某超限项目中轻质条板隔墙及连接件抗震设计分析

刘 宇， 郑佳丽

(成都华宇建筑设计有限公司，四川成都 610000)

在装配式建筑、绿色建筑大力推广和深入发展的产业背景下，轻质条板隔墙作为一种环保节能、轻质高强、施工便捷的新型材料，在建筑工程中得到了广泛运用[6]。对于传统的砌体填充墙，我国已作出了大量的研究，而对轻质条板隔墙的构造措施和抗震设计的相关研究甚少。目前国内仅有JGJ 339-2015《非结构构件抗震设计规范》[1]、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[5]等作为设计依据，其中的设计参数、材料强度影响因素、裂缝控制及抗震连接还有待后续深入研究完善。

1 工程概况

华地恒通·乐荟城项目位于西昌市航天大道东沿线北侧，根据GB 50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[7]、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[5]和GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》[8]，可得西昌市抗震设防烈度为9度(0.4g)。普通内隔墙的功能级别为三级，钢卡件功能级别为二级。

本工程采用改性石膏条板内隔墙设计方案，改性石膏条板运用于7～15层内隔墙，层高均为3.8 m，计算条板高度时统一取梁高600 mm。此方案超过JGJ/T 157-2014《建筑轻质条板隔墙技术规程》[9]中，轻质条板适用于抗震设防烈度8度及8度以下地区规定。因本工程地处设防烈度为9度区，故按超限项目进行抗震设计。

本工程钢卡件采用厚度为 4 mm的 Q235 钢(容重78.5kN/m3，f=215N/mm2，fy=235N/mm2)。石膏条板及抗震钢卡件安装如图1所示。本工程内隔墙的两侧及上部与主体结构之间均采用柔性连接。

图1 石膏条板及抗震钢卡件安装(单位：mm)

2 轻质条板及连接件抗震设计

2.1 计算假定

(1)由于轻质条板与主体结构采用了柔性连接，可仅进行抗震钢卡件在内隔墙平面外的抗震承载力验算。钢卡件在内隔墙平面外按悬臂构件考虑。

(2)本工程采用改性石膏条板的抗压强度(约4.7 MPa)是抗拉强度(约1.0 MPa)的4倍以上，而轻质条板平面外抗弯验算是由其抗拉强度控制的。一方面，条板的重力荷载引起的应力为压应力，对条板的承载力有利；另一方面，9度区竖向地震作用取重力荷载的20 %，其引起的拉应力虽对条板承载力不利，但小于重力荷载引起的压应力，故本工程为简化计算，不考虑重力荷载及竖向地震作用是偏安全的。

2.2 轻质条板平面外抗弯

本工程选用改性石膏条板的规格为 2950 mm×600 mm×120 mm，面密度为 88 kg/m2。根据10J 113-1《内隔墙-轻质条板》[3]图集规定，条板上端在两板拼缝处用抗震钢卡件与主体结构连接；考虑本工程抗震设防烈度高于规范图集8度区要求，条板下端采用2 mm厚抗震钢卡件与楼地面连接，如图2～图3所示。

图2 轻质条板与上部主体结构连接构造

图3 轻质条板与楼地板连接构造

将轻质条板受水平地震力的计算简化为简支梁跨中受集中荷载的模型[4]，如图4所示，H为轻质条板高度。

图4 轻质条板平面外抗弯计算模型

根据JGJ 339-2015《非结构构件抗震设计规范》，采用等效侧力法计算水平地震作用F，计算公式如下：

F=γηζ1ζ2αmaxG

(1)

式中:G为非结构构件的重力；αmax为水平地震影响系数最大值；γ为非结构构件功能系数，一、二级分别取1.4、1.0；η为非结构构件类别系数；ζ1为状态系数，对预制建筑构件、悬臂类构件、支承点低于质心的建筑附属设备和柔性体系宜取2.0，其余情况可取1.0；ζ2为位置系数，建筑的顶点宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度线性分布。

本工程中γ取1.0；η按非承重内隔墙中其他隔墙、丙类建筑查规范取0.6；ζ1取2.0；ζ2根据F取最大值时考虑，应按建筑的顶点取2.0；本工程位于发震断裂5 km以内，结合GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，应将地震影响系数最大值乘以增大系数1.5。综上可得采用等效侧力法计算的水平地震作用最大值：

