鋼絲網架混凝土夾芯墻板軸心受壓承載力分析

謝群，王帥，劉春

（1.濟南大學 土木建筑學院，山東 濟南 250022；2.昆山生態屋建筑技術有限公司，江蘇 昆山 215300）

鋼絲網架混凝土夾芯墻板軸心受壓承載力分析

謝群1，王帥1，劉春2

（1.濟南大學 土木建筑學院，山東 濟南 250022；2.昆山生態屋建筑技術有限公司，江蘇 昆山 215300）

鋼絲網架混凝土夾芯墻板作為一種輕質、高強、施工便捷的構件已廣泛應用于多層住宅和辦公樓，研究該類墻板的受力性能可有效確保其結構使用安全。文章選用三種代表性的計算方法對該類墻板的軸壓承載力進行了理論分析，并將計算結果與已有的試驗數據進行了對比研究。結果表明：高厚比對墻板受壓性能影響較大，當墻板高厚比超過25時，現有的理論不再適用于軸壓承載力計算；三種計算方法的結果對比可知，采用國家規范GB 50010—2010和 GB 50003—2011中公式計算所得的極限承載力結果與試驗結果的比值在 0.75～1.3之間，離散性較大且偏于不安全，不適于鋼絲網架墻板的承載力分析；根據ACI 318—11推薦公式計算所得的極限承載力結果與試驗極限荷載的比值在0.7～0.9之間，安全儲備較高，可作為該類墻板的結構設計依據。

混凝土夾芯板；承載力；軸心受壓；高厚比

0 引言

鋼絲網架混凝土夾芯墻板（以下簡稱夾芯板）通常由兩側混凝土面層（以下簡稱面層）和內部輕質填充隔熱材料（以下簡稱芯層）組成。在每側面層內均設置豎向鋼絲網，并通過沿橫向設置、貫穿芯層的鋼筋桁架將面層與芯層連接成一體，該類墻板的常見形式如圖1所示。功能型芯層的存在使得夾芯墻板較普通實心墻板具有更好的保溫、隔熱、防潮、隔音等性能，同時具備自重輕、承載力高、施工快捷等顯著優點，而且能夠滿足工廠預制的需求。其利用標準化生產后的現場拼裝，節省了工期和勞動力，也可將鋼筋骨架加工好后在現場噴射混凝土完成整體墻板施工［1-5］。

圖1 鋼絲網架夾芯墻板示意圖［5］

鋼絲網架混凝土夾芯墻板最早出現于 20世紀60年代的北美，已應用于住宅、學校、辦公樓、醫院等建筑物外墻、內部隔斷或者對保溫要求較高的房間隔墻。隨后作為承重型墻板使用，但設計時一般僅考慮由較厚一側的面層承受外荷載，而較薄一側面層則不作為受力部分。一般來說，墻板尺寸越大越經濟，減少了拼裝、加工和運輸等工序［6］。

根據面層受力特點不同，承重夾芯墻板可分為三種截面類型：非組合型、組合型和部分組合型，如圖2所示［7］。非組合型墻是指兩側的混凝土面層各自獨立受力，通常由較厚的一側面層作為承重部分；組合型墻的兩側混凝土面層共同工作承受外荷載，通過設置于面層之間的連接件使截面作為一個整體受力；而部分組合型墻中盡管也有連接件，但卻無法提供足夠的連接作用，因此其性能介于非組合型和組合型之間。

圖2 混凝土夾芯墻板三類截面類型圖［7］

（a）非組合式；（b）組合式；（c）部分組合式

美國Precast／Prestressed Concrete Institute（PCI）的研究報告表明，該類墻板在實際應用中寬度最大可達4.6 m，高度為 23 m，通常截面總厚度為130～305 mm，芯層厚度通常為25.4～102 mm，而且面層內鋼絲采用預應力鋼絞線，通過施加預應力，可有效提高板面抗裂性能。芯層類型和表面粗糙度對協同工作存在一定影響，多數情況下要求墻板截面厚度盡可能小，但混凝土面層厚度通常由墻板類型和用途決定，例如建筑耐火等級、承載力要求或混凝土保護層厚度。對非組合型墻進行分析時，可按照厚度等同于其結構層（面層）厚度之和的實心墻考慮，對于兩個面層均參與受力的情況，外荷載則是按照兩部分面層的剛度大小進行分配，然后按實體墻分別進行結構設計。墻體進行承載力驗算時可視為受壓構件，并要考慮長細比引起的二階彎矩，即 P—Δ效應，宜考慮彎矩增大系數［8］。

