外墙板承重型装配式混凝土住宅结构体系研究

邹芳玉，裴春蕾，卫 格，王艺霖

(1.山东盛士力建筑工业科技有限公司,山东 烟台 265700;2.山东建筑大学 土木工程学院,山东 济南 250101)

混凝土结构在住宅建筑领域具有很多突出的优势[1-2]，在装配式的时代潮流影响之下，装配式混凝土住宅体系的研发也日益成为热点。作为墙体较多的建筑类型，住宅结构装配化研究的焦点也在于墙体。由于很多高层住宅采用剪力墙结构体系，对应的研究为装配式或装配整体式剪力墙结构，如李锡洲等[3]基于全装配式剪力墙结构，研究了螺栓连接型多层全装配式混凝土墙板结构(以预制墙板和预制楼板为主要承重构件)的力学性能并进行了实际案例分析；雷俤锋[4]将传统装配式剪力墙墙身分布筋在楼面处断开后以坐浆连接替代，得到一种SGBL装配整体式剪力墙。在偏于保守的情况下，为确保竖向承重构件的质量，也可采用现浇剪力墙，将楼板作为主要的预制构件，如谢龙宝等[5]面向实际工程采用了“现浇剪力墙+全预制实心板”的装配式结构体系并从结构布置、预制率分析、楼板对比等方面进行了详细探讨。此外，也有住宅采用的是框架体系，以利用其空间布置灵活的优势，对应的研究为装配式或装配整体式框架结构，如宋小辉等[6]针对装配式框架结构住宅在楼板构造上的一些缺陷，提出了一种免于现浇叠合的全预制型楼板，对预制板与预制梁、柱的搭接节点进行全新的构造设计，可显著降低现场湿作业量、快速完成整体拼装。同时，在预制构件的生产技术[7]、构件的现场连接技术[8]等方面也不断有新的研究成果出现。

但总体来看，剪力墙结构体系存在承重墙体多且不能拆、内部空间布置不太灵活的问题，框架结构体系存在柱子截面偏大、影响住宅室内空间使用的问题，仍有必要继续开发新型的结构体系。为此，本文将面向多层住宅，提出一种外墙板承重型装配式混凝土住宅结构体系，在一定程度上兼具剪力墙结构与框架结构的优势，进而结合实例对其力学性能、分析和设计方法进行深入探讨。

1 外墙板承重型装配式混凝土住宅结构方案

1.1 结构体系概述

外墙板承重型装配式混凝土住宅结构体系，主要包括承重型预制外墙板、预制楼板、楼梯系统。

承重型预制外墙板为夹芯式构造，包含承重内叶、保温隔热层和外叶。预制楼板可采用SP预应力空心板[9]，根据图集《SP预应力空心板》(05SG408)中的允许荷载表进行选型。预制楼板一般单向布置，直接支撑在住宅的外墙上。楼层处的连接构造为本方案的构造特色，将在1.4节详细介绍。

楼梯系统选取承重内墙+预制小板(含踏步板和休息平台板)的构造方案。若楼梯的纵向为南北向，被楼梯间打断的预制楼板可以将端部直接支撑在承重内墙上；若楼梯的纵向为东西方向，则需在承重内墙的角部布置豁口以支撑“过渡梁，该梁用来支撑楼板端部。

住宅内部的墙体为非承重墙，可采用蒸压加气混凝土墙板[10]等。

1.2 一般规定

(1)抗震等级的确定：设防烈度为8度、7度时，分别取三级、四级[9，11，12]。

(2)预制墙板的轴压比要求：三级时不大于0.15，四级时不大于0.2[11]。

(3)结构分析方法：可采用弹性方法[9，11]；地震作用可采用底部剪力法计算，各墙肢按照负荷面积分担地震力；采用后浇混凝土连接的预制墙肢可作为整体构件考虑。

(4)结构侧移要求：在风荷载或多遇地震作用下，按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高之比(Δue/h)不宜大于1/1 200[9，11]。

