外挂墙板设计与应用-装配式混凝土建筑设计与应用

图4-35　外挂墙板

对于传统的现浇混凝土结构，外围护墙在主体结构完成后采用砌块砌筑，这种墙也被称为二次墙。为了加快施工进度、缩短工期，将外围护墙改成预制钢筋混凝土墙，将墙体进行合理的分割及设计后，在工厂预制，再运至现场进行安装，实现了外围护墙与主体结构的同时施工。这种起围护、装饰作用的非承重预制混凝土墙板通常采用预埋件或留出钢筋与主体结构实现连接，因此被称作预制外挂墙板，简称外挂墙板，如图4-35所示。

外挂墙板是由混凝土板和门窗等围护构件组成的完整结构构件，主要承受自重以及直接作用于其上的风荷载、地震作用、温度作用等。因此，外挂墙板应进行结构设计，并应符合承载能力极限状态和正常使用极限状态的所有设计规定。同时，外挂墙板也是建筑物的外围护结构，其本身不分担主体结构承受的荷载。作为建筑物的外围护结构，绝大多数外挂墙板均附着于主体结构，必须具备适应主体结构变形的能力。外挂墙板适应变形的能力，除自身的刚度、承载力和稳定性要求外，可以通过多种可靠的构造措施来保证，比如足够的胶缝宽度、构件之间的活动连接等。

根据《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231），外挂墙板与主体结构的连接节点应具有足够的承载力和适应主体结构变形的能力。外挂墙板和连接节点的结构分析、承载力计算和构造要求应符合国家现行标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）和《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）等规范的有关规定。

①外挂墙板的分类

根据制作的不同，预制外挂墙板可分为预制混凝土夹心保温外挂墙板和预制混凝土非保温外挂墙板。

预制混凝土夹心保温外挂墙板

预制混凝土夹心保温外挂墙板是集维护、保温、防水、防火等功能于一体的重要装配式构件，由内叶墙板、保温材料、外叶墙板三部分组成，如图4-36所示。其基本构造如图4-37所示。

图4-36　预制混凝土夹心保温外挂墙板

图4-37　预制混凝土夹心保温外挂墙板构造

预制混凝土夹心保温外挂墙板宜采用平模工艺生产，生产时，一般先浇筑外叶墙板混凝土层，再安装保温材料和拉结杆，最后浇筑内叶墙板混凝土。当采用立模工艺生产时，应同步浇筑内、外叶墙板混凝土层，并应采取保证保温材料及拉结杆件位置准确的措施。外叶墙只是作为保护层使用，不与内叶墙形成组合构件，外叶墙的自重完全由内叶墙承担，并且外叶墙不参与内叶墙的受力分配，内叶墙和外叶墙的受力和温度变形行为完全独立，因此要求保温拉接件在侧向具有较好的抗拉、抗弯、抗剪强度和足够的弹性和韧性，保证外叶墙在温度变化时可以自由胀缩，不会开裂。

图4-38　预制混凝土非保温外墙板

预制混凝土非保温外墙板

预制混凝土非保温外挂墙板是在预制车间加工并运输到施工现场吊装的钢筋混凝土外墙板，如图4-38所示。在板底设置预埋铁件，通过与楼板上的预埋螺栓连接达到底部固定，再通过连接件达到顶部与楼板的固定。其在工厂采用工业化生产，具有施工速度快、质量好、维修费用低的特点。

②外挂墙板的连接

外挂墙板是建筑外围护结构或装饰结构，必须可靠地固定在主体结构上。外挂墙板与主体结构通常通过预埋件和钢筋进行结构性连接。锚固连接破坏通常属于脆性破坏，一旦发生，会产生十分严重的后果。因此，外挂墙板与主体结构的锚固连接必须牢固、可靠；连接件与主体结构的锚固承载力应通过计算或试验确认，并需适当留有余地，任何情况下不允许发生锚固破坏。支承外挂墙板的结构连接件、锚固件以及主体结构、结构构件，设计时应当以外挂墙板传递的荷载、地震作用为基本依据，避免发生承载力破坏或过大的变形，影响外挂墙板的质量或安全。

