装配整体式保温复合墙体系龙骨间距与面板厚度的理论及优化分析

卜 式 杨伟军

（长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙 410000）

1 概论

建筑节能复合墙体通过改进墙体设计，加强围护结构保温[2]，能实现绿色节能建筑的需求，具有良好的推广前景。

装配式钢结构住宅建筑自重轻，建设周期短，但是保温隔热效果不好；钢筋混凝土建筑保温隔热效果比钢结构住宅好，但是耗能太大，建设周期长，都不利于节能减排。基于以上因素，通过对国内外建筑节能复合墙体的对比，提出了适合中高层框架结构和部分短肢剪力墙结构使用的装配整体式保温复合墙体系（如图1 所示）。

图1 装配整体式保温复合墙示意图

但是，复合墙体的施工过程中易出现纤维增强水泥板被泡沫混凝土浆体的侧向压力胀破的问题（即“爆板”）[1]，不但导致已经使用的部分面板和泡沫混凝土浆体报废，而且更换板材和清理外泄浆体会严重影响工程进度，破坏施工环境。

经过调研发现，“爆板”的影响因素主要有泡沫混凝土的侧压力、面板的尺寸、抗折强度和薄壁轻钢龙骨的间距等。为了解决" 爆板" 的问题，开展了面板厚度与龙骨间距设计的理论和实验研究，探究了面板厚度与龙骨间距对复合墙体性能的影响规律，对研究和优化复合墙体性能以及相关工业应用有重要的参考价值。

2 研究方法

在装配整体式保温复合墙体的设计中，往往采取试算法确定龙骨间距l和面板的厚度h的基本尺寸。试算法虽然能使得设计尺寸满足安全要求，但设计的结构截面尺寸的过程中未考虑其他参数之间的关系，不是最经济合理的结果，因而有必要对这几个参数进行优化，得出这几个基本参数的合理取值范围。

为了便于分析，纤维增强水泥板满足下列合理假定：（1） 连续性假设；（2） 均匀性假设；（3） 各向同性假设。

将龙骨间距l0作为可自变量l，面板厚度h0 作为因变量h，同时把泡沫混凝土的浇筑高度H0作为变量H。龙骨间距l和面板厚度h是造成“爆板”事故的主要因素，具有相关性，其比值为l/h，对于结构前期的设计具有较大的参考价值。

逐一探讨在不同的浇筑高度下（1.0m～1.6m），7 种装配整体式保温复合墙体的龙骨间距l在泡沫混凝土侧向力产生的弯矩作用下的抗弯强度和材料的容许抗弯强度相等控制条件下的面板厚度 （同一浇筑高度，不同的龙骨间距l下有不同的面板厚度），龙骨间距l在泡沫混凝土侧向力作用下的最大挠度和墙板的容许挠度相等控制条件下的面板厚度（同一浇筑高度，不同的龙骨间距l下有不同的面板厚度），最后得到7 个龙骨间距l和面板厚度h的关系曲线。

3 分析与讨论

3.1 设计参数

泡沫混凝土密度为1200kg/m3，每层浇筑浇筑高度范围为1.0m～1.6m。纤维水泥板的抗折强度根据《纤维水泥平板第1 部分：无石棉纤维水泥平板》JC/T 412.1 中6.6 力学性规定，本文选择A 类板R4 等级的纤维水泥增强版，抗折强度[σ] 为18Mpa，弹性模量E为15.9Gpa。装配整体式保温复合墙体的轻钢间距l，面板的厚度h。按照《轻钢轻混凝土结构技术规程》[4]中6.3.7 规定，用2m 垂直检测尺检查，表面平整度允许偏差不能大于3mm。在进行挠度验算时取每一跨的跨中允许的最大挠度[v] 不得大于3mm。

3.2 计算模型

在实际施工中，面板横向安装，即面板长边与竖龙骨垂直。一块板材一般分成五段，所以在分析弯矩和挠度问题时，本文选取力学模型为五跨等跨均布荷载作用连续梁，根据《建筑施工手册》[3]表4-14，最大弯矩值为0.105ql2 （支座），最大挠度为0.644 ql4/100EI。