連接件的形狀可以是C型、Z型或 M型金屬件，也可采用套筒錨栓、箍筋、螺旋筋、鋼筋桁架，甚至 FRP筋構成的骨架等多種形式（如圖3所示）。對于組合型墻，連接件需要傳遞墻板平面內的剪力，連接件在一個方向上設計成剛度較大，而在垂直方向則剛度很小，這樣的連接件稱之為單向連接件，常見的表現形式為鋼絲桁架或者實心混凝土；對于非組合型墻，連接件還將非結構面層的自重傳遞至另一側的承重面層［9］。

圖3 混凝土夾芯墻板連接件類型圖

20世紀 90年代該類墻板引入我國，最早是作為圍護構件和室內隔斷等非承重構件使用，隨著我國城鎮化的不斷深入和住宅產業化的開展，該類墻板逐漸作為承重構件應用于多層住宅和辦公樓［10-11］。在某些設計規范中將該類結構稱之為 CL結構或 CS結構，在我國已有了部分試點工程，并有相應的規范指導，例如JGJ／T 273—2012《鋼絲網架混凝土夾芯板設計規程》［12］、JGJ／T 269—2012《輕型鋼絲網架聚苯板設計規程》［13］。作為一類較為特殊的墻體形式，它的受力性能和承載力與普通的鋼筋混凝土剪力墻具有相似之處，又有所區別。而對該類結構體系的理論分析成果相對較少，文章將從軸心受壓這一基本受力狀況入手，對該類墻板的承載力進行研究。

1 受壓承載力計算方法

作為承受豎向和水平荷載的構件，夾芯板在重力荷載作用下可作為受壓構件，假定兩側面層共同工作，由面層混凝土與豎向鋼筋網共同承受外荷載，芯層不參與受力，由于其截面厚度相對較小，因此需要考慮高厚比對受壓承載力的影響。具有代表性的國內外受壓承載力分析方法主要有3種。

（1）GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中對鋼筋混凝土構件軸心受壓計算由式（1）［14］表示為式中：N為軸心壓力設計值，N；φ為受壓穩定系數；fc為混凝土抗壓強度設計值，N／mm2；b為墻體截面寬度，mm；t1和 t2分別為兩側混凝土面層的厚度，mm；f′y為豎向受壓鋼筋屈服強度設計值，N／mm2；A′s為 豎向 受 壓鋼 筋 截 面 面積，mm2。根 據 GB 50002—2010表6.2.15中l0／b查表取值，其中l0一般可取無支墻體兩端的高度，b取墻板等效截面厚度hef，即按照剛度等效原則換算成實心墻體截面厚度，可按式（2）計算為式中：hef為墻板截面總厚度，mm；I為墻板組合截面慣性矩，mm4；h為墻板的計算高度，mm。

（2）ACI 318—11《American Concrete Institute》提供的計算式（3）［15］為式中：Pu為軸心壓力設計值，N；L為墻體截面寬度，mm；k為約束系數，對兩端未有防扭轉約束的墻取1.0；t為墻板橫截面總厚度，mm。

在ACI公式中直接體現了高厚比對承載力的影響，且認為組合型墻的剛度類似于與其截面總厚度相同的實心墻板，為簡化計算，高厚比分析時直接取墻板截面總厚度，并規定承重型墻板的高厚比不應高于25，非承重墻不應高于30，若設計中已考慮二階效應的不利影響時高厚比可放寬至36。有研究認為對上下端均有支撐的墻板高厚比不超過36，對四邊有約束的墻板不超過42［16］。有學者通過試驗研究和數值模擬對 ACI公式進行修正，研究成果見表1。

（3）作為一種新型的墻體結構體系，配筋砌塊砌體結構的受力分析方法也可借鑒，GB 50003—2011《砌體結構設計規范》中配筋砌塊砌體的抗壓計算由式（4）［21］表示為

