自保温混凝土叠合承重墙结构体系研究.pdf

江苏建筑 2 0 1 0年第 1 期 总第 1 3 2期 自保温混凝土叠合承重墙结构体系研究 杨 小冬 ． 陈 忠范 东南大 学混凝 土及预应 力混凝 土结构教 育部 重点 实验室 ， 江苏南京2 1 0 0 9 6 [ 摘 要】 自 保温混凝土叠合承重墙可以解决长期存在的传统建筑外墙保温的难题。这种墙体通过内贴保温层 聚苯板 的 混凝土预制板 ． 再和现浇混凝土柱连接而成。该墙体具有整体性好、 施工快、 保温隔热性好等特性。在弹性阶段， 预制板和 隐 形框架可很好 的协 同工作， 形成一个整体 ； 弹塑性 阶段 ， 预制板 随着裂缝的开展 而逐步退 出_Y - 作 ； 墙体 最后退化为 由预制板 边肋和隐形框架组成的密柱 叠合框架 预制板和隐形框 架两者可形成两道抗震设防。 因此 自保 温混凝土叠合承 重墙体具有 较大的承栽力、 良好 的抗震性能和延性。 『 关键 词1 混凝土叠合承重墙； 预制板； 延性； 隐形框架 【 中图分类号] T U 3 5 2 ． 5 9 [ 文献标识码1 A[ 文章编号] 1 0 0 5 6 2 7 0 2 0 1 0 0 1 0 0 2 4 一 O 2 S t u d y o n I n s u l a t i ng Co n c r e t e Co mpo s i t e Be a r i n g W a l l S t r u c t u r e S ys t e m YANG Xi a o do ng CHEN Zh o n g f a n K e y L a b R C P C S t r u c t u r e o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a Ab s t r a c t T h e l o n g - s t a n d i n g p r o b l e m o f t h e e x t e r n a l wa l l t h e r ma l i n s u l a t i o n o f t h e b u i l d i n g c a n b e s o l v e d b y t h e c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a r i n g w a l l s t r u c t u r e s y s t e m． T h e w a l l ma i n l y i s c o mp o s e d o f p r e f a b r i c a t e d s l a b s w i t h p o l y s t y r e n e i n s i d e a n d c o n t a c t fr a me wo r k i s t h e ma i n s t r e n g t h c o mp o n e n t o f t h e c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ti n g wa l l ho u s i n g ．T he wa l l h a s g o o d h o l i s t i c c a pa bi l i t y ，s wi f t c o ns t r u c t i n g a nd g o o d e n e r g y s a v i n g c a pa bi l i t y ．I n t h e e l a s t i c s t a g e ， t he p r e f a b r i c a t e d b o a r d a n d fla me c o u l d wo r k i n c o o r d i n a t i o n v e r y we l l ； I n t h e e l a s t i c -p l a s t i c s t a g e ， p r e f a b ric a t e d s l a b s g r a d u a l l y q u i t wo r k ； T wo s e i s mi c f o r t i fic a t i o n s c a n be f o r me d b y t h e m． I t i s s h o wn t ha t t h e wa l l h a d g o o d l o a d -c a r r y i n g c a p a c i t y ，s e i s mi c b e ha v i o r a n d du c t i l i t y ． Ke y wo r d s c o n c r e t e c o mpo s i t e b e a tin g wa l l ；p r e f a b r i c a t e d b o a r d ；du c t i l i t y ；s t e a l t h y f r a me 0前 言 近几年住宅建筑采用 的节能设计多采用外墙外保温技 术 ， 其保温材料多层砖 混住宅 以浆体材料为主， 高层住宅建 筑用有机发泡板材居多。 