装配式建筑预制混凝土外墙结构设计

摘要：广州某高层住宅小区结构设计采用剪力墙结构体系，其外墙凸窗采用预制混凝土墙体。凸窗在工厂预制生产，现场吊装定位后，与周边的剪力墙和梁现场整浇。预制混凝土外墙可采用悬挂式和侧连式的连接构造形式，本项目采用侧连式。本文详细介绍了凸窗预制墙体的受力分析和结构设计方法，可为类似的PC结构设计提供参考。

关键词：预制混凝土外墙；受力分析；设计方法

1概述

我国正处于经济快速发展的时期，也处于城镇化率30%~70%的快速发展区间，城镇化的快速发展促使了建筑业的飞速扩张，同时也带来了能源和污染双重危机。目前我国建筑能耗占总能耗的30%［1］以上，我国要实现节能减排的目标，必须提高住宅产业的集约化程度，促进住宅建设整体水平提高。《国家新型城镇化规划（2014－2020年）》指出要提高城市可持续发展能力，实施绿色建筑行动计划，强力推进建筑工业化。2016年国务院常务会议指出按照推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的要求，大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑。随后国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，指出要力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。装配式建筑（简称PC）是以预制构件为主要构件［2］，经装配、连接而成的混凝土结构。简单的说，是经规划设计将建筑物拆分成构件在工厂里预制生产，然后运输到施工现场，在工地拼装建造的工法。而预制装配式混凝土外墙挂板作为PC建筑的重要组成部分，因其出色的工业化产品质量，较好地解决了传统建筑外墙漏水、裂缝等顽疾，而成为采用预制部位的首选目标。装配式结构经常采用“内浇外挂体系”，即建筑结构主体采用现场浇注混凝土，外墙采用预制混凝土构件的结构体系。根据深圳市《预制装配混凝土外墙技术规程：SJG24-2012》，PC外墙应按非结构构件考虑，整体分析应计入PC外墙板及连接对结构整体刚度的影响。PC外墙可采用悬挂式和侧连式的连接构造形式，并根据不同的连接形式采用相应的计算方法。

2装配式外墙工程案例

某工程项目位于广州市科学城东部，有3栋32～34层的住宅楼采用预制构件，预制构件包括外墙凸窗和室内楼梯。34层住宅主屋面高度为97.65m，32层住宅主屋面高度为92.05m，地下2层。结构选用剪力墙结构体系，楼盖为现浇梁板楼盖，建筑周圈梁的梁截面为（200～300）mm×550mm，与窗洞口齐平。本工程的凸窗采用预制墙板体系，现场吊装定位后，与周测的剪力墙和梁现场整浇。预制墙板混凝土等级为C30，预制墙板与主体结构之间的连接钢筋采用HRB400级，墙板钢筋采用HPB300和HRB400两种级别。在该工程中预制外墙主要采取外挂的形式，上端采用U型钢筋与梁连接，并设置剪力键，两侧采用单排钢筋与墙、柱连接，下端为自由。

3预制墙体设计验算

3.1预制墙体受力分析

3.1.1正常使用阶段在主体结构设计时，应考虑预制构件对地震力的影响。由于多数预制外墙都设有较大的窗洞口，其刚度的影响较小，可以作为非承重墙体按照规范要求适当调整周期折减系数。地震力计算时，在模型中边梁刚度可考虑放大1.5倍。预制外墙设计时应考虑风荷载、地震作用，并按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自的最不利的效应组合进行设计。3.1.2施工阶段对于构件在起吊、运输、安装过程，建议采用钢构件临时加固方式，以提高其强度和刚度，保证构件不产生裂缝、开裂以至破坏，钢构件又可以重复使用。设计时应复核起吊、运输、安装构件的强度和裂缝。

3.2荷载计算

3.2.1风荷载根据《建筑结构荷载规范：GB50009-2012》（以下简称“荷载规范”）进行计算。结合本工程所处的环境和位置，地面粗糙度类别取C，主体结构为塔楼，体型系数取1.4，验算围护结构时，采用50年一遇的风压。根据荷载规范公式8.1.1-2，计算围护结构时，风荷载标准值的计算公式为：wk=bgzms1mzw0式中：w0为基本风压，w0=0.50kN/m2；bgz为阵风系数，查荷载规范bgz=1.695；ms1为局部风荷载体型系数，按《预制装配混凝土外墙技术规程（深圳市标准）：SJG24-2012》第6.3.3条规定，验算预制外墙在风荷载平面外的承载力时，ms1不应小于2；mz为最高屋面的风压高度变化系数，本工程建筑物最高高度97.65m，mz=1.484）。将以上参数代入公式，得wk=1.695×2.0×1.484×0.50=2.52kN/m2。3.2.2地震作用根据《建筑抗震设计规范：GB50011-2010》，本工程场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组。水平地震对预制外墙的作用计算方法如下：根据《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范（深圳市标准）：SJG18-2009》第6.5.1条的规定，qE=3aEmq，其中，qE为多遇地震作用下垂直于单位面积外墙挂墙板的水平地震作用；aE为多遇地震作用下外挂墙板所在楼层的加速度，根据设计软件中查得楼层地震作用与该层楼层重力荷载代表值之比的最大值为0.0594，取楼层加速度aE=0.08；mq为单位面积外挂墙板的质量.

