裝配式建筑預制混凝土外墻結構設計
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摘要：廣州某高層住宅小區(qū)結構設計采用剪力墻結構體系，其外墻凸窗采用預制混凝土墻體。凸窗在工廠預制生產(chǎn)，現(xiàn)場吊裝定位后，與周邊的剪力墻和梁現(xiàn)場整澆。預制混凝土外墻可采用懸掛式和側連式的連接構造形式，本項目采用側連式。本文詳細介紹了凸窗預制墻體的受力分析和結構設計方法，可為類似的PC結構設計提供參考。
關鍵詞：預制混凝土外墻；受力分析；設計方法
1概述
我國正處于經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，也處于城鎮(zhèn)化率30%~70%的快速發(fā)展區(qū)間，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展促使了建筑業(yè)的飛速擴張，同時也帶來了能源和污染雙重危機。目前我國建筑能耗占總能耗的30%［1］以上，我國要實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，必須提高住宅產(chǎn)業(yè)的集約化程度，促進住宅建設整體水平提高。《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014－2020年）》指出要提高城市可持續(xù)發(fā)展能力，實施綠色建筑行動計劃，強力推進建筑工業(yè)化。2016年國務院常務會議指出按照推進供給側結構性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求，大力發(fā)展鋼結構、混凝土等裝配式建筑。隨后國務院辦公廳印發(fā)了《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》，指出要力爭用10年左右的時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。裝配式建筑（簡稱PC）是以預制構件為主要構件［2］，經(jīng)裝配、連接而成的混凝土結構。簡單的說，是經(jīng)規(guī)劃設計將建筑物拆分成構件在工廠里預制生產(chǎn)，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，在工地拼裝建造的工法。而預制裝配式混凝土外墻掛板作為PC建筑的重要組成部分，因其出色的工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量，較好地解決了傳統(tǒng)建筑外墻漏水、裂縫等頑疾，而成為采用預制部位的首選目標。裝配式結構經(jīng)常采用“內(nèi)澆外掛體系”，即建筑結構主體采用現(xiàn)場澆注混凝土，外墻采用預制混凝土構件的結構體系。根據(jù)深圳市《預制裝配混凝土外墻技術規(guī)程：SJG24-2012》，PC外墻應按非結構構件考慮，整體分析應計入PC外墻板及連接對結構整體剛度的影響。PC外墻可采用懸掛式和側連式的連接構造形式，并根據(jù)不同的連接形式采用相應的計算方法。
2裝配式外墻工程案例
某工程項目位于廣州市科學城東部，有3棟32～34層的住宅樓采用預制構件，預制構件包括外墻凸窗和室內(nèi)樓梯。34層住宅主屋面高度為97.65m，32層住宅主屋面高度為92.05m，地下2層。結構選用剪力墻結構體系，樓蓋為現(xiàn)澆梁板樓蓋，建筑周圈梁的梁截面為（200～300）mm×550mm，與窗洞口齊平。本工程的凸窗采用預制墻板體系，現(xiàn)場吊裝定位后，與周測的剪力墻和梁現(xiàn)場整澆。預制墻板混凝土等級為C30，預制墻板與主體結構之間的連接鋼筋采用HRB400級，墻板鋼筋采用HPB300和HRB400兩種級別。在該工程中預制外墻主要采取外掛的形式，上端采用U型鋼筋與梁連接，并設置剪力鍵，兩側采用單排鋼筋與墻、柱連接，下端為自由。
3預制墻體設計驗算
3.1預制墻體受力分析
3.1.1正常使用階段在主體結構設計時，應考慮預制構件對地震力的影響。由于多數(shù)預制外墻都設有較大的窗洞口，其剛度的影響較小，可以作為非承重墻體按照規(guī)范要求適當調(diào)整周期折減系數(shù)。地震力計算時，在模型中邊梁剛度可考慮放大1.5倍。預制外墻設計時應考慮風荷載、地震作用，并按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合，并應取各自的最不利的效應組合進行設計。3.1.2施工階段對于構件在起吊、運輸、安裝過程，建議采用鋼構件臨時加固方式，以提高其強度和剛度，保證構件不產(chǎn)生裂縫、開裂以至破壞，鋼構件又可以重復使用。設計時應復核起吊、運輸、安裝構件的強度和裂縫。
3.2荷載計算
3.2.1風荷載根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范：GB50009-2012》（以下簡稱“荷載規(guī)范”）進行計算。結合本工程所處的環(huán)境和位置，地面粗糙度類別取C，主體結構為塔樓，體型系數(shù)取1.4，驗算圍護結構時，采用50年一遇的風壓。根據(jù)荷載規(guī)范公式8.1.1-2，計算圍護結構時，風荷載標準值的計算公式為：wk=bgzms1mzw0式中：w0為基本風壓，w0=0.50kN/m2；bgz為陣風系數(shù)，查荷載規(guī)范bgz=1.695；ms1為局部風荷載體型系數(shù)，按《預制裝配混凝土外墻技術規(guī)程（深圳市標準）：SJG24-2012》第6.3.3條規(guī)定，驗算預制外墻在風荷載平面外的承載力時，ms1不應小于2；mz為最高屋面的風壓高度變化系數(shù)，本工程建筑物最高高度97.65m，mz=1.484）。將以上參數(shù)代入公式，得wk=1.695×2.0×1.484×0.50=2.52kN/m2。3.2.2地震作用根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范：GB50011-2010》，本工程場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組為第一組。水平地震對預制外墻的作用計算方法如下：根據(jù)《預制裝配整體式鋼筋混凝土結構技術規(guī)范（深圳市標準）：SJG18-2009》第6.5.1條的規(guī)定，qE=3aEmq，其中，qE為多遇地震作用下垂直于單位面積外墻掛墻板的水平地震作用；aE為多遇地震作用下外掛墻板所在樓層的加速度，根據(jù)設計軟件中查得樓層地震作用與該層樓層重力荷載代表值之比的最大值為0.0594，取樓層加速度aE=0.08；mq為單位面積外掛墻板的質(zhì)量.
