钢丝网架混凝土夹芯墙板轴心受压承载力分析

谢群，王帅，刘春

（1.济南大学 土木建筑学院，山东 济南 250022；2.昆山生态屋建筑技术有限公司，江苏 昆山 215300）

钢丝网架混凝土夹芯墙板轴心受压承载力分析

谢群1，王帅1，刘春2

（1.济南大学 土木建筑学院，山东 济南 250022；2.昆山生态屋建筑技术有限公司，江苏 昆山 215300）

钢丝网架混凝土夹芯墙板作为一种轻质、高强、施工便捷的构件已广泛应用于多层住宅和办公楼，研究该类墙板的受力性能可有效确保其结构使用安全。文章选用三种代表性的计算方法对该类墙板的轴压承载力进行了理论分析，并将计算结果与已有的试验数据进行了对比研究。结果表明：高厚比对墙板受压性能影响较大，当墙板高厚比超过25时，现有的理论不再适用于轴压承载力计算；三种计算方法的结果对比可知，采用国家规范GB 50010—2010和 GB 50003—2011中公式计算所得的极限承载力结果与试验结果的比值在 0.75～1.3之间，离散性较大且偏于不安全，不适于钢丝网架墙板的承载力分析；根据ACI 318—11推荐公式计算所得的极限承载力结果与试验极限荷载的比值在0.7～0.9之间，安全储备较高，可作为该类墙板的结构设计依据。

混凝土夹芯板；承载力；轴心受压；高厚比

0 引言

钢丝网架混凝土夹芯墙板（以下简称夹芯板）通常由两侧混凝土面层（以下简称面层）和内部轻质填充隔热材料（以下简称芯层）组成。在每侧面层内均设置竖向钢丝网，并通过沿横向设置、贯穿芯层的钢筋桁架将面层与芯层连接成一体，该类墙板的常见形式如图1所示。功能型芯层的存在使得夹芯墙板较普通实心墙板具有更好的保温、隔热、防潮、隔音等性能，同时具备自重轻、承载力高、施工快捷等显著优点，而且能够满足工厂预制的需求。其利用标准化生产后的现场拼装，节省了工期和劳动力，也可将钢筋骨架加工好后在现场喷射混凝土完成整体墙板施工［1-5］。

图1 钢丝网架夹芯墙板示意图［5］

钢丝网架混凝土夹芯墙板最早出现于 20世纪60年代的北美，已应用于住宅、学校、办公楼、医院等建筑物外墙、内部隔断或者对保温要求较高的房间隔墙。随后作为承重型墙板使用，但设计时一般仅考虑由较厚一侧的面层承受外荷载，而较薄一侧面层则不作为受力部分。一般来说，墙板尺寸越大越经济，减少了拼装、加工和运输等工序［6］。

根据面层受力特点不同，承重夹芯墙板可分为三种截面类型：非组合型、组合型和部分组合型，如图2所示［7］。非组合型墙是指两侧的混凝土面层各自独立受力，通常由较厚的一侧面层作为承重部分；组合型墙的两侧混凝土面层共同工作承受外荷载，通过设置于面层之间的连接件使截面作为一个整体受力；而部分组合型墙中尽管也有连接件，但却无法提供足够的连接作用，因此其性能介于非组合型和组合型之间。

图2 混凝土夹芯墙板三类截面类型图［7］

（a）非组合式；（b）组合式；（c）部分组合式

美国Precast／Prestressed Concrete Institute（PCI）的研究报告表明，该类墙板在实际应用中宽度最大可达4.6 m，高度为 23 m，通常截面总厚度为130～305 mm，芯层厚度通常为25.4～102 mm，而且面层内钢丝采用预应力钢绞线，通过施加预应力，可有效提高板面抗裂性能。芯层类型和表面粗糙度对协同工作存在一定影响，多数情况下要求墙板截面厚度尽可能小，但混凝土面层厚度通常由墙板类型和用途决定，例如建筑耐火等级、承载力要求或混凝土保护层厚度。对非组合型墙进行分析时，可按照厚度等同于其结构层（面层）厚度之和的实心墙考虑，对于两个面层均参与受力的情况，外荷载则是按照两部分面层的刚度大小进行分配，然后按实体墙分别进行结构设计。墙体进行承载力验算时可视为受压构件，并要考虑长细比引起的二阶弯矩，即 P—Δ效应，宜考虑弯矩增大系数［8］。

