低层轻钢预制板墙住宅设计关键问题研究

仲跻峰 褚国栋

（南通市建筑设计研究院有限公司，江苏 南通 226006）

0 引言

传统低层住宅一般为单层或两层，采用砌体结构或木结构。这些建造方式需要现场大量的体力劳作，条件差，工期长，业主投入精力多。而且随着工匠年龄老化、人数减少，劳动力成本加大，这种方式越来越不适应社会发展的需要。

前几年，江苏的施工企业创新采用钢管柱和C 型钢梁为主要受力骨架，用预制轻质泡沫混凝土配筋墙板为围护，建造一批低层轻钢住宅。该方式与北美轻钢住宅建造方式不同。本文以建成的住宅为案例展开课题研究，挖掘出该建造方式的许多优点；发现设计中有不符合现有规范的关键问题，提出相应解决方法，为其推广应用打好理论基础。

1 北美轻钢住宅建造方式

建造北美轻钢住宅有两种结构体系，一种为冷弯薄壁型钢低层住宅体系，墙体、楼盖和屋盖均采用冷弯薄壁型钢构件与结构板材可靠连接而成的板肋结构。另一种采用热轧H 型钢、钢管或高频焊接H 型钢等组成框架结构或框架支撑结构，墙体为不承重的轻钢龙骨复合墙体，楼板采用钢丝网水泥刨花板与密肋钢梁组合的梁板结构体系或与圆孔板。这种方式与我国传统住宅建造习惯相差太大，特别是外墙的安全问题经常被质疑，还没有被老百姓普遍接受。

2 江苏低层轻钢预制板墙住宅建造方式

江苏创新采用的轻钢预制板墙建造低层住宅，选用钢管柱和C 型钢梁作为主体受力骨架，预制轻质泡沫混凝土配筋墙板作为围护构件。主要构件在工厂加工、现场拼装，现场的湿作业很少。

农村住户翻建新房时，先拆除旧房，旧砖夯实找平用作基础垫层。轻钢住宅自重很轻，可以在垫层上浇300mm 厚混凝土筏板作为基础。钢柱采用边长160mm 矩形钢管，在工厂预先开矩形孔，运至现场就位后，焊接在筏板预留的埋件上，如图1 所示。钢梁采用双拼C 型冷弯薄壁钢，用高强螺栓与柱固定，如图2 所示。

图1 焊接柱脚

图2 安装C型钢梁

围护墙板混凝土强度等级为LC7.5，密度等级1000kg/m3，内部双层双向配筋。在车间完成钢筋绑扎、混凝土浇筑全过程。每开间采用一块整板，预留门窗洞口。墙板运到现场，吊到指定位置，多人合力将墙板推入两柱和钢梁之间，如图3 所示。墙板四周有钢板埋件，将埋件与梁柱焊接，如图4 所示。楼板采用钢筋桁架楼层板组合楼板，钢板在钢梁上的搁置部位开洞口，如图5 所示。墙板与钢柱交接部位铺设钢丝网，随后清扫墙面并浇水湿润、批界面剂、弹分格线、贴绷带，最后喷真石漆，建成建筑外观如图6所示。

图3 墙板推入柱间

图4 墙板埋件与柱焊接

图5 钢梁顶部的楼承板开洞

图6 刚刚建成的建筑外观

浇筑时先浇柱梁后浇楼面，这是该住宅特有的施工工艺。浇柱子时振动棒插入柱底，一边浇筑一边慢慢向上拨，每一个钢柱都需振捣。浇平台时，振动棒在平台上向着一个方向拖动，板底部对扣的C 型钢梁之间均浇灌混凝土。这种建造方式有许多优点：

（1）梁板柱均变为组合构件，增加构件承载力和刚度；

（2）由于钢管柱事先有开孔，一部分砂浆会溢出钢管柱，塞满钢构件与预制墙体之间的空隙，满足老百姓观感要求，减少投诉纠纷；

（3）墙板不是固定600mm 宽、现场拼装的方式，而是每个房间一块板，提高生产和安装效率，同时避免拼缝；

（4）按照《江苏省装配式建筑综合评定标准》的规定，项目地上主体钢结构、外围护墙、内隔墙、桁架式楼承板均采用工厂预制成品，主体结构和外围护结构预制构件的计算指标Z1、装配式内外围护构件的计算指标Z2评分均为满分；考虑到农村实际情况，暂未采用集成卫生间和集成厨房，Z3评分为75%。预制装配率总分Z为93%。这是混凝土结构体系很难到达的分值，充分体现该建造体系的优势。

3 现有建造方式的设计理论问题及改进方法

对照《建筑抗震设计规范》、《轻型钢结构住宅技术规程》、《住宅设计标准》、《建筑钢结构防火技术规范》等规范，从结构设计、节能设计等角度深入分析，发现现有建造方式的几个理论问题需要改进。

