装配式预制墙体构造与设计方法研究

过民龙，徐其功，2，张 凯

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500；2、广东省建科建筑设计院有限公司 广州510010）

0 前言

在传统现浇混凝土建筑结构中，围护墙或填充墙主要起到防火、防水、保温节能等功能性作用，其与建筑舒适度、耐久性等正常使用条件下应具备的性能密切相关。随着装配式混凝土建筑的发展，采用各种工艺制作的预制墙体成为行业主推方向，但毫无疑问的是上述墙板应具备的功能，对于预制墙板而言仍旧必须做到。目前我国现行《装配式建筑评价标准：GB∕T 51129-2017》对于干法施工、装修一体化等绿色环保工艺的使用持推荐态度，而装配式建筑吊装的施工要求又使预制墙体本身需具备良好的强度及刚度，因此若要求装配式预制墙体达到与现浇砌筑墙体相同的建筑使用性能，则需要采用构造措施将墙板各分块、墙板与主体结构有效地连接为整体，而这些构造措施将使预制墙板在强度与刚度、及其对主体结构影响上较采用砌筑墙体的结构有很大不同，这实际上即是当前装配式建筑设计中尚未周全考虑之处。

从受力性能角度出发，较刚的预制墙体必然在设计计算理论及结构构造上与既有现浇规范的兼容性不匹配。特别是在结构抗震性能上，砌筑填充墙体在地震作用下被认定为将产生砌块间的粘结破坏从而不参与结构抗侧向力，因此现浇结构设计规范将围护墙或填充墙在大震作用下仅作为荷载的来源是可行的，其对结构受力影响也仅从结构整体刚度的增大效应出发部分地提高了地震作用下构件的设计荷载。虽然现行装配式技术规程中已考虑了预制墙板较大刚度的影响而在地震效应的扩大系数上进行了修正，但装配式建筑设计的部分理论及经验结论对于预制墙板而言仍然延续现浇结构的方法体系，这显然无法正确考虑预制墙板对主体梁、柱的真实性能影响。特别是在当前抗震设计的延性要求下，沿袭现浇结构的一系列抗震构造措施是否合适是未知的，这毫无疑问将给装配式混凝土建筑全生命期的安全运维留下隐患。

本文针对既有装配式预制墙体常用构造及其与主体构件连接构造，收集整理现有研究成果，探讨这些构造措施对预制墙体承载性能的影响以及墙体对主体结构抗震性能的影响，并给出设计建议，同时为进一步研究装配式预制墙体设计方法提供方向参考。

1 装配式预制墙体常见构造形式

1.1 预制墙体自身构造

传统上使用较多的预制墙板主要为预制混凝土墙板，但随着近些年装配式围护结构越发朝着轻质高强发展，预制墙板的选材及结构也有所改变，可否实现轻质高强的性能要求及板型设计是否可提质降本，是一种装配式预制墙板能否大范围推广应用的关键因素［1］。以下列出部分目前常见预制墙板的构造形式。

1.1.1 夹芯复合墙板

预制墙板中目前最为常用的形式即为预制混凝土夹芯复合墙板（PC 墙板），其保温材料通过特定生产工艺埋入预制墙板内部，墙板的内外叶通过对拉玻璃纤维钢筋或桁架钢筋连结成整体，如图1 所示。其优点是生产与现浇结构工艺关系紧密、现浇结构的生产经验可良好移植、质量易保证、强度刚度大，缺点是重量大［2］。

图1 预制混凝土夹芯复合墙板Fig.1 Prefabricated Sandwich Concrete Panel

为了减轻PC 墙板的重量，通过提高内外叶墙体的抗拉强度以使较薄的预制墙板仍有良好的抗裂性能，是行之有效的方案。因此，基于纤维增强混凝土等高性能材料的墙板制作工艺及其性能，逐渐受到研究者的关注［3］。基于对高性能材料性能与成本的折中考虑，一些学者对仅利用如UHPC 等材料的抗裂性与耐久性制作墙板外叶，内叶仍采用RC 制作，也取得了良好的效果，如图2所示［4］。