1.3 预制外墙板及其连接

1.3.1 最小墙厚与配筋要求

墙板厚度不宜小于140 mm且不宜小于层高的1/25，应配置双排双向分布钢筋网，水平及竖向分布筋的最小配筋率不小于0.15%[9，11]。

1.3.2 墙板的水平接缝

宜设置在楼面标高处，并应满足：水平缝灌缝或坐浆，接缝厚度宜为20 mm；接缝处应设置连接节点，节点间距不宜大于1 m；穿过接缝的连接钢筋数量应满足接缝受剪承载力的要求，且配筋率不应低于墙板竖向钢筋配筋率，连接钢筋直径 小于14 mm；钢筋的连接方式可采用套筒灌浆、浆锚搭接或焊接[9]。

1.3.3 墙板的竖向接缝

采用带后浇段的整体式竖向接缝连接方式，有利于保证结构的整体性、接缝的耐久性、防水及防火性能[9]。具体方式分为两种情况：

(1)普通竖向接缝(一字型墙板的直接连接)：在墙板内叶靠近边缘处沿竖向布置若干吊环螺栓(图1)，在相邻墙板就位之后这些吊环螺栓的竖向位置应上下交错，然后用一根竖向钢筋贯穿各吊环螺栓，之后向墙板接缝处灌入微膨胀混凝土。

图1 墙板侧面的吊环螺栓示意

(2)拐角处竖向接缝构造。此处有相互垂直的墙板需要进行连接，可采取与上类似的方式，具体如图2所示。

图2 墙板的垂直连接示意

1.3.4 构造边缘构件的设置

在水平或竖向尺寸大于800 mm的洞边、一字墙墙体端部、纵横墙交接处设置构造边缘构件[11]。基本要求：截面高度不宜小于墙厚、且不宜小于200 mm；截面宽度同墙厚；配置纵向受力钢筋、箍筋、箍筋架立筋；上下层构造边缘构件纵向受力钢筋可采用灌浆套筒连接、浆锚搭接连接等。

1.3.5 基础设计及预制墙板与基础的连接

采用现浇大平板基础，基础顶面应设置现浇混凝土圈梁[9]，圈梁上表面应设置粗糙面，各预制墙板与圈梁顶面之间的接缝构造应符合相关规范的要求[9]。墙板与基础的连接通过套筒灌浆的方式进行，选取墙板的部分竖向钢筋参与连接。

1.4 楼层处的连接构造

首先沿楼层处的周长布置一圈圈梁的预制部分(包括直线型和L型两大类)并围合一个封闭的矩形。在各预制部分向楼盖内部方向伸出弯钩钢筋，对相邻预制部分的临近弯钩钢筋进行绑扎连接，同时在预制部分的高度中部设有螺纹钢套筒作为灌浆通道，在预制部分的外侧布置一根竖向钢筋，其在靠近上下两端处各连接一个螺纹钢套筒，并在竖向钢筋的伸出部分加工有外丝，在上下层外墙板的外叶部分相应的位置预埋有预制铁盒，将竖向钢筋的伸出部分穿入铁盒之内并用螺母实现固定。更具体来说，连接构造要区分两种情况：

(1)预制楼板短边的支撑端如图3所示。

图3 预制楼板短边的支撑端构造剖面示意

主要连接步骤：将SP板支撑于下层的外墙板内叶上；沿一周布置好圈梁的预制部分并通过M12×60螺纹钢套筒及预埋铁盒、螺母实现与下层外墙板的连接；上层外墙板就位，并按同样的方式与圈梁的预制部分实现连接；将上、下层墙板内叶中的“竖向穿过SP板板缝的钢筋”连接起来，并将SP板板缝之间的拉结钢筋与圈梁预制部分的螺纹钢套筒进行连接；通过钢套筒向连接区域的内部围合空间内灌浆直至密实。

