预制混凝土内嵌外围护墙研究（一）

时间：2020-09-17 14:12:10 来源： CABR建筑工业化周剑

装配式混凝土建筑在国内应用日渐广泛，国家标准、行业标准及各地方标准中也给出了比较系统和完整的技术要求。但是在应用过程中，仍然发现存在各种共性的技术问题，从理论上或者实践上没有得到很好的解决。中国建筑科学研究院建研科技建筑工业化研究中心是专门从事装配式建筑领域技术研发和设计咨询的团队，近年来结合工程实践对部分热点问题开展了系统的研究。
01 / 研究介绍

1.1 研究背景

目前，外墙采用夹心保温剪力墙的装配式混凝土剪力墙结构住宅中，由于控制成本（控制剪力墙数量）、结构计算需要（增加连梁跨高比、山墙开结构洞）等实际情况，导致外墙中一般存在一定数量的非承重围护墙，一般当抗震设防烈度较高时，非承重墙数量较少，烈度较低时数量较多。

在传统现浇结构中，非承重围护墙一般采用二次砌筑的形式，而在装配式剪力墙结构中，为实现外墙的一体化、方便生产和施工，一般将这些非承重围护墙预制化，和主体结构构件同时安装及施工。本文将此类非承重墙称为内嵌外围护墙，根据应用方式分为独立式和一体式。

独立式内嵌外围护墙是指夹心保温非承重外围护墙与剪力墙分别独立预制，一般将围护墙与顶部连梁整体预制，并在墙板内通过填充聚苯板等方式以削弱墙板刚度和减轻自重。独立式内嵌外围护墙构件在连梁范围两侧甩出连梁纵筋，左右两侧与剪力墙（一般为现浇边缘构件）采用预留螺栓或钢筋连接，底部采用预留螺栓或钢筋连接（如图1.1a所示）。一体式内嵌外围护墙是指非承重围护墙和剪力墙整体预制，在预制墙板中通过填充聚苯板等方式削弱非承重围护墙刚度及减轻自重，非承重部分设构造分布钢筋，水平钢筋伸入两侧剪力墙，竖向钢筋一般不与下层连接（如图1.1b所示）。

（a）独立式

（b）一体式

图1.1 预制内嵌外围护墙构造

通过对实际工程进行调查、统计发现，工程中围护墙的典型形式主要包括窗下墙、窗侧墙、窗间墙及结构洞形式（如图1.2所示）。

图1.2 预制内嵌外围护墙应用形式

预制内嵌外围护墙具有防水、防裂性能好，避免二次作业，缩短施工周期等优点。但这类围护墙与砌体墙明显不同，其材料为混凝土，刚度大且与主体结构连接强，目前工程设计时未合理考虑其对主体结构抗震性能的影响，因此可能导致结构存在安全隐患。

本研究团队与华润置地有限公司合作，对预制内嵌外围护墙进行了专项研究。通过研究为其应用提供解决方案；总结形成的技术成果，可用于指导采用此类围护墙的装配式建筑结构设计和施工。

1.2 研究内容

本项目首先进行构件层面的试验研究及有限元分析，再进行整体结构计算分析，最后总结设计方法。项目技术路线如图1.3所示。

图1.3 技术路线

本期介绍构件试验及有限元分析部分，下期介绍整体结构分析及设计方法。

02 /构件试 验研究
2.1 试件设计

选取独立式和一体式内嵌外围护墙均应用较多的的窗侧墙形式进行试验研究。试件基本信息见表2.1，共4个试件。试件混凝土强度等级为C30，设计轴压比为0.3。试件按两层设计，以更准确地反映内嵌围护墙对结构墙体和连梁的影响。