3.1 结构受力体系问题

施工单位根据经验将预制墙板嵌在钢梁钢柱中间。结构设计时，结构受力体系怎么确定？按框架结构计算还是按剪力墙结构都不合适。

根据厂家提供资料，轻质混凝土墙板的强度等级为LC7.5，该类墙只能用于自承重兼保温的围护结构，如果定义剪力墙作为主要受力构件，墙体强度不满足规范要求。如果按纯框架计算，现场的梁柱连接（如图3所示）只能人为铰接，钢梁对柱不能提供抗弯约束，柱的计算长度系数很大，柱截面不满足稳定要求，整体抗侧刚度也不够。因此，纯框架体系不成立。

受《轻型钢结构住宅技术规程》条文的启发，轻钢住宅框架结构体系宜利用镶嵌填充墙的侧向刚度对整体结构的抗侧移作用，可以把该结构体系确定为框架-支撑结构。计算模型按梁柱铰接的框架，预制轻质墙板等代为支撑参与计算，计算模型如图7所示。

图7 斜拉钢筋作为支撑参与计算模型

工厂浇筑混凝土墙板时，需要设置埋件，便于与周边梁柱焊接。改进办法为对角埋件上预先焊接斜拉钢筋，如图8所示。

图8 预制墙体四边埋件及内部斜筋示意

结构计算时，因为墙板混凝土不满足受力构件最低强度要求，不考虑轻质混凝土承载力，仅考虑斜拉钢筋作为纯拉杆支撑的作用。结果表明，斜拉钢筋可以满足水平力承载要求。按照《钢结构设计标准》8.3.1条判断，该结构体系的侧移刚度大于轴压承载力差值，即Sb>4.4[(1+100/fy)∑Nbi-∑N0i]，框架满足无侧移要求，可以按强支撑框架计算。

3.2 结构构件设计问题

现有的建造方式中，搁置在板墙顶部的C 型钢被作为圈梁看待，未考虑承载要求。根据新的计算模型，板墙不作为承载构件反而变为荷载，C 型钢梁承载要求提高。改进的办法是，在组合楼板与C 型钢梁之间增加抗剪栓钉，楼板作为梁的翼缘，C 型钢梁按组合梁计算。原截面无需增加，就可以满足计算要求。

按强支撑框架假定，钢柱计算长度取层高，长细比容易控制。钢柱本身承载力较高，计算时无需考虑柱内浇灌的混凝土的承载力贡献就能满足要求。在板墙的对角埋件上预先焊接斜拉钢筋，钢筋用量按照整体受力要求确定。

3.3 防火问题

已经建造的住宅未考虑防火措施。根据规范要求，低层住宅耐火等级为四级。钢柱钢梁的耐火极限1h，楼板耐火极限0.5h。防火设计时，假定包裹在墙板中间的钢梁钢柱全部失效，轻质混凝土墙板还有剩余承载力，结构体系退化为剪力墙结构。按照标准温升公式计算，受火1h 后轻质混凝土板墙的温度为950℃。根据混凝土强度火灾影响公式（1）计算：

式中：kc——影响系数；

T——温度。

当温度为950℃时，kc=1.085-5.73×0.0001×950=0.5，于是，LC7.5的剩余强度为7.5×0.5=3.7。

即使按LC3.7 验算，墙轴压比均小于1，满足临时承重要求，不至于倒塌。楼板设计时未考虑楼承钢板的承载力，可以不涂防火涂料。综上所述，防火设计只要把底部没有墙体填充、明露的钢梁周边包防火板即可。这样施工最简单，节省造价。

3.4 外墙保温隔热问题

从图4 可以看出，外墙嵌在钢构件之间，没有解决钢构件的冷桥问题。墙板尽管采用轻质泡沫混凝土制作，自身的导热系数0.260W/(m·K)，并不能满足节能要求。需要在钢构件和外墙板增加保温材料，经过计算，推荐采用40mm挤塑聚苯板(ρ=25~32)。

4 结束语

采用钢管柱和C型钢梁为主要受力骨架，用预制轻质泡沫混凝土配筋墙板为围护，建造低层住宅有独到之处。研究过程中发现的结构受力体系、结构构件设计、防火、外墙保温隔热等几个关键问题，采取了系列改进办法，取得很好的效果：可以在轻质混凝土墙板内增加斜向钢筋，以支撑的作用参与结构计算；钢构件按组合构件计算，并做好防火措施；外立面增设保温材料，提高节能水平。该体系的建造成本与传统砌体结构相当，工期却很短，老百姓愿意接受，其应用前景可期。