Fmax=γηζ1ζ2αmaxG=1.0×0.6×2.0×2.0×0.32×1.5×88×0.6×(3.8-0.6)×10÷1000=1.95kN

(2)

再根据轻质条板平面外抗弯计算模型，可以得到跨中弯矩的计算公式如下：

(3)

由式(2)和式(3)可得条板跨中最大弯矩：

(4)

现行JG/T 169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》[2]中规定120 mm厚轻质条板抗弯破坏荷载/板自重倍数N≥1.5，结合工程实际，本工程提高了120 mm厚轻质条板抗弯破坏荷载/板自重倍数N的数值。由此可得120 mm厚改性石膏条板平面外抗弯承载力Mcr如下：

(5)

轻质条板在水平地震作用下的平面外受弯应满足下式：

Mmax≤Mcr

(6)

由式(5)、式(6)可得，

(7)

本工程用改性石膏条板(2 950 mm×600 mm×120 mm)经检测得条板抗弯破坏荷载/板自重倍数N=3.3，满足要求。

2.3 钢卡件承载力验算

10J 113-1《内隔墙-轻质条板》中规定U型抗震钢卡件统一采用1.5 mm厚，U型钢卡件具体尺寸如图5所示。

图5 图集标准U型钢卡件(单位：mm)

对图集中通用的U型钢卡件按悬臂构件验算平面外受弯承载力。根据JGJ 339-2015《非结构构件抗震设计规范》，采用等效侧力法计算水平地震作用F。计算公式中U型钢卡件的非结构构件类别系数η取1.2，其余参数取值同轻质条板水平地震作用F计算公式取值。由此可得条板作用于U型钢卡件的水平地震作用力最大值为：

(8)

U型钢卡件对条板的支承作用在翼缘高度中心，由式(8)可得单个U型钢卡件翼缘最大弯曲应力：

式中：M为钢卡件计算弯矩；Ws1为钢卡件抵抗弯矩截面模量(钢卡厚4 mm)。

即现行图集中标准U型钢卡件不能满足本超限工程抗震设计要求。结合工程实际，现采用4 mm厚U型钢卡件，U型钢卡件具体尺寸如图6所示。

图6 4 mm厚钢卡件尺寸示意(单位：mm)

对U型钢卡件翼缘按悬臂构件进行平面外抗弯承载力验算。由式(8)可得单个U型钢卡件U型钢卡件翼缘最大弯曲应力：

通过上述对比验算可知，现行规范图集给定的轻质条板抗弯承载力以及钢卡件标准尺寸还不能满足一些复杂超限工程项目。设计者在进行轻质条板超限项目设计时，应结合现行规范图集，提高轻质条板实际抗弯破坏荷载/板自重倍数数值以及抗震卡件截面尺寸，以满足轻质条板和钢卡件在水平地震作用下的平面外抗弯承载力要求。

3 结束语

现行规范图集对砌体隔墙的构造及抗震设计已较为成熟，而对轻质条板隔墙的构造措施及在高烈度区水平地震作用下的抗震设计规定还有待完善，尤其对于超限轻质隔墙项目设计经验积累较少。本工程位于9度抗震设防烈度区，按超限项目对轻质隔墙进行设计。在现有规范图集的指导下，结合工程实际，对轻质条板和U型钢卡件在水平地震作用下的平面外抗弯承载力进行验算，并满足抗震设计要求。通过与现有规范图集的对比分析，提出了以下用于轻质隔墙超限项目的加强设计措施。

(1)现行JG/T 169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》 中规定90 mm、120 mm、150 mm厚轻质条板抗弯破坏荷载/板自重倍数N≥1.5,在该规范规定抗弯破坏荷载不能满足轻质条板抗弯承载力时，可提高此倍数N的数值，使条板平面外最大弯矩设计值小于平面外抗弯承载力设计值，满足抗震要求。

(2)10J 113-1《内隔墙-轻质条板》 中规定U型抗震钢卡件统一采用1.5 mm厚,将U型钢卡件翼缘按悬臂构件进行平面外抗弯承载力验算，计算得到的最大应力值偏于不安全。本工程采用了加大U型钢卡件厚度及长度尺寸的方案，提高了U型钢卡件的平面外抗弯承载力至抗震设计要求。