连接件的形状可以是C型、Z型或 M型金属件，也可采用套筒锚栓、箍筋、螺旋筋、钢筋桁架，甚至 FRP筋构成的骨架等多种形式（如图3所示）。对于组合型墙，连接件需要传递墙板平面内的剪力，连接件在一个方向上设计成刚度较大，而在垂直方向则刚度很小，这样的连接件称之为单向连接件，常见的表现形式为钢丝桁架或者实心混凝土；对于非组合型墙，连接件还将非结构面层的自重传递至另一侧的承重面层［9］。

图3 混凝土夹芯墙板连接件类型图

20世纪 90年代该类墙板引入我国，最早是作为围护构件和室内隔断等非承重构件使用，随着我国城镇化的不断深入和住宅产业化的开展，该类墙板逐渐作为承重构件应用于多层住宅和办公楼［10-11］。在某些设计规范中将该类结构称之为 CL结构或 CS结构，在我国已有了部分试点工程，并有相应的规范指导，例如JGJ／T 273—2012《钢丝网架混凝土夹芯板设计规程》［12］、JGJ／T 269—2012《轻型钢丝网架聚苯板设计规程》［13］。作为一类较为特殊的墙体形式，它的受力性能和承载力与普通的钢筋混凝土剪力墙具有相似之处，又有所区别。而对该类结构体系的理论分析成果相对较少，文章将从轴心受压这一基本受力状况入手，对该类墙板的承载力进行研究。

1 受压承载力计算方法

作为承受竖向和水平荷载的构件，夹芯板在重力荷载作用下可作为受压构件，假定两侧面层共同工作，由面层混凝土与竖向钢筋网共同承受外荷载，芯层不参与受力，由于其截面厚度相对较小，因此需要考虑高厚比对受压承载力的影响。具有代表性的国内外受压承载力分析方法主要有3种。

（1）GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中对钢筋混凝土构件轴心受压计算由式（1）［14］表示为式中：N为轴心压力设计值，N；φ为受压稳定系数；fc为混凝土抗压强度设计值，N／mm2；b为墙体截面宽度，mm；t1和 t2分别为两侧混凝土面层的厚度，mm；f′y为竖向受压钢筋屈服强度设计值，N／mm2；A′s为 竖向 受 压钢 筋 截 面 面积，mm2。根 据 GB 50002—2010表6.2.15中l0／b查表取值，其中l0一般可取无支墙体两端的高度，b取墙板等效截面厚度hef，即按照刚度等效原则换算成实心墙体截面厚度，可按式（2）计算为式中：hef为墙板截面总厚度，mm；I为墙板组合截面惯性矩，mm4；h为墙板的计算高度，mm。

（2）ACI 318—11《American Concrete Institute》提供的计算式（3）［15］为式中：Pu为轴心压力设计值，N；L为墙体截面宽度，mm；k为约束系数，对两端未有防扭转约束的墙取1.0；t为墙板横截面总厚度，mm。

在ACI公式中直接体现了高厚比对承载力的影响，且认为组合型墙的刚度类似于与其截面总厚度相同的实心墙板，为简化计算，高厚比分析时直接取墙板截面总厚度，并规定承重型墙板的高厚比不应高于25，非承重墙不应高于30，若设计中已考虑二阶效应的不利影响时高厚比可放宽至36。有研究认为对上下端均有支撑的墙板高厚比不超过36，对四边有约束的墙板不超过42［16］。有学者通过试验研究和数值模拟对 ACI公式进行修正，研究成果见表1。

（3）作为一种新型的墙体结构体系，配筋砌块砌体结构的受力分析方法也可借鉴，GB 50003—2011《砌体结构设计规范》中配筋砌块砌体的抗压计算由式（4）［21］表示为