图2 UHPC-RC夹芯复合墙板Fig.2 UHPC-RC Sandwich Panel

当内外叶墙板因使用高性能材料而逐渐变薄后，部分研究者采用多孔隙水泥基材料代替中层保温泡沫板以提高复合墙体的整体性、防止墙叶面外破坏，并提升保温层的使用寿命，如蒸压加气混凝土复合墙板等［5］。

1.1.2 预制条板

蒸压加气混凝土（ALC）因其密度仅为普通混凝土的1∕3 左右且具有一定的拉压强度，用其制作的预制条板在装配式建筑结构中应用广泛［6］，ALC 条板的基本构造如图3所示。

图3 蒸压加气混凝土预制条板Fig.3 Prefabricated Alc Strip Panel

相较于整块预制的夹芯复合墙板，预制条板充分考虑了生产模数化及吊运的便利性，其在做好嵌缝及与主体构件连接后可具有良好的整体强度、保温及隔声等性能。在装修性能上，配合条板内预设孔道可方便水电管线的埋设，且可根据装修需求对条板开洞，而不过分影响墙板结构稳定性，如图4所示。

图4 不同开孔样式的预制条板Fig.4 Strip Panels with Different Hollowing Styles

除了ALC 外，预制条板常采用的材料还包括蒸压轻质砂加气混凝土、玻璃纤维增强混凝土等。此外，利用工业废弃物、尾矿、秸秆等经过再生化处理以作为主要材料组分或掺合料的预制条板，也在我国发展绿色建筑的大环境下借助装配式建筑步入人们的视野，如ASA板、ECP板等［7，8］。

传统蒸压加气混凝土条板因其组分为多孔材料，墙面抹灰是其装修施工的必要环节。为了缓解抹面带来的质量问题，研究者基于复合墙板的构造方案提出将条板的面板和芯材采用不同材料制作，以使各组分发挥不同的使用功能，如图5 所示。此种条板的面板可以采用石膏或硅酸钙板等免抹灰建材，而芯板通常是通过胶凝材料凝聚的聚苯颗粒保温层，如石膏基聚苯颗粒、水泥基聚苯颗粒［9，10］。

图5 面板和芯材采用不同材料的预制条板Fig.5 Strip Panels Constructing with Different Materials for Surface and Internal Components

1.1.3 其它种类

除上述常用预制墙板外，轻钢龙骨预制复合墙板采用冷弯薄壁型钢为主要受力部件、外覆结构用板材、骨架内填保温隔热材料以形成整体，如图6 所示。因其骨架型材与钢结构具有天然的匹配性，故多用于低层或多层轻钢体系建筑的外墙，也可用于多层或高层混凝土框架的内外墙［11］。

图6 轻钢龙骨预制复合墙板Fig.6 Composite Wall Panel of Light-gauge Steel Structure

此外，实心预制墙板作为建筑内隔墙也有一些工程应用，如泡沫混凝土墙板、改性粉末混凝土实心墙板等。

1.2 预制墙体与主体框架连接构造

预制墙板与主体结构的连接构造，不仅对墙板的结构安全、防水保温性能有重要影响，还在很大程度上对结构整体的力学行为影响深远。以下给出预制墙板的常用连接构造形式。

1.2.1 外挂式

外挂墙板与主体结构的连接方式在受力形式上划分常包括点支承和线支承［12］，如图7 所示。在《装配式混凝土结构技术规程：JGJ 1-2014》所推荐的构造下，外挂墙板与主体结构预想中通常可以互不干扰地协同工作，墙板只作为荷载与质量的来源，对各主体构件设计内力产生影响，而不影响设计破坏模式［13］。

图7 外挂墙板与主体结构连接构造Fig.7 Connection Details Between Out-hang Panel and Main Structural Member