根据《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231）：在正常使用状态下，外挂墙板应具有良好的工作性能。外挂墙板在多遇地震作用下应能正常使用；在设防烈度地震作用下经修理后应仍可使用；在预估的罕遇地震作用下不应整体脱落。抗震设计时候，外挂墙板与主体结构的连接节点在墙板平面内应具有不小于主体结构在设防烈度地震作用下弹性层间位移角3倍的变形能力。

外挂墙板与主体结构的柔性连接可分为滑动型、转动型和固定型，如表4-10所示。

滑动型连接

外挂墙板的承重边水平固定于主体构件上，非承重边与主体可以相对错动，连接节点可采用单边线支承、点支承或点线组合支承。

转动型连接

外挂墙板相对于主体结构能绕其中一个承重点发生相对转动，连接形式可采用固定线支承或点支承。

固定型连接

外挂墙板完全固定于主体结构梁或柱上，连接形式可采用固定线支承或点支承。

表4-10　柔性连接外挂墙板与主体结构的相对变形

根据《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231），外挂墙板与主体结构采用点支承连接时，节点构造应符合下列规定：

a.连接点数量和位置应根据外挂墙板形状、尺寸确定，连接点不应少于4个，承重连接点不应多于2个。

b.在外力作用下，外挂墙板相对主体结构在墙板平面内应能水平滑动或转动。

c.连接件的滑动孔尺寸应根据穿孔螺栓直径、变形能力需求和施工允许偏差等因素确定。

根据《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231），外挂墙板与主体结构采用线支承连接时（图4-39），节点构造应符合下列规定：

a.外挂墙板顶部与梁连接，且固定连接区段应避开梁端1.5倍梁高长度范围。

b.外挂墙板与梁的结合面应采用粗糙面并设置键槽；接缝处应设置连接钢筋，连接钢筋数量应经过计算确定且钢筋直径不宜小于10 mm，间距不宜大于200 mm；连接钢筋在外挂墙板和楼面梁后浇混凝土中的锚固应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）的有关规定。

图4-39　外挂墙板线支承连接示意图
1—预制梁；2—预制板；3—预制外挂墙板；
4—后浇混凝土；5—连接钢筋；
6—剪力键槽；7—面外限位连接件

c.外挂墙板的底端应设置不少于2个仅对墙板有平面外约束的连接节点。

d.外挂墙板的侧边不应与主体结构连接。

③外挂墙板的计算

根据《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1），计算外挂墙板及连接节点的承载力时，荷载组合效应设计值应符合下列规定：

a.持久设计状况：

当风荷载效应起控制作用时：

当永久荷载效应起控制作用时：

b.地震设计状况：

在水平地震作用下：

在竖向地震作用下：

式中：S——基本组合的效应设计值；

　　　SEh——水平地震作用组合的效应设计值；

　　　SEv——竖向地震作用组合的效应设计值；

　　　SGk——永久荷载的效应标准值；

　　　Swk——风荷载的效应标准值；

　　　SEhk——水平地震作用的效应标准值；

　　　SEvk——竖向地震作用的效应标准值；

　　　γG——永久荷载分项系数；

　　　γw——风荷载分项系数，取1.4；

　　　γEh——水平地震作用分项系数，取1.3；

　　　γEv——竖向地震作用分项系数，取1.3；

　　　ψw——风荷载组合系数。在持久设计状况下取0.6，地震设计状况下取0.2。

在持久设计状况、地震设计状况下，进行外挂墙板的连接节点的承载力设计时，永久荷载分项系数γG应按下列规定取值：

a.进行外挂墙板平面外承载力设计时，γG应取为0；进行外挂墙板平面内承载力设计时，γG应取为1.2；

b.进行连接节点承载力设计时，在持久设计状况下，当风荷载效应起控制作用时，γG应取为1.2，当永久荷载效应起控制作用时，γG应取为1.35；在地震设计状况下，γG应取为1.2，当永久荷载效应对连接节点承载力有利时，γG应取为1.0。

在计算外挂墙板的地震作用标准值时，可采用等效侧力法，并按下式计算：

式中：qEk——分布水平地震作用标准值（k N/m2），当验算连接节点承载力时，连接节点地震作用效应标准值应乘以2.0的增大系数；

　　　βE——动力放大系数，不应小于5.0；

　　　αmax——水平多遇地震影响系数最大值，应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011）有关规定；