从隔热保温的效果上讲 ， 发泡板材 要 比浆体材料好 ； 价格方面 ， 浆体材料要低 。为了保证与墙 体的可靠粘结 。 解决保温材料与饰 面材料的有效结合 ， 两者 均需耗用大量的粘合材料 、 防渗 防裂材料和拉锚器材 ， 因此 这两种保温方法均价格不菲。 由于粘合层 、 防渗防裂层和拉 锚构造 的寿命仅 在 1 5年左右 ， 所 以外墙外保温体系 的安全 性和耐久性 日益 引起人们的焦虑。住宅建筑外墙 内保温 的 技 术 ． 虽也采用过 ， 因存在着隔热保温效果差 ， 占用 使用空 间， 在室 内装修时易于损坏等缺点 ， 早在 2 0 0 4年 已被建 设 部 限制使用。 国内还有一种 自保温混凝 土技术 ， 是采用加气 混凝土砌块 、轻骨料混凝土砌块等有孔洞的混凝土墙体材 料 ． 以达到保温 目的。但此种墙体的强度比较低 ， 抗裂性能 不好 ， 墙体会 出现开裂 现象 ， 保温性能还未达 到理想要求 ， 以上因素限制了其批量生产使用。 自保温混凝土叠合墙承重结构体 系是一种新型节能建 筑结构体系 ， 这种体系将主体结构 、 围护结构和隔热保 温措 施融 为一体 ，以高性能 的混凝土材料 和高效率的有机 泡塑 材料 为主 ， 对现有 的房屋结构体系进行变革 ， 吸纳复合 、 叠 合 、 预应力 、 大模板等多项先进技术 。该体系兼有结构 承重 和建筑节 能两重功能 ， 符合建 筑节能 、 建筑工业化 、 墙体革 新等产业方 向。 1 墙体 组成 混凝土叠合承重墙 由混凝土预制板 槽形板 、 L形板 和现浇混凝土框架 竖肋 、 端柱和连梁 组 成， 预制板与框架 协同工作 ，共同承担水平及竖向荷 载．肋柱和相邻预制板 槽 形板或 L形板 的边肋可构成混凝土叠合柱。两排槽形 板和 L形板相向错位排列 ， 使得复合层可以完全切断冷、 热 桥 ， 端柱 的两侧或外 侧可设 置隔热保 温层 ， 以切断冷 热 桥 ；槽形板 的宽度为 8 0 0 mm l 8 0 0 m i l l 。 L形板 的宽度 为 3 0 0 am～1 0 0 0 I n n， 高度 为 9 0 0 mm～ 4 5 0 0 mi l l 。 【 收稿日 ] 2 0 0 9 ． 0 8 ． 2 4 [ 作者简介】 杨 小 冬 ， 东 南 大 学 混 凝 土 及 预 应 力 混 凝 土 结 构 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 硕 士 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 0年第 1 期 总第 1 3 2期 槽 垂 扳 肋 拄 儡 漫 楹 脑 柱 型 羞 图 l 混凝土叠合承重墙构造 图 磴 蛊兰 蒋 n 型 塑迪 图 2 混凝土叠合承重墙平面 图 竖 肋上 、 下端与连梁连接 ， 使得 每一 片承重墙 的竖肋连 成一体 。 共 同受力 ； 每片墙体 的两端均设 置端柱 ， 将相邻 的 若干墙体连接起来 ， 形成 整体。 连梁设 在楼 面水平处 与楼板连成一体 ， 可与悬挑构件 相连 当连梁位 于外墙 时 ， 可在其外侧加设隔热保温层I引 。 a 墙梁节点 b 承重墙转角节点 图 3 预 制板构造 图 图 4预 制 板 构 造 图 混凝土叠合承重墙 主要用 于多层 和中 、小高层混凝土 房屋的竖 向结构 ． 以取代砌体结构 和短 肢剪 力墙 结构 。 在形 式上 ． 混凝 土叠合承重墙受到 多孔板大板房屋墙板 的影响 ， 为带有矩形孔的板状构造 ， 以达 到减轻墙体 自重 的 目的。 在 结构上 ， 它沿袭 了剪力墙结 构的概念 ， 用 密排的肋柱 ， 跨高 比较小 的连梁再叠合预制墙板构成剪力墙 ，使之具有 良好 的抗震性能 。 2 叠 合 墙 抗 震 构 造 措 施 要将该墙体应用得到推广 ．墙体除 满足刚度和承载力 的要求外 ， 构造 必须符合 以下几个 主要 条件 ． 即 能够适用 于多层和小高层建筑 整体性好 ． 能在有抗震设防要求 的地 区应用 ； 可操作性 强 ， 易于实现机械化 和工厂化 ； 具有 良好 的适应性 ， 能够较好地满足建筑设计 的要求 。鉴 于此 ， 对墙 板提出如下要求和建议 1 墙 板类 型 单栋住宅预制墙板型号应控制在 l 5种以下 ． 每种类 型 墙板数量不 应小于 5 0块 ； 住 宅建筑 中 ． 影响墙板 型号 的主 要因素是户型的标准化、 平面的规则性及建筑模数。因此 ． 建筑师在考虑平面布置多样性 的同时 ．应对本结构体 系的 特 点 有 一 定 的 了 解 ， 这 样 会 起 到 事 半 功 倍 的 效 果 。 