3.3 控制约束条件

本文的控制约束条件如下：

（1） 荷载作用下的抗弯强度

其中：Mmax—纤维增强水泥板承受的最大弯矩值（N·m）；F—新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（kN/m2）；q—新浇筑泡沫混凝土侧压力设计值（kN/m）；γ0—结构重要性系数。对于重要的模板及支架，宜取γ0≥1.0；对于一般模板及支架，宜取γ0≥0.9；b—取计算单元板宽（m）；h—面板的厚度（m）；σmax—最大抗弯强度（Mpa）；l—相邻龙骨之间的间距（m）；w—面板抵抗截面系数。

（2） 荷载作用下的最大挠度

其中：ν—面板最大挠度计算值（m）；l—相邻龙骨之间的间距（m）；q—新浇筑泡沫混凝土侧压力设计值（kN/m）；b—取计算单元板宽（m）；h—面板的厚度（m）；E—面板的弹性模量（GPa）；I—面板截面的惯性矩（m4）

（3） 化简后的控制约束条件

其中： [σ] —容许最大抗弯强度（kN/m）2； [ν] —面板的最大挠度允许值（m）。

3.4 解决方案及结果

根据控制条件，纤维增强水泥板厚度h实与龙骨间距l有数学关系的未知变量。根据化简后的控制约束，可得出同一浇筑高度下的板厚度h1和h2，其中根据弯矩平衡条件得到水平截面高度h1，根据挠度相等控制条件得到水平截面高度h2。本文共计算了不同浇筑高度（1.0m～1.6m） 的墙体，得出了各个浇筑高度下的龙骨间距l以及相关的面板厚度，并得到了龙骨间距l和板厚度h的关系图（以浇筑高度1.2m 为例见下图）。

图3 1.2m 高度下间距与面板厚度的关系图

最优龙骨间距l下的最优纤维增强水泥板厚度h，表现为两个数量关系的交点坐标（l0，h0），其中：l0为装配整体式保温复合墙体的最佳龙骨间距，与之对应的h0为面板的最佳厚度。由图3 可知：（1） 龙骨间距l的变化对面板厚度h1的影响较大。（2） 龙骨间距l的变化对面板厚度h2的影响较大。（3） 在装配整体式保温复合墙体中，当龙骨间距l小于最佳间距l0时，此时控制面板厚度的条件就是弯矩条件，反之则是挠度条件控制，根据以上得出在1.0m～1.6m 浇筑高度下，装配整体式保温复合墙体龙骨间距与面板厚度比值如表1 所示。

表1 装配整体式保温复合墙体龙骨间距与面板厚度比值

1.0～1.6m 不同浇筑高度与最佳间距关系图如图4 所示，由图可以得到单层浇筑高度（1.0m～1.6m） 的最佳龙骨间距l0。最佳龙骨间距l0和浇筑高度呈正比例关系，且浇筑高度每增加0.1m，最佳龙骨间距就增加0.02m。

图4 1.0～1.6m 浇筑高度与最佳间距关系

1.0～1.6m 不同浇筑高度与最佳板厚度关系图如图5 所示，由图可以得到单层浇筑高度（1.0m～1.6m） 的面板的最佳厚度h0。最佳板厚度和浇筑高度呈正相关关系。

图5 1.0～1.6m 浇筑高度与最佳板厚度h 关系

4 结语

总结归纳出以下结论：

（1） 龙骨间距l变大，导致相邻龙骨间面板所受到的泡沫混凝土侧压力变大，而要保证产生的最大挠度符合验收标准，相应地增加面板的厚度h2，面板截面的惯性矩也会变大，可避免板的变形。（2） 在装配整体式保温复合墙体中，当相邻龙骨间距l小于最佳龙骨间距l0时，弯曲失效问题比挠度超标问题更严峻，所以面板厚度的取值按h1 取。（3） 在装配整体式保温复合墙体中，当相邻龙骨间距l大于最佳龙骨间距l0时，挠度超标问题比弯曲失效问题更严重，面板的厚度按h2取。