3.3預制墻板承載力驗算
3.3.1窗側豎板沿PC面內(nèi)方向的抗彎承載力驗算（地震作用沿PC窗面內(nèi)方向）以其中某一類型的墻板為例。進行窗側豎板沿PC面內(nèi)方向的抗彎承載力驗算時，邊界條件可按窗頂固定，其它三邊自由考慮。驗算窗洞兩側的窗側豎板在設防烈度地震作用（以下簡稱“中震”）下、罕遇地震作用（以下簡稱“大震”）下是否滿足設定的抗震性能目標。設防烈度地震作用近似取3aEmq，罕遇地震作用近似取6aEmq。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范：GB50011-2010》第5.4.2條規(guī)定，結構構件的截面抗震驗算，應采用的公式為：S≤R/γRE，其中γRE取0.80。根據(jù)結構設計軟件的結果，窗側豎板根部的彎矩M中（中震）=3.5kN•m3；M大（大震）=5.1kN•m3；窗側豎板截面b=700mm，h=200mm。⑴驗算中震作用下是否滿足彈性要求M中=3.5kN•m3，根據(jù)受彎構件承載力計算公式計算，相對界限受壓區(qū)高度ξb=β1［1+fy/（Es×εcu）］=0.518，求得As=49mm2，配筋率ρ=As/（bh）=0.035%，最小配筋量As，min=280mm2。實際配筋3○14+2○12，配筋面積688mm2，滿足中震彈性要求。⑵驗算大震作用下是否滿足不屈服要求M大=5.1kN•m3，根據(jù)受彎構件承載力計算公式計算，相對界限受壓區(qū)高度ξb=β1［1+fyk/（Es×εcu）］=0.498，求得As=64mm2，配筋率ρ=As/（bh）=0.046%，最小配筋量As，min=bhρmin=280mm2。實際配筋3○14+2○12，配筋面積688mm2，滿足大震不屈服要求。3.3.2窗側豎板沿PC面外方向的抗彎承載力驗算（地震作用沿PC窗面外方向）首先要驗算窗洞兩側的窗側豎板在中震、大震作用下是否滿足設定的抗震性能目標。中震的地震作用近似取3aEmq，大震的地震作用近似取6aEmq。根據(jù)軟件計算結果，窗側豎板根處彎矩M中=6.3kN•m3；M大=8.8kN•m3；窗側豎板截面b=200mm，h=700mm。⑴驗算中震作用下是否滿足彈性要求M中=6.3kN•m3，根據(jù)受彎構件承載力計算公式計算，相對界限受壓區(qū)高度ξb=0.518，求得As=21mm2，配筋率ρ=0.015%，最小配筋量As，min=280mm2。實際配筋2○14mm2，配筋面積308mm2，滿足中震彈性要求。⑵驗算大震作用下是否滿足不屈服要求M大=8.8kN•m3，根據(jù)受彎構件承載力計算公式計算，相對界限受壓區(qū)高度ξb=0.498，求得As=27mm2，配筋率ρ=0.019%，最小配筋量As，min=280mm2。實際配筋2○14，配筋面積308mm2，滿足大震不屈服要求。3.3.3窗臺橫板沿PC面外方向的抗彎承載力驗算（地震作用沿PC窗面外方向）按窗底自由，其他三邊固定考慮，驗算窗臺板是否滿足在小震彈性的抗震性能目標及風荷載作用下的承載力，具體計算略。
4結語
工廠化預制混凝土墻工藝的出現(xiàn)，很大程度上改變了傳統(tǒng)的作業(yè)方式，外墻板、樓梯、陽臺板等主要構件都由工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場吊裝。鋁合金門窗框與預制外墻板一起澆搗，徹底杜絕了鋁窗滲水的通病，由于工廠化的程度提高，很大程度上減少了現(xiàn)場濕作業(yè)，施工工期比傳統(tǒng)施工工藝的施工工期提高了很多，為總體施工創(chuàng)造了有利條件，現(xiàn)場文明施工也有很大的提高［3-4］。住宅產(chǎn)業(yè)化項目可有效減少施工噪聲及能源和材料的浪費，實現(xiàn)綠色施工，取得良好的經(jīng)濟效益。目前，從預制裝配式建筑在發(fā)達國家和地區(qū)的實踐經(jīng)驗來看，其發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢［5-6］。
參考文獻
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作者：肖芳 王景梅 李明 單位：廣東交通職業(yè)技術學院 廣州萬科企業(yè)有限公司