3.3预制墙板承载力验算

3.3.1窗侧竖板沿PC面内方向的抗弯承载力验算（地震作用沿PC窗面内方向）以其中某一类型的墙板为例。进行窗侧竖板沿PC面内方向的抗弯承载力验算时，边界条件可按窗顶固定，其它三边自由考虑。验算窗洞两侧的窗侧竖板在设防烈度地震作用（以下简称“中震”）下、罕遇地震作用（以下简称“大震”）下是否满足设定的抗震性能目标。设防烈度地震作用近似取3aEmq，罕遇地震作用近似取6aEmq。根据《建筑抗震设计规范：GB50011-2010》第5.4.2条规定，结构构件的截面抗震验算，应采用的公式为：S≤R/γRE，其中γRE取0.80。根据结构设计软件的结果，窗侧竖板根部的弯矩M中（中震）=3.5kN•m3；M大（大震）=5.1kN•m3；窗侧竖板截面b=700mm，h=200mm。⑴验算中震作用下是否满足弹性要求M中=3.5kN•m3，根据受弯构件承载力计算公式计算，相对界限受压区高度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。实际配筋3○14+2○12，配筋面积688mm2，满足中震弹性要求。⑵验算大震作用下是否满足不屈服要求M大=5.1kN•m3，根据受弯构件承载力计算公式计算，相对界限受压区高度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。实际配筋3○14+2○12，配筋面积688mm2，满足大震不屈服要求。3.3.2窗侧竖板沿PC面外方向的抗弯承载力验算（地震作用沿PC窗面外方向）首先要验算窗洞两侧的窗侧竖板在中震、大震作用下是否满足设定的抗震性能目标。中震的地震作用近似取3aEmq，大震的地震作用近似取6aEmq。根据软件计算结果，窗侧竖板根处弯矩M中=6.3kN•m3；M大=8.8kN•m3；窗侧竖板截面b=200mm，h=700mm。⑴验算中震作用下是否满足弹性要求M中=6.3kN•m3，根据受弯构件承载力计算公式计算，相对界限受压区高度ξb=0.518，求得As=21mm2，配筋率ρ=0.015%，最小配筋量As，min=280mm2。实际配筋2○14mm2，配筋面积308mm2，满足中震弹性要求。⑵验算大震作用下是否满足不屈服要求M大=8.8kN•m3，根据受弯构件承载力计算公式计算，相对界限受压区高度ξb=0.498，求得As=27mm2，配筋率ρ=0.019%，最小配筋量As，min=280mm2。实际配筋2○14，配筋面积308mm2，满足大震不屈服要求。3.3.3窗台横板沿PC面外方向的抗弯承载力验算（地震作用沿PC窗面外方向）按窗底自由，其他三边固定考虑，验算窗台板是否满足在小震弹性的抗震性能目标及风荷载作用下的承载力，具体计算略。

4结语

工厂化预制混凝土墙工艺的出现，很大程度上改变了传统的作业方式，外墙板、楼梯、阳台板等主要构件都由工厂生产，现场吊装。铝合金门窗框与预制外墙板一起浇捣，彻底杜绝了铝窗渗水的通病，由于工厂化的程度提高，很大程度上减少了现场湿作业，施工工期比传统施工工艺的施工工期提高了很多，为总体施工创造了有利条件，现场文明施工也有很大的提高［3-4］。住宅产业化项目可有效减少施工噪声及能源和材料的浪费，实现绿色施工，取得良好的经济效益。目前，从预制装配式建筑在发达国家和地区的实践经验来看，其发展已经成为一种必然趋势［5-6］。

参考文献

［1］焦安亮，张鹏，李永辉，等．我国住宅工业化发展综述［J］．施工技术，2013，42（10）：69-72．

［2］肖芳，李明．预制装配式混凝土外墙施工技术和节点防水技术研究［J］．中国建筑防水，2018（6）：25-28．

［3］王军强．新型装配整体式混凝土结构施工技术［J］．四川建筑科学研究，2015，41（1）：31-34．

［4］钟微.装配式剪力墙结构预制构件安装及质量控制［J］.广东土木与建筑，2018，25（7）：83-85，94.

作者：肖芳 王景梅 李明 单位：广东交通职业技术学院  广州万科企业有限公司