外挂墙板建筑功能缺点是显而易见的，即内露梁底易造成使用空间减少的错觉。因此，墙板内嵌式构造是另一种建筑功能上较优的解决方案。

1.2.2 内嵌式

内嵌构造预制墙板多为内隔墙所采用，当作为围护墙时可避免采用外挂墙板对室内建筑造型的影响［14］。当主体竖向构件为现浇时内嵌墙板侧缝防水性良好，当主体竖向构件预制时配合嵌缝胶亦可有良好的性能保障。内嵌墙板的结构安全性则通过预埋机械套筒辅以后设拉结筋实现，如图8所示。

在现行装配式建筑评价标准及竖向构件不预制的行业倾向下，为了解决内嵌墙体与叠合梁水平缝的漏水可能性并减少吊装次数，预制墙体内嵌构造中出现了一种“梁墙一体”的构件［15］。图9列出了2种实际工程中使用的“梁墙一体”预制方案。

图9 梁墙一体构件与主体结构连接构造Fig.9 Connection Details between Beam-wall Integrated Panel and Main Structural Member

2 装配式预制墙体承载性能设计方法

从前述装配式预制墙板的构造方式来看，其技术关注点往往集中在墙板建筑功能，及墙板自身以吊装安全性与安装静定性为度量的承载性能，而预制墙板对主体结构的影响研究较少。以下针对预制墙板自身承载性能及预制墙板对主体结构影响2方面的研究现状，对墙板设计方法进行讨论。

2.1 墙体自身承载性能

李砚波等人［16］利用数值方法对采用斜插筋对拉的混凝土夹芯板面外抗弯性能进行了分析，结果表明混凝土夹芯板挠曲刚度的重要影响因素为：①对拉钢筋弹性模量；②斜插筋的构造方式。

殷燕等人［17］对斜插筋对拉的混凝土夹芯板在地震作用下的抗侧力性能进行了试验研究，结果表明墙叶配筋网格尺寸相同的情况下，配筋率越大或墙叶配筋率相同但钢筋网格更密的墙体抗侧整体性更好。

徐虹等人［18］对装配式混凝土预制外围护墙在风荷载与温度荷载下，墙底水平拼缝的形成机理进行了数值分析。结果表明，温度荷载对装配式外墙的裂缝发展起着决定性作用，建议设置踢脚线以解决温差引发的预制墙体底部渗水裂缝。

陈博珊等人［19］对ALC 墙板的面外抗弯性能进行了试验研究，结果表明配筋率相同时，配筋根数增加有利于限制裂缝的宽度，配筋根数少时ALC 与钢筋粘结握裹能力较差，易出现粘结滑移。

许尽武［20］对一批钢筋泡沫混凝土夹芯复合墙板进行了抗弯、抗剪性能试验，结果表明夹芯板材料类型、混凝土强度、墙板厚等因素对复合墙板的弯剪性能影响显著。

从上述研究可知，增大预制墙板承载力及整体性的关键因素主要包括：①选择合适的内外叶墙拉结构造及提高拉结件的刚度；②提高墙叶配筋率及适度减少钢筋网尺寸；③增大墙板厚度、墙板材料强度、芯材强度。

2.2 墙体对主体结构承载性能的影响

在装配式建筑大力发展潮流的最初几年，由于“等同现浇”设计理念的不断宣贯，在设计与施工为主导的装配式市场格局下，以设计人员为主的大量装配式从业者常将“等同现浇”理念狭隘地采纳于建筑功能设计及结构构造设计的各方各面，在少考虑甚至是不考虑构件生产及施工安装便利性的基础上，发展出了一系列硬搬现浇结构设计理论的装配式建筑设计构造方法，认为如此即可保障结构的各项性能。随着行业对装配式建筑力学性能认知的不断加深，目前关于装配式设计方法的研究也逐渐转移至对装配式特有力学性能的探讨中。

唐伟等人［21］对采用预制条板填充的钢筋混凝土框架抗震性能进了试验研究，条形预制板间、墙板与主体框架间采用植筋或预埋件连接。结果表明，采用植筋连接的条形墙板在结构侧向变形较大时能适应主体框架的变形，对主体框架最终破坏形态影响不大，但在较小侧移时结构刚度提高较大。

