夹具夹持墙板中部等不同于既往墙板设计构造的墙板设计新观点。同时针对8度及以上高烈度区以及诸如钢框架等主体结构层间位移角较大的结构,建议墙板与主体结构间采用柔性连接并留置不小于20mm间隙。

　　 (4)根据22片墙体的低周往复荷载试验结果,提出了轻质墙体“小震不裂、大震不塌”的抗震设计性能目标,并且按本文所述进行墙体平面内及平面外设计,即便在9度抗震设防区,轻质墙体也较易实现上述性能目标。

　　 (5)按照本文设计方法可将轻质墙体适用范围拓展到9度抗震设防区以及8度区重点设防类建筑中。

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Design method research of prefabricated light-weight wall

LIU Yifeng LEI Yu BI Qiong ZHAO Guangpo

(China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd. Sichuan Industrial Technology Research Center for Prefabricated Steel & Timber Constructions)

Abstract: With the popularization of prefabricated buildings, the application of prefabricated light-weight walls will also increase. On the basis of combing the physical and mechanical properties of all kinds of prefabricated light-weight walls, based on the requirements of bending failure load limit in the general technical conditions of panels, the design method of prefabricated light-weight walls and the connector nodes under the external load were proposed. According to the low cyclic reversed loading test results of 22 pieces of 5 kinds of light-weight slats with different heights, different connection methods and different joint-filler strength, the construction measures of prefabricated light-weight wall was proposed. The above design methods and connection requirements of prefabricated light-weight wall have been edited in the forthcoming local standard “Technical standard for prefabricated light-weight wall in Sichuan Province”, the release of the standard will surely further promote the popularization and application of prefabricated light-weight walls.

Keywords: prefabricated light-weight wall; light-weight panel; connection construction

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