对于竖向穿过SP板板缝的钢筋：如果SP板纵向板缝的位置处正好对应有外墙板内叶之内的竖向分布钢筋，则直接将竖向分布筋延伸出来即可；否则需单独布置竖向连接筋。

(2)预制楼板长边的支撑端如图4所示。

图4 预制楼板长边的支撑端构造剖面示意

同时结合SP板长边方向也有钢筋拉锚的规范要求，可利用横向拉锚钢筋将边缘处的SP板与竖向墙板上部连接起来。

2 设计实例

以某二层住宅楼(七度设防)为例进行新型结构体系的设计说明(图5)，重点介绍楼板及布置、楼梯系统和外墙。

(a)首层平面；(b)顶层平面

2.1 楼板布置

选择厚度为300 mm的SP板，沿东西方向布置。二层和顶层的布置方案分别如图6、7所示。

图6 二层的SP板布置示意mm

图7 顶层的SP板布置示意mm

2.2 楼梯系统相关构造

在C轴和E轴各布置一个承重内墙，角部豁口支撑过渡梁，过渡梁支撑SP板端部，踏步板和休息平台板均为悬臂板的形式，与内墙采用套筒灌浆的方式进行连接，如图8所示。

(a)C轴承重内墙；(b)E轴承重内墙

均选用C30混凝土和HRB400钢筋。预制踏步板和休息平台板的信息如表1所示。

表1 预制踏步板和休息平台板信息

过渡梁长度为2 220 mm，设计得到断面示意如图9所示。

图9 过渡梁的断面示意 mm

承重内墙的厚度为180 mm，经过荷载分析、豁口处局部受压验算并考虑各悬挑板的连接筋布置后可得到配筋方案。以C轴承重内墙为例，配筋如图10所示。

图10 C轴承重内墙的配筋示意mm

2.3 外墙构造、布置及配筋方案

高度统一取为3 m。可分为实心墙板、带窗洞墙板、带门洞墙板、窗下墙板，布置方案如图11所示。

(a)一层；(b)二层

外墙板的信息汇总如表2所示。

表2 外墙板信息汇总

支撑梁的实际长度为3 510 mm，设计得到的断面尺寸及配筋与“过渡梁”一致(图10)。

其余外墙板厚度240 mm(内叶120 mm、芯层70 mm、外叶50 mm)。确定内叶配筋时取宽度为1 m的墙板作为计算单元。南北方向的外墙板为主要的承重墙板，结合《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)[9]，在七度设防区按三级考虑，而东西方向的剪力墙可按四级考虑。经过初选、剪力设计值验算、正截面受压承载力验算、斜截面受剪承载力验算、最小配筋率验算，设计得到各普通剪力墙(无窗洞)的配筋如表4所示。

表4 各普通剪力墙(无窗洞)的配筋

表5 短肢剪力墙的基本信息与配筋

本例中的带窗洞剪力墙包括③、④、⑥号墙板，需要在洞口两侧加设端柱。进而得到配筋方案如表6所示。

表6 带窗洞剪力墙的基本信息和配筋

3 结 论

用于住宅的装配式混凝土结构体系是目前的研究热点与难点，为了达到更好的技术经济性、切实提高装配率和施工便利性，本文依托某二层住宅楼实例，提出了一种新型的外墙板承重型装配式混凝土住宅结构体系。该体系的水平承重构件为全预制SP板，竖向承重构件为全预制夹芯式外墙板，在楼层处的构件连接方式上具有突出的创新性，采用的全预制悬臂板式楼梯系统具有一定的特色，具有很高的预制率和装配率，各预制构件的体量适中，便于运输和安装，节点处的连接可靠，且在内部空间的布置上具有很高的灵活性。研究表明，本外墙板承重型装配式混凝土住宅结构体系具有完善的规范依据、全面的计算体系支撑，可快速得到合理的设计结果，因此具有很强的工程应用潜力。