装配式钢筋混凝土墙板结构形式及连接方式研究

陈晓锋, 钱云飞, 汪少波, 刘中博

(1.苏州二建建筑集团有限公司,江苏 苏州 215000;2.西安理工大学 土木建筑工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着我国城乡建筑面积的日益扩大,建筑行业已是我国经济发展中的中流砥柱。相关调查数据显示,我国建筑全过程能耗占国家总能耗的三分之一,能源消耗巨大的主要原因是传统的建筑模式过于粗犷,没有合理地利用技术和资源。旧有的建筑模式难以适应国家绿色创新的发展理念,绿色建筑工业化的实现也更加急迫。装配式建筑是指建筑的一部分或者整体在工厂进行预制,然后运送到施工现场后采用有效的连接方式组装成整体的建筑。[1]装配式建筑可以在工厂预制,具有精度高、绿色节能、节省人力资源等优点,契合国家当前对于绿色发展的需要。

我国最初的装配式建筑受苏联影响很大,由于大地震暴露出了的装配式安全问题,商品混凝土的兴起与大量劳动力进入城市,装配式结构的发展受到抑制。随着我国社会老龄化的加剧,劳动力成本大幅增加,为了满足绿色可持续发展的国家策略,装配式建筑在近年来得到迅速发展。国内学者对于装配式有着大量研究,卞文军等[2]研究了不同连接方式的预制复合墙板对钢筋混凝土框架的影响,结果表明,刚性连接使框架的刚度和承载力大幅提高,但是结构延性变差,柔性和半柔性连接的钢筋混凝土框架抗侧刚度和承载力明显好于砌块钢筋混凝土框架,半柔性连接展现了良好的耗能能力。韦超等[3]研究了一种采用钢板焊接的装配式剪力墙,所有试件的破坏都发生在墙身处,为压弯破坏,试件的滞回曲线呈弓形,耗能较好,达到了现浇剪力墙结构的要求。赵永强等[4]制备了一栋两层带 PC填充墙装配式剪力墙结构的 1∶3 缩尺试件,研究其抗震性能,研究发现:当地震等级在八级罕遇地震之前,填充墙对剪力墙结构的抗侧刚度明显增大,地震等级达到八级罕遇地震时,填充墙对剪力墙基本失去作用,试件损伤严重。王伟等[5]设计了三层足尺分层装配支撑钢框架通过柔性连接外墙板,研究地震作用下钢框架与外墙板能否协同工作。结果表明:多遇地震下,结构与墙板完好无损;罕遇地震下,损伤集中于柔性支撑,钢框架与墙板完好无损,外墙板提高了钢框架的层间变形均匀性,削弱了柔性支撑受到的冲击效应。

1 装配式钢筋混凝土墙板的形式

根据墙体构造的不同,可分为单一墙体和复合墙体,其中单一墙体主要有实心黏土砖墙体、空心砖和空心砌体墙体等。复合墙体根据保温板所在位置,有内保温、外保温和夹芯保温三种形式[6]。预制墙板根据是否受力分为承重型墙板和非承重型墙板。

1.1 内保温外挂墙板

内保温复合墙体是指将保温材料置于墙体内侧。我国应用较广的内保温技术有采用增强石膏或聚合物砂浆的复合聚苯保温板、内墙贴聚苯板抹粉刷石膏以及抹聚苯颗粒保温料浆等技术[7]。内保温复合墙板对保温材料要求不高,取材方便,室内施工对人工要求不高,且内保温材料在室内易于更换,安全性较好,如图1所示。但是内保温技术占用室内空间;保温材料强度低,无法在保温材料上安装窗帘等饰物,保温材料的饰面层可能发生开裂,造成保温层破坏;在厨房和卫生间等潮湿环境,可能会影响保温材料的使用寿命。

1-基层墙体 2-找平层 3-黏结层 4-真空绝热板 5-防护面板 6-龙骨图1 真空绝热墙内墙板外观

1.2 外保温外挂墙板

外保温复合材料是指将隔热材料置于墙体外侧,主要分为外挂式外保温复合墙体、聚苯板与混凝土墙体一次浇筑成型墙体以及涂抹聚苯颗粒保温料浆保温墙体等[7]。外保温墙体不会对建筑的使用空间造成影响,更有利于建筑的节能改造,且由于安装在室外,不易受到冷热桥现象的影响,如图2所示。但是外保温墙体对保温材料的要求较高,保温层的耐久性和耐火性需要得到保障,且由于保温材料强度不高,运输和安装过程中易发生损坏,影响正常使用;对于现场施工的要求较高,需要高素质的技术人员来执行。

图2 全预制保温外墙板示意图

1.3 夹芯保温外挂墙板

夹芯保温外挂墙板是指将保温层置于内板和外板中间,由连接件将内外混凝土面层与保温层连接成整体,保温层置于中间防止热量流失。保温层不占用内部空间的同时,墙体也同时具有一定的承重功能、围护功能和保温功能。混凝土夹芯复合墙板可现场制作,取材方便,也可工厂化制作,批量化生产,如图3所示。根据连接件的不同,分为采用金属连接件的保温板、非金属连接件的保温板以及采用预制混凝土外模板技术的预制混凝土夹芯保温板[8]。根据外挂墙板的主要类型可分为预制混凝土夹心保温板、ALC墙板、玻璃纤维增强水泥板、轻钢龙骨复合墙板等。