式中：A为受压混凝土面层截面面积，mm2；φg为稳定系数；β为高厚比。

表1 各学者研究成果汇总

2 计算结果比较

目前国内外已有学者对钢丝网架混凝土墙板进行了轴心受压试验研究，将其中具有代表性的试验信息汇总于表2。需要说明的是，由于大部分试件的墙厚较小，施加竖向压力时难免出现偏心而造成试验数值出现一定的离散性，因此各文献中某些试件极限荷载差异相对较大。大部分试验结果表明，轴压下的墙板破坏形态与承载力受高厚比的影响最大，与高宽比也有一定关系，当高厚比小于15时，墙板多发生压坏或劈裂破坏；高厚比大于15的墙板则在板高中部首先出现水平裂缝，最终发生弯曲破坏或失稳破坏，而配筋率对极限承载力的影响不大。

表2 轴心受压试验研究汇总

为了验证上述计算公式的适用性，以表2中各文献中试件为对象分别进行轴压承载力分析，所采用的公式分别为 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［14］推荐的式（1）、ACI 318—11［15］推荐的式（3）和 GB 50003—2011《砌体结构设计规范》［21］推荐的式（4），计算结果见表 3，表中设计值按钢筋抗压强度取 fy，混凝土强度取 fc计算得出，而极限值则按材料标准值分析得出，表中括号内数字是各公式计算出的理论极限值与表 2试验极限荷载的比值。通过比较可知，按照式（1）和（4）得到的设计值较为接近，但两个公式的承载力极限值与试验极限荷载的比值一般在0.75～1.3之间，说明计算结果误差相对较大，且偏于不安全；式（3）的设计值仅为式（1）和（4）结果的70%～80%，而且式（3）极限承载力与试验极限荷载的比值一般在0.7～0.9，离散性较小，具有较高的安全储备，适于结构设计。

3 结论

通过上述研究可知：

（1）按照组合型截面进行承载力验算是可行的，前提是混凝土面层内配置足够的竖向和横向钢筋，并设置强度刚度均满足要求的钢筋桁架或其它形式的抗剪件连接两侧面层和中部芯材；

（2）高厚比对墙板受压性能影响最大，当高厚比较大时，由于 P—Δ效应，墙板易出现平面外变形而造成承载力下降，因此设计时应考虑高厚比对承载力的影响，并建议墙板高厚比不宜超过25；

（3）采用国内外规范中具有代表性的三种计算方法对墙板轴压承载力进行计算分析，结果表明，采用我国规范公式得到的极限承载力的结果与试验结果的比值在0.75～1.3之间，离散性较大且偏于不安全，不适于钢丝网架墙板的承载力分析；而ACI 318—11推荐的公式得到的极限承载力与试验极限荷载的比值在 0.7～0.9之间，安全储备较高，可作为该类墙板的结构设计依据。

表3 计算式与试验数据对比理论值

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（学科责编：吴芹）

Strength analysis of concrete sandwich panel with wire mesh under axial loading

Xie Qun1，Wang Shuai1，Liu Chun2
（1.School of Civil Engineering and Architecture，University of Jinan，Jinan 250022，China；2.Kunshan Eco-building Technology Co.，Ltd.，Kunshan 215300，China）

Concrete sandwich panels with steel wire mesh are widely used in multi-storey residential buildings and office buildings with the advantages of low self-weight，high strength as well as convenient construction.To better understand the structural behavior and ensure application safety，three typical methods recommended by different codes for strength prediction of panels subjected to axial compressive loading have been presented with the assumption of full composite section character.The analysis results which have been compared with the existing experimental results show that the parameter of slenderness ratio has great effect on the compressive behavior of concrete sandwich panel and all the three methods are not expected to be applicable any more in the cases that slenderness ratio is more than 25 for the sake of poor structural safety.The ratio of predicted ultimate strength obtained from recommended formula of domestic codes to the peak load in experimental analysis ranges from 0.75 to 1.3 which means that the strength is much overestimated with big divergence and these methods couldn't be applied to strength analysis for the sake of structural safety.While the strength arising from ACI318-11 method could reach 70% ～90%the testing value which provides satisfactory result with more reliability and better agreement with testing data for concrete sandwich panel structural design.

concrete sandwich panel；loading-bearing capacity；axial compression；slenderness ratio

TU376

A

1673-7644（2015）03-0211-05

2014-08-20

谢群（1979-），男，副教授，博士，主要从事新型墙体结构等方面的研究.E-mail：xq307＠163.com