表2.1 试件基本信息表

优化构造为在已有做法的基础上提出（如图2.1所示），目的是减弱围护墙与结构墙的连接刚度，与其他试件进行对比。

图2.1 围护墙与结构构件优化连接构造

每个试件均由两层墙板装配而成，试件的形式及主要尺寸如图2.2所示。

图2.2 试件示意图

2.2 主要试验结果

试验过程动画如下（试件N1和N2）：

试件N1

试件N2

各试件的主要破坏形态如图2.3~图2.5所示。

图2.3 试件结构墙肢及围护墙破坏情况

图2.4 试件一层连梁及窗下墙破坏情况

图2.5 试件二层连梁破坏情况

各试件水平荷载-位移滞回曲线如图2.6所示。

图2.6 各试件水平荷载-位移滞回曲线

各试件水平荷载-位移骨架曲线对比如图2.7所示。

图2.7 各试件水平荷载-位移骨架曲线

03 /有限元分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS进行模拟计算。

3.1 试件模拟

对试验试件N0~N3进行有限元模拟，典型模拟结果如图3.1所示。

（a）各试件模拟曲线与试验曲线对比

（b）典型试件模拟破坏形态

图3.1 各试件有限元模拟结果

3.3 补充模型分析

在试验试件及其模拟的基础上，为进一步研究不同形式的围护墙对结构墙肢及梁的影响，建立与试验试件对应的窗下墙形式、窗间墙形式和结构洞形式的模型，并对其进行精细有限元分析。补充模型有限元模拟结果如图3.2所示。

图3.2 补充模型有限元模拟结果

04 / 结论及建议

4.1 试验结论

1）对墙肢及围护墙破坏形态，试件N1和N2均表现为带洞口墙整体受力，墙肢和围护墙共同受力。试件N3由于竖向接缝开裂，墙肢和围护墙独立受力。各试件围护墙裂缝主要集中于洞角处。

2）对一层连梁及二层窗下墙破坏形态，试件N0连梁受弯破坏；试件N1和N2均表现为连梁与窗下墙共同发生弯剪破坏；试件N3连梁与窗下墙独立受力，连梁裂缝集中于端部，以斜裂缝为主，且裂缝范围大于试件N1。

3）对承载能力，试件N2、N1、N3分别为试件N0的2.3、2.2、1.4倍。各试件峰值位移均大于1/100，试件变形能力较强。

4）围护墙对主体结构刚度影响很大，位移角为1/2000时的平均割线刚度，N2、N1、N3分别为N0的3.5倍、2.8倍、1.6倍。优化构造试件刚度比未优化时降低了43%。

5）各试件极限位移角为1/70~1/30，均满足规范对剪力墙结构在罕遇地震下层间位移角的要求。围护墙的存在明显减小了试件的变形能力，试件N2、N1分别为试件N0的0.43、0.58倍。优化构造试件的变形能力与无围护墙试件相当。

4.2 有限元分析结论

1）独立式和一体式模型破坏形态基本一致，受围护墙影响较大；优化模型受围护墙影响较小；砌体模型基本与无围护墙模型相同。

2）对窗下墙，梁受窗下墙破坏影响，破坏范围较大，墙肢破坏部位上移至窗台高度处。对窗侧墙，梁与窗下墙共同受力破坏，墙肢与窗侧墙共同受力，墙肢及窗侧墙损伤集中于窗台高度处。对窗间墙，连梁梁端破坏特征不明显，与上层窗下墙共同受力，损伤集中于两个洞口范围内。对结构洞墙模型，围护墙与结构墙肢和连梁共同受力，但围护墙范围内破坏更严重。

3）对相同形式不同构造的模型，独立式和一体式承载力及刚度最高，且二者大小相当，与无围护墙模型和砌体模型相比，承载力分别为后者的1.63~3.62倍、1.37~2.26倍，1/2000时刚度分别为后者的2.89~12.65倍、1.85~4.69倍。

4）优化构造模型与对应的未优化构造模型相比，承载力减小13%~31%，1/2000时刚度减小31%~44%。

5）对相同构造不同形式的模型，窗下墙模型承载力及刚度最小，其次为窗侧墙和结构洞墙。

6）除结构洞墙模型外，可认为其余模型的峰值位移角总体大于1/200，即当位移角不大于1/200时，各模型的刚度及承载力均未下降。

4.3 构件建议

1）对窗下墙，墙肢箍筋加密，连梁端部箍筋应在原设计配筋的基础上适当提高。

2）对窗侧墙，任意跨高比的梁，纵筋通长设置，箍筋全长加密。窗侧围护墙箍筋加密。与窗侧墙相连结构墙肢箍筋加强。

3）对窗间墙，任意跨高比的梁，纵筋通长设置，箍筋全长加密。窗洞口角部附加钢筋。加强窗间墙端部竖向钢筋。

4）对结构洞墙，按将围护墙与结构墙视为整体墙和不考虑围护墙两种情况对结构墙边缘构件进行包络设计。

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