2 预制 板 尺寸 大 小 单块墙板宽度要适 当。 一般槽型板宽度为 1 2 0 0 mm左 右 ， 如果尺寸过大会造成运输和安装不方便 ， 同时承载力也 会下 降很 多。L型板尺寸为 6 0 0 m m左右 ， 端部约束柱距离 一 般不超过 4 8 0 0m m。 3 连接构造 预制板与现浇柱的连接 槽形板和 L形板边肋外侧 的 上 、 下 端 和 中 部 应 留有 宽 3 0 mm， 深 1 5 mm 的 键 槽 ， 上 、 下 端 各不少 于 2道 ， 中部不少于 3道 ， 键槽问距 2 0 0 mm， 在键槽 处应伸 出锚筋 ， 施工时锚人端柱或竖肋。 图 5预 制 板 与现 浇 柱 连 接 预 制 板 与 现 浇 楼 层 的 连 接 水 平 楼 层 梁 顶 部 预 留直 径 3 0 mm孔洞 ， 深度为 1 5 0 m m， 位 置与槽形 板或 L形 板下端 预 留锚筋 同。施工时在孔洞内填入灌浆料 ， 吊装预制板就位。 图 6楼 层 连 梁 顶 部 留 孔 布 置 图 图 7预 制 板 与 楼 层 连 梁 连 接 3叠 合 墙 性 能 优点 1 综合成本低 ， 可实现住宅工厂化施工 混凝土叠合承重墙体系 中．预制板充当现浇混凝土柱 的永久性模板 ， 并与现浇混凝 土梁柱叠 合一体 ， 施工完毕后 无须拆 除， 减少了施工工序 ， 缩短 了工期 ， 降低 了成本 ， 有利 于 一体化集成设 计 、 模 数化生产 、 安装 ； 有利于提 高房屋的 质量 ；有利于精确控制工期 ；工厂化预制和现场浇筑相结 合 ， 使 房屋 既施 工快 ， 整体性又好。 下转第 7 9页 i 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 0年第 1 期 总第 1 3 2期 7 9 性 状态 ， 其弹性模 量为 E1 3 e l 0 ， 下侧 进入塑 性状 态 ， 其 弹 性模量为 1 ． 5 e l 0 ， 柱 高 4 m． 受 Y方 向力的作用 。 本文对 其构件 的侧移 和伸长量进行 了计 算 ，且与实体有限元及刚 度 法 分 析 结 果 进 行 了结 比 ， 如 表 1所 示 。 表 l 计 算 结 果 的对 比 结果表明 ，本文采用的计算方法与实体有限元 法得 到 的计算结果符合 良好 ，不仅可 以考虑广义形心变化 对构 件 侧移刚度 的影响 ，而且可以准确 的计算构件在弯矩作用 下 的伸长量 。 3结论 钢筋混凝土梁柱构件 ． 由于组成 构件 材料 的复杂性 ， 在 构件进入开裂或弹塑性状态后 ．其 中性轴会不断地发生偏 移和扭转现象 。经典的刚度方法 ， 难 于不 断跟踪这 种变化 ， 而得到更为合理的计算结果 。 利用有限单元柔度法 ， 并给合 本文提 出的广义形心的概念 ， 可以方便地 解决 这一问题。 中性轴的偏移与转动 ，会对构件的侧移刚度产生一定 的影响 ， 同时还会使 构件 的计算 长度发 生变化 。 要对钢筋混 凝土杆系结构进行精细地分析 ，应该合理考虑构件开裂及 材 料 屈 服 过 程 中 中性 轴 偏 移 的影 响 。 参 考 文 献 [ 1 ] E n ri c o S p a c o n e ．F l e x i b i l i t y b a s e d f i n i t e e l e me n t m o d a l s f o r t h e n o n l i n e a r s t a t i c a n d d y n a mi c a n a l y s i s o f c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e s [ D ] ． U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a ， B e r k e l e y ， 1 9 9 4 ． [ 2 ] A n s g a r N e u e n h o r a n d F i l i p C ．F i l i p p o u ．E v a l u a t i o n o f N o n l i n e a r F r a m e F i n i t e E l e m e n t M o d e l s【 J 1 ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 7 ． 1 2 3 9 5 8 9 6 5 ． [ 3 ] A n s g a r N e u e n h o r a n d F i l i p C ． F i l i p p o u ． G e o m e t ri c a l l y N o n l i n e a r F l e x i b i l i t y b a s e d F r a me F i n i t e E l e m e n t[ J ] ． J o u rnal o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ． 