石膏砌块填充墙框架结构设计应用研究

付 建，谢冰莹

(1.攀枝花学院 土木与建筑工程学院，四川 攀枝花 617000；2.四川省工业固态废弃物土木工程综合开发利用重点实验室，四川 攀枝花 617000)

0 前 言

从20世纪70年代末开始，我国便开始研制和开发石膏砌块，到20世纪80年代，研制出集装箱式结构的石膏砌块机组，开启了批量化生产石膏砌块的进程[1][2]。目前国内石膏砌块的基本规格为666 mm×500 mm[2]，针对石膏砌块本身的物理及力学性能的研究成果相对成熟且完整[3-4],为石膏砌块的工程应用奠定了坚实的基础。石膏作为无机胶凝材料，在装饰装修领域及建筑辅助材料领域已有较为广泛的应用。由于石膏砌块在耐水性及强度方面的劣势，石膏砌块作为新型墙体材料，在工程领域的应用范围相对局限，通常作为工程项目的内隔墙，且不接触水的区域，作为工程项目二次改造的轻质隔墙来使用。针对石膏砌块的施工工艺及应用研究等方面，国内学者已有广泛研究，研究成果相对成熟，加速推进了石膏砌块的广泛应用[5-6],为规范石膏砌块砌体的设计、施工和验收，国家住房和城乡建设部于2010年4月，发布了《石膏砌块砌体技术规程》(JGJ/T201—2010)，进一步规范和提高了石膏砌块砌体的施工质量[7]。

1 理论研究

1.1 研究思路

本文主要依托具体多层框架结构工程项目为研究对象，以石膏砌块和烧结空心砌块为多层框架结构填充墙，分别采用SATWE三维组合结构有限元软件，进行结构抗震性能分析、整体受力分析和经济性分析。

1.2 技术路线

本项目拟采用理论研究与具体工程实践项目应用研究相结合的方式开展研究工作，本项目采用的主要技术路线如下：①文献检索，查阅相关研究成果；②结合研究思路，选择合理的工程实践项目作为本项目研究依托；③采用SATWE三维组合结构有限元软件，针对两种墙体材料，进行结构整体分析计算；④对SATWE计算结果进行结构抗震性能、整体受力分析及配筋计算分析；⑤阐述石膏砌块填充墙框架结构计算、分析及设计的要点；⑥阐述石膏砌块填充墙框架结构经济性要点。

2 模型分析

2.1 工程概况

四川省攀枝花市三十一中小学校新建宿舍楼项目，总建筑面积约为3 045 m2，地上5层(不含出屋面楼梯间层)，总建筑高度为18.300 m，结构形式为框架结构，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，建筑场地类别为Ⅱ类。本地区抗震设防基本参数为地震设防烈度7度，地震加速度0.15 g，抗震设防分组为第三组，水平地震影响系数最大值αmax：多遇地震为0.12、罕遇地震为0.72，建筑场地特征周期Tg为0.45 s。

2.2 页岩空心砖填充墙框架结构模型

2.2.1 模型建立

依据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，本工程框架抗震等级为二级。本工程框架填充墙采用MU3.5页岩空心砖，填充墙厚度均为200 mm，页岩空心砖干容重为10 kN/m3，填充墙双侧采用M5.0混合砂浆抹灰，抹灰总厚度为40 mm，抹灰砂浆干容重为22 kN/m3，经计算框架填充墙作用在梁上的线荷载约为3.0 kN/m。本工程楼面恒载据实计算，楼面活荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)查表。本工程采用PKPM V4.3版进行结构建模，框架计算模型如图1所示。

2.2.2 模型计算结果分析

本工程采用SATWE V4.3版三维组合结构有限元软件进行计算分析，经计算分析，本工程项目各项计算指标均满足现行规范要求，结构平面布局合理，结构规则性指标符合要求，如结构周期比、层间位移角、层间位移比等指标满足要求，结构抗震性能良好，如最小楼层受剪承载力比值、最小剪重比、刚重比等指标满足要求，本工程项目主要计算指标如表1所示。本工程项目整体受力合理，主要结构构件配筋计算结果满足要求。

表1 主要计算指标汇总表

2.3 石膏砌块填充墙框架结构模型

2.3.1 模型建立

本工程框架抗震等级为二级，本工程框架外围填充墙采用MU3.5页岩空心砖，填充墙厚度均为200 mm，页岩空心砖干容重为10 kN/m3，填充墙双侧采用M5.0混合砂浆抹灰，抹灰总厚度为40 mm，抹灰砂浆干容重为22 kN/m3，经计算框架外围填充墙作用在梁上的线荷载约为3.0 kN/m。本工程框架内部填充墙采用MU3.5石膏砌块，填充墙厚度为200 mm，石膏砌块干容重为7 kN/m3，采用粘结石膏进行抹灰，经计算框架内部石膏砌块填充墙作用在梁上的线荷载约为1.6 kN/m。本工程楼面恒载同页岩空心砖填充墙框架结构模型取值。本工程采用PKPM V4.3版进行结构建模，由于内部梁上线荷载减小约46.67%，因此，本工程内部填充墙采用石膏砌块后，框架柱截面尺寸减小，框架计算模型如图2所示。

图2 石膏砌块填充墙框架计算模型

2.3.2 模型计算结果分析

本工程采用SATWE V4.3版三维组合结构有限元软件进行计算分析，经计算分析，本工程项目内部填充墙采用石膏砌块及调整框架柱截面尺寸后，结构总重量减少约9.23%，各项计算指标均满足现行规范要求，结构规则性指标符合要求，结构抗震性能满足要求，结构整体受力合理，内部框架柱轴压比计算值减少约9.21%，内部框架柱配筋计算面积减少约13.04%，内部框架梁及次梁配筋计算面积减少约11.11%。本工程项目主要计算指标如表2所示。

表2 主要计算指标汇总表

3 结 论

本工程项目两种计算模型，楼面荷载一致，框架梁及次梁截面尺寸一致，采用石膏砌块作为框架内部填充墙时，内部框架梁及次梁上部线荷载约为1.6 kN/m，相对于页岩空心砖填充墙荷载减少约46.67%。经两种模型计算结果对比分析，得到结论如下。

1)采用石膏砌块填充墙多层框架结构，抗震性能满足现行规范要求，空间整体受力分析满足要求，结构规则性指标满足现行规范要求。

2)采用石膏砌块填充墙多层框架结构，在满足各项计算指标的前提下，可适当减小框架柱截面尺寸，从而可达到减少结构总体质量的目的。

3)采用石膏砌块填充墙多层框架结构，内部框架柱轴压比计算值减少约9.21%，内部框架柱配筋计算面积减少约13.04%，内部框架梁及次梁配筋计算面积减少约11.11%，从而可降低项目成本，实现石膏砌块填充墙多层框架结构的经济优势。

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