图3 预制混凝土夹心保温板构造

预制混凝土夹芯保温板也存在着以下缺点:保温板体积较大,运输和安装有一定不便;墙板制造成本较高;由于墙板组成结构,夹芯保温板布置于承重墙体之间,导致墙板的抗震性能较差;雨雪天气易产生渗漏和漏水现象,对墙板连接处的施工质量要求较高;保温层内外温差较大,保温材料易产生变形,可能影响结构的稳定性。

1.3.1 采用金属连接件的预制混凝土夹芯保温板

预制混凝土夹芯保温板通常采用不锈钢作为金属连接件,由于金属存在热桥效应,热量会经由金属连接件传递到建筑外部,对建筑的保温性能造成不利影响,存在较大的热量损失。

1.3.2 采用非金属连接件的预制混凝土夹芯保温板

非金属连接件可以有效降低金属连接件的热桥效应,减少建筑内部的热量散失。常使用复合增强纤维材质的连接件,保温材料一般选用聚苯乙烯泡沫板,材料易于生产,也可有效降低预制混凝土夹芯保温板的热损失。连接件通过锚固将中间层的保温材料固定在混凝土中。

1.3.3 采用预制混凝土外模板技术的预制混凝土夹芯保温板

采用预制混凝土外面板为外模板进行制作,在预制板内侧放入保温材料,再通过拉接螺栓和内模板进行连接,一般在现场进行浇筑,对施工人员技术要求不高。

1.3.4 ALC墙板

蒸压加气混凝土墙板又称ALC墙板,主要以石英砂、水泥、石灰和石膏为原材料,以铝粉为发气剂,经过一系列工序制成的细密多孔状轻质加气混凝土,如图4所示。ALC墙板材料的单位耗能更少,生产和使用更符合国家绿色环保的战略方针,由于其材料多孔的性质,在物性上也与传统建筑材料有着很大区别。ALC墙板广泛应用于各种墙体保温,在降低原材料消耗的同时,也能有效缩短施工周期,如图5所示。但是,ALC墙板相比传统的混凝土墙板造价较高。

图4 装配式ALC预制墙板

图5 ALC外墙板连接构造

1.3.5 玻璃纤维增强水泥板

玻璃纤维增强水泥板主要由玻璃纤维和低碱水泥经过特定工艺制作,如图6所示,具有轻质、高强、抗弯拉和冲击性好、使用寿命长等特点。

图6 玻璃纤维增强水泥板

1.3.6 轻钢龙骨复合墙板

轻钢龙骨复合墙板由混凝土板、轻钢龙骨、保温隔热材料三部分组成,通过中间的轻钢龙骨将两侧的混凝土板与中间的保温隔热材料组成整体,如图7所示,具有良好的保温隔热性能,可有效降低成本,便于运输和安装。

图7 轻钢龙骨复合墙板

2 外墙板的连接方式

外挂墙板的安装,一般是通过在预制墙板上预埋连接件或套筒灌浆。主体结构与外墙板的连接方式,可分为刚性连接与柔性连接两种。

2.1 刚性连接

刚性连接可使主体结构与墙板形成整体,通常采用套筒灌浆或焊接的形式,如图8所示。墙板与主体建筑共同承担荷载。刚性连接无须现场浇筑混凝土,施工方便,是目前最普遍的连接方式,具有完整的技术体系和施工规范。当结构主体受损伤或出现变形时,外挂墙板由于连接处刚度较大无法与主体结构共同变形,可能会成为整个建筑结构的薄弱部位,导致墙板脱落或造成更大损失。

图8 墙板刚性连接

2.2 柔性连接

柔性连接大多采用点支承的方式,主体结构与墙板之间采用柔性节点连接而成,如图9所示。在地震作用下,整体结构在地震荷载下产生较大晃动时,外挂墙板连接节点处可以产生水平或竖向滑移,墙板不参与承受荷载,与主体建筑之间产生相对运动,不会因共振导致节点破坏。柔性节点同时具有损伤控制特性和震后可恢复性,相对于主体结构具有良好的变形适应能力。

图9 墙板柔性连接

3 结束语

综上所述,装配式墙板具有工业化程度高、绿色节能、施工迅速的特点,契合我国绿色、创新的发展理念,具有广阔的应用前景。与传统墙板相比,装配式墙板多为工厂预制,无须湿作业,能适应现代快节奏的施工要求,在简化施工流程的同时,墙板的防水性能与保温能力更加优异。随着时代的发展,在注重装配式墙板的技术应用水平不断提高的同时,也要注意优化施工工艺,规范施工流程,及时解决施工过程中存在的问题,促进装配式墙板的施工水平不断更新优化,为装配式建筑的长久发展助力。