1 9 9 8 ． 1 2 4 6 7 0 4 - 7 1 1 ． [ 4 ]4 B u l e n t N． A l e md a r a n d D o n a l d W． Wh i t e ． D i s p l a c e m e n t ， Fl e x i b i l i t y ， a n d Mi x e d Be a m- c o l u mn Fi ni t e e l e me nt Fo r mul a t i o n s f o r D i s t r i b u t e d P l a s t i c i t y A n a l y s i s [ J ] ． J o u rna l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g ． 2 0 0 5 ． 1 3 1 1 2 1 8 l 1 -1 8 1 9 ． f 5 ] 宋子康， 蔡文安． 材料 力学[ M] ． 上海 同济大学出版社． 上接 第 2 5页 f 2 1 节能保温效果好 ， 保 温材料维修周期长 由于将保温层 直接放在墙体 内部 ，避免 了外保温 中安 装麻烦 、 易脱 落、 寿命短等问题。 墙体内部可形成部分空腔 ， 故该墙体更容易达到节能标准 ， 改善 隔音 、 隔热 、 保 温性 能 ； 墙体外部不用再做保温层 ． 有利于二 次装 修 ． 且可使建筑结 构与保温措施有机结合起来 ，达到结构和保温材料 同寿命 的要求 ， 保温材料不用维修更换 ； 施工期短 ， 直接成 本 、 间接 成 本 低 。 f 3 1 抗 震性能提高 预制板 四边均 预留钢筋 与端柱 、肋柱 等现浇构件有效 锚 固连接 ； 墙体 内部 留有 空腔 ， 有效减轻墙 体 自重 ； 在预 制 板内力及联结计算 中综合考虑地震作用 、风荷载等相互之 间 的 影 响 。 课题前期通过对两种不 同构造形式 的混凝土叠合承 重 墙低周反复荷载试验 ，研究 了混凝土叠合承重墙的受力 全 过程 、 开裂部位 、 裂缝 发展情况 以及破坏形 态 ， 分 析 了墙体 的滞 回特性 、 延性 、 耗能能力 、 刚度退化 曲线等抗震 性能 ， 同 时考察了预制板与隐形框架共同工作性能 。 试验表明 混 凝 土叠合承重墙 在弹性阶段 ，预制板和隐形框架可很好 的协 同工作 ， 形成一个 整体 ； 弹塑性 阶段 ， 预制板随着 裂缝的开 展而逐步退出工作 墙体最 后退 化为由预制板边肋和隐形 框架组成的密柱叠合框架 ；预制板和隐形框架两者可形成 两道抗震设防。 墙体具 有较 大的承载力 、 良好 的抗震性能 和 延性 ； 另外 ， 有横筋拉 接的墙体 的承载能力相 对较 大， 并且 有 较 好 的 延性 。 4结 语 混凝 土叠合承 重墙充分 考虑 了抗震 、节 能 、环 保等因 素 ， 在施工过程 中减少模板使用量 ， 便 于工 厂化生产 和机 械 化施工 ， 完全符合我 国人均资源较少 的国情 ， 具 有很 大的社 会效益和经济效益。 因此 ． 对混凝土叠合承重墙房屋结构特 性 的研究 有重要 的意义 ．对 混凝 土结构房屋 的进一 步发 展 也有 很 大 的促 进 作 用 。 混凝 土叠合承重墙 房屋 结构 体系 ，在充分 满足抗震 设 防 、 绿 色环保 、 节约资 源 、 节 省土地 、 不使用粘 土砖 ， 实现 建 筑产 业化 、 工厂化等多项 国策 的前提下 ， 能优化房屋 主体 结 构的节能效果 ． 减少房屋墙体节能后期维护费用 ， 具有 良好 的应 用前 景 。 参 考 文献 【 1 】 黄炜． 密肋复合墙体抗震性 能及 设计理论研 究【 D ] ． 西安 建 筑 科技 大 学 ． 2 0 0 4 ． 【 2 】 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 8建筑抗震设计规 c C [ s ] ． 中国建 筑工业 出 版 社 ． 【 3 】 张伟 杰． 混 凝土 叠合 承重墙 的试验研 究[ D ] ． 东南大 学， 20 08 ． 『 4 1 沈 小 峰 ． 混 凝 土 叠 合 承 重 墙 结 构 的 理 论 分 析 及 应 用研 究[ D ] ． 东南大学， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 丁大钧 ． 墙体 改革与 可持 续发展 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 4 3 56 -62 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m