双大开洞预制混凝土外墙板在施工吊装阶段的受力性能分析

游家奇 王黎 黄泽

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司）

1 概述

预制混凝土外墙板是指预制混凝土外墙构件，它并不承重，只作为外墙起到围护的作用。预制混凝土外墙板因具有施工周期短、环保节能、标准化程度高等优势，逐渐在住宅建筑上得到广泛运用[1]。且为推动装配式建筑的发展，国家与地方政府陆续出台了大量关于推行装配式建筑实施的指导意见，以《装配式建筑评价标准》（GB/T 1129-2017）为例，针对围护墙和内隔墙部分得分不得低于10 分，其中，装配式项目通常采用非承重围护墙非砌筑5 分，而普通的公建和住宅项目外墙一般需要采用预制混凝土外墙，且需占外围护结构应用比例的80%以上。因此，预制混凝土外墙在整个装配式建筑中的占比非常大。

从技术层面上看，预制混凝土外墙板因出色的工业化产品质量，较好地解决了传统建筑外墙漏水、裂缝等通病。而外墙板一般是整个建筑物中造型相对复杂多变，因此预制混凝土外墙板是涵盖了较多设计关键技术的预制部件之一。

预制混凝土外墙的设计主要包括拆分设计和深化设计两部分。其中，拆分设计关系到建筑功能的实现、装配率以及标准化的呈现；深化设计则关系到预制混凝土外墙成品的质量以及施工的效率。

预制混凝土外墙板的种类及连接技术对比其他预制构件较为多种多样，且根据建筑外立面要求时常需要开窗洞或增加饰面，因此预制混凝土外墙板的深化设计需根据选用的不同预制构件样式，进而确定不同的形状深化、节点深化等设计内容。

在项目深化设计过程中，预制混凝土外墙板由于门洞、窗洞的关系，需在构件的各洞角处进行补强，加强构件薄弱位置的强度，确保预制构件在生产、运输以及施工吊装过程中的完整性，防止构件在脱模吊装、施工吊装及使用阶段发生破坏。

我国对于双大开洞预制混凝土外墙板的受力性能分析研究较少，特别是针对洞角薄弱处补强方式的分析研究更加缺少，因此该如何进行安全且经济地补强是一个可待探讨的问题。

2 有限元受力分析

本工程中采取的装配式预制混凝土外墙板部件形状并不规则，为大尺寸双开洞墙板，且该预制墙板跨度为8080mm，高度为4480mm，总重量达14.04t，难以通过理论对其受力进行准确分析，为此采用有限元分析软件Abaqus 对预制混凝土外墙板进行仿真模拟分析，得到其在吊装过程中窗洞边缘混凝土与钢筋的应力值及分布情况，以此检核设计的合理性。

2.1 基本分析参数

模拟吊装状态下双大开洞预制混凝土外墙板的受力形式，吊装工况下动力系数取1.5；预制混凝土外墙板保护层厚度为15mm，混凝土料强度等级为C40；墙板配筋采C10@180mm 双向双层配筋，钢筋等级为HRB400；吊装预埋铁件采用长度为260mm、强度等级为Q235 的钢棒。

模拟采用三维实体元素单元（C3D8 单元），钢筋元素采用两结点线性三维桁架单元（T3D2 单元）；钢筋与混凝土间之界面采用Embedded region Constraint（嵌入式约束），吊装预埋铁件与混凝土间之界面采用Tie Constraint（绑定约束）；边界条件为固定约束吊装预埋铁件顶部之节点。

分析模型采用两种窗洞补强方式：方案一在各洞角处增设斜向双层C10 补强钢筋，方案二采用窗洞四边增设暗梁之方式，比较双大开洞预制混凝土外墙板窗洞补强方式的差异。

2.2 分析结果

由吊装工况下两个模型的分析结果计算可知：对于混凝土应力，在吊装工况下，两种窗洞补强方式对混凝土整体应力值及分布无明显影响，故细部分析结果显示以方案一为例。分析结果如图1 及图2 所示。

图1 采用斜向补强钢筋墙板混凝土应力云图（单位：MPa）

图2 采用斜向补强钢筋墙板混凝土拉应力分布示意图（单位：MPa）

如图1 所示，预制混凝土外墙板窗洞角隅及吊点处均出现应力集中现象，且由墙板上边缘向窗洞角隅处延伸。从图3 可更加清晰地看出，窗洞上下边缘（红色部分均为应力值小于零）受拉，由中部向两侧减少，窗洞周围混凝土最大拉应力值约为-0.016MPa，远小于混凝土抗拉强度设计值；且由于墙板跨度大及双大开洞，因此墙板上下边缘中部均出现受拉行为，但均小于混凝土抗拉强度设计值。

对于内置钢筋应力(如图3 及图4 所示），分析结果显示：采用增设斜向双层补强钢筋方式，在吊装工况下，钢筋应力最大值为35.69MPa；采用窗洞四边增设暗梁方式，在吊装工况下，钢筋应力最大值为38.21MPa。在两种窗洞补强方式下，钢筋应力差值仅2.52MPa，且均小于钢筋强度设计值。

图3 采用斜向补强钢筋墙板钢筋应力云图（单位：MPa）

图4 采用增设暗梁方式墙板钢筋应力云图（单位：MPa）

根据图1 至图4 混凝土及钢筋应力云图可以看出：对于双大开洞预制混凝土外墙板，在吊装工况下，整体构件最大应力不仅出现在窗洞角隅及吊点处，亦会出现在墙板跨中部，由窗洞角隅处逐渐向板中部扩散延伸。

基于上述模拟分析结果，采用两种窗洞补强方式均能满足强度设计要求，因此需要通过计算成本来进一步比较两种补强方式的差异。方案比较结果如表1 所示。由表1 可知：采用方案二即窗洞四边增设暗梁的方式，额外增加的成本是方案一的8.5 倍，特别是时间成本，至少需要增加4 小时/块的工作量，整体经济效益较低。

表1 窗洞补强方案比较

3 结束语

综上所述，得出以下几点结论：

⑴基于该模拟分析结果，对于双大开洞预制混凝土外墙板，采用增设斜向双层补强钢筋的窗洞补强方式即可满足设计要求。

⑵从混凝土应力云图可知，预制混凝土外墙板在双开洞且洞口尺寸较大时，墙板跨中部、墙板上下边缘、吊装预埋件边缘混凝土及钢筋在吊装工况下均会出现应力集中的现象，因此在深化设计时此部分需额外复核构件强度，以确保在各工况下的安全性。

⑶该分析是基于较理想状态下的模拟结果，在实际吊装过程中，预制混凝土外墙板的受力状态不会这么理想，现实随着吊装过程的变化，其受力方向复杂多变，这是模拟分析的不足之处，所以在材料强度选取、钢筋布置时应适当增加富余度，使其安全性更具保障。