林泽鑫等人［22］研究了装配式拼装型减震墙板框架结构的抗震性能，认为墙板与主体框架共同抵抗侧向力，可增强结构整体在小、中震下的耗能效果。

黄炜等人［23］对装配式混凝土预制墙体填充的框架在竖向、水平荷载共同作用下进行了拟静力试验，结果表明墙内布筋方式、墙底水平缝连接构造措施、墙侧竖缝几何形态对结构整体抗震性能影响很大。

方宜成［13］对含外挂夹芯复合墙板的连肢剪力墙结构进行了抗震性能研究，试件将外挂墙板底部与基础间设置通缝并打胶，且墙底设置只允许墙体面内水平滑动的角钢。结果表明，通过适当设计后外挂墙板对试件初始刚度影响较大，但对大震层间位移限值控制下的结构破坏形态基本无影响。

刘乐招［24］通过数值方法研究了装配式混凝土填充墙在墙体类型、高宽比、厚度、与框架间拉接方式改变时其对框架结构抗震性能的影响，结果表明相对于传统砌体填充墙，混凝土填充墙刚度大、整体性好、承载力高，对主体结构抗震性能影响大。

李久鹏［25］对外挂墙板与主体结构相互作用进行了研究，其认为若合理考虑外挂墙板对结构整体抗侧力的贡献，则可增强结构的整体抗震性能。

李国强等人［26］在H 型钢梁与矩形钢管柱构成的钢框架结构中采用外挂条形板作为围护结构，验证了外挂条形板对结构整体抗侧向力有刚度和强度贡献，并建议条形板与主体结构连接采用柔性连接。

陈长林等人［27］提出了一种适用于轻质整体式内隔墙板的柔性连接，对墙板与主体结构间的缝隙宽度、柔性连接的钢筋间距、直径、锚固深度等设计参数进行了静力弹塑性分析，表明在大震层间位移角作用下内隔墙对结构整体的静载推覆强度及刚度贡献较大。

上述研究表明，考虑墙板与主体结构的相互作用，合理利用其抗侧能力，可以达到耗散地震能量的效果。因此，在一定构造条件下，装配式预制墙体并没有实现如现浇结构一般仅作为荷载的来源，其可作为结构抗侧力体系的一部分，与主体结构共同为建筑整体的抗侧向变形及耗能提供正面作用。在装配式预制墙板设计时建议按以下方式考虑：①通过构造避免墙体与主体结构在大震作用下破坏模式相互影响；②通过设计及构造使墙体与主体结构在共同抵抗小、中震时，控制连接构造的相对变形，适度利用墙板对结构抗侧作用的正面效应。

3 结论

装配式建筑的设计不是结构安全问题的单一考量，而是结构安全、建筑功能、建筑耐久性、施工工艺、生产成本等一系列问题的解决方案的综合考虑。综合前人对装配式预制墙板的研究，其设计模式可归纳为以下几种考虑：①完全避免墙板参与结构抗震的贡献，这种方式在结构构造上仅需通过增大墙与主体间缝隙辅以柔性连接构造即可实现，但对于如防水嵌缝、建筑饰面的处理较难完美做到，因此这种方法并不适宜作为装配式墙板的设计准则；②完全考虑墙板参与结构抗震的贡献，即不论小震、中震或大震作用下，墙板均作为结构抗侧向力的来源，此种设计方式针对常见的采用较刚连接措施使墙板与主体结构自始至终紧密联系在一起的情况，在多遇地震的控制层间位移变化范围内墙体与主体结构即发生强烈相互作用，易使防水胶等建筑功能相关构造发生破坏，且因墙体与主体结构连接紧密而不便打胶更换，故而一定程度上抵触了“中震可修”的概念；③部分考虑墙板参与结构抗震的贡献，即只考虑罕遇地震作用下墙板对结构的抗侧力贡献，此种设计方式在墙板与主体结构间采用柔性连接，并将墙板与主体结构保持合适距离的缝隙以使其二者在中震以下工况中能以较小的相互影响协同变形，在层间位移较大时墙板通过接触作用，形成类似对角斜撑的受力模式，从而增加了结构整体的侧向刚度及抗震耗能性能，是一种可行性较高的墙板设计方案。