　　　Gk——外挂墙板的重力荷载标准值（k N）；

　　　A——外挂墙板的平面面积（m2）。

④算例：大开洞线支承预制混凝土外挂墙板的设计方法

Ⅰ.设计内容

墙板配筋；

连接节点设计。

Ⅱ.内力计算模型

墙板的配筋

平面外受力验算⇨等效简支梁（图4-40）。

平面内受力验算⇨等效单层U形刚架（图4-41）。

图4-40　等效简支梁

图4-41　等效单层U形刚架

连接设计标准（表4-11）

表4-11　连接设计标准

Ⅲ.荷载工况及组合

荷载工况

·自重标准值

式中：γp——混凝土容重；

　　　V——为混凝土体积。

·风荷载标准值

式中：βgz——高度z处的阵风系数；(www.xing528.com)

　　　μs1——风荷载局部体型系数；

　　　μz——风压高度变化系数；

　　　w0——基本风压（k N/m2）；

　　　A0——外挂墙板的平面面积（m2）。

·地震荷载标准值

水平地震荷载标准值：

式中：βE——动力放大系数，不应小于5.0；

　　　αmax——水平多遇地震影响系数最大值，应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011）的有关规定；

　　　Gk——外挂墙板的重力荷载标准值（k N）。

竖向地震荷载标准值：

荷载组合

·面外水平荷载组合设计值

水平地震基本组合：

风荷载基本组合：

·面外水平荷载组合标准值（使用阶段）

水平地震标准组合：

风荷载标准组合：

·面外施工工况标准组合设计值

脱模吸附力组合设计值：

式中：A1——墙板和模具接触面积（m2）；

　　　f——脱模吸附力，取1.5 k N/m2。

自重组合设计值：

式中：γc——动力系数，取1.5。

·平面内水平荷载组合设计值

式中：γEh——水平地震作用分项系数。

·平面内水平荷载组合标准值

·平面内竖向荷载设计值

式中：γG——重力荷载分项系数，一般情况应取1.2，当重力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于1.0；

　　　γEv——竖向地震作用分项系数。

设计时荷载组合的选取（表4-12）

表4-12　荷载组合选取

Ⅳ.内力计算

平面外

式中：αM——内力值系数，使用阶段取0.125（简支），施工阶段取0.021（双悬臂）；

　　　S——荷载；

　　　L0——外挂墙板的计算跨度。

·承载力极限状态

墙板分布筋配筋计算：

式中：M——墙板计算截面的弯矩设计值。

其他参数选取可按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010）取值。

设计时应注意最大配筋率ρmax和最小配筋率ρmin的检查。最小配筋率可按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010）取值。最大配筋率按照下式计算：

式中：ξb——相对界限受压区高度；

　　　α1——系数，混凝土等级不超过C50时，取1.0；当混凝土强度等级为C80时，取0.94；其间按线性内插法确定；

　　　fc——混凝土抗压强度设计值；

　　　fy——钢筋抗拉强度设计值。

·正常使用极限状态

式中：wmax——最大裂缝宽度，按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010）确定；

　　　α——挠度系数（简支梁取5/48）；

　　　Mk——按荷载的标准组合计算的弯矩，取计算区段内的最大弯矩值；

　　　B——考虑荷载长期影响的刚度，可取EcIk，其中Ec为混凝土弹性模量，Ik为墙板计算截面的惯性矩；

　　　L0——外挂墙板的计算跨度。

平面内

·U形刚架内力（图4-42）

式中：k——梁柱线刚度比。

·承载力极限状态

M2求出后，As计算同平面外。

·正常使用极限状态

正常使用极限状态计算同平面外计算方法。

Ⅴ.节点设计

图4-42　平面内弯矩图

线支承连接钢筋

水平及竖向剪力：

多遇地震：

罕遇地震：

式中：Asd——线支承钢筋截面积；

　　　fc——混凝土抗压强度设计值；

　　　fy——钢筋抗拉强度设计值；

　　　fck——混凝土抗压强度标准值；

　　　fyk——钢筋抗拉强度标准值。

底部限位连接板

底部限位连接板的设计应满足《混凝土结构设计规范》（GB 50010）9.7节的相关规定，并满足《钢结构设计规范》（GB 50017）的相关要求。

式中：S——承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；

　　　R——结构构件抗力设计值。