式中：A為受壓混凝土面層截面面積，mm2；φg為穩定系數；β為高厚比。

表1 各學者研究成果匯總

2 計算結果比較

目前國內外已有學者對鋼絲網架混凝土墻板進行了軸心受壓試驗研究，將其中具有代表性的試驗信息匯總于表2。需要說明的是，由于大部分試件的墻厚較小，施加豎向壓力時難免出現偏心而造成試驗數值出現一定的離散性，因此各文獻中某些試件極限荷載差異相對較大。大部分試驗結果表明，軸壓下的墻板破壞形態與承載力受高厚比的影響最大，與高寬比也有一定關系，當高厚比小于15時，墻板多發生壓壞或劈裂破壞；高厚比大于15的墻板則在板高中部首先出現水平裂縫，最終發生彎曲破壞或失穩破壞，而配筋率對極限承載力的影響不大。

表2 軸心受壓試驗研究匯總

為了驗證上述計算公式的適用性，以表2中各文獻中試件為對象分別進行軸壓承載力分析，所采用的公式分別為 GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》［14］推薦的式（1）、ACI 318—11［15］推薦的式（3）和 GB 50003—2011《砌體結構設計規范》［21］推薦的式（4），計算結果見表 3，表中設計值按鋼筋抗壓強度取 fy，混凝土強度取 fc計算得出，而極限值則按材料標準值分析得出，表中括號內數字是各公式計算出的理論極限值與表 2試驗極限荷載的比值。通過比較可知，按照式（1）和（4）得到的設計值較為接近，但兩個公式的承載力極限值與試驗極限荷載的比值一般在0.75～1.3之間，說明計算結果誤差相對較大，且偏于不安全；式（3）的設計值僅為式（1）和（4）結果的70%～80%，而且式（3）極限承載力與試驗極限荷載的比值一般在0.7～0.9，離散性較小，具有較高的安全儲備，適于結構設計。

3 結論

通過上述研究可知：

（1）按照組合型截面進行承載力驗算是可行的，前提是混凝土面層內配置足夠的豎向和橫向鋼筋，并設置強度剛度均滿足要求的鋼筋桁架或其它形式的抗剪件連接兩側面層和中部芯材；

（2）高厚比對墻板受壓性能影響最大，當高厚比較大時，由于 P—Δ效應，墻板易出現平面外變形而造成承載力下降，因此設計時應考慮高厚比對承載力的影響，并建議墻板高厚比不宜超過25；

（3）采用國內外規范中具有代表性的三種計算方法對墻板軸壓承載力進行計算分析，結果表明，采用我國規范公式得到的極限承載力的結果與試驗結果的比值在0.75～1.3之間，離散性較大且偏于不安全，不適于鋼絲網架墻板的承載力分析；而ACI 318—11推薦的公式得到的極限承載力與試驗極限荷載的比值在 0.7～0.9之間，安全儲備較高，可作為該類墻板的結構設計依據。

表3 計算式與試驗數據對比理論值

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（學科責編：吳芹）

Strength analysis of concrete sandwich panel with wire mesh under axial loading

Xie Qun1，Wang Shuai1，Liu Chun2
（1.School of Civil Engineering and Architecture，University of Jinan，Jinan 250022，China；2.Kunshan Eco-building Technology Co.，Ltd.，Kunshan 215300，China）

Concrete sandwich panels with steel wire mesh are widely used in multi-storey residential buildings and office buildings with the advantages of low self-weight，high strength as well as convenient construction.To better understand the structural behavior and ensure application safety，three typical methods recommended by different codes for strength prediction of panels subjected to axial compressive loading have been presented with the assumption of full composite section character.The analysis results which have been compared with the existing experimental results show that the parameter of slenderness ratio has great effect on the compressive behavior of concrete sandwich panel and all the three methods are not expected to be applicable any more in the cases that slenderness ratio is more than 25 for the sake of poor structural safety.The ratio of predicted ultimate strength obtained from recommended formula of domestic codes to the peak load in experimental analysis ranges from 0.75 to 1.3 which means that the strength is much overestimated with big divergence and these methods couldn't be applied to strength analysis for the sake of structural safety.While the strength arising from ACI318-11 method could reach 70% ～90%the testing value which provides satisfactory result with more reliability and better agreement with testing data for concrete sandwich panel structural design.

concrete sandwich panel；loading-bearing capacity；axial compression；slenderness ratio

TU376

A

1673-7644（2015）03-0211-05

2014-08-20

謝群（1979-），男，副教授，博士，主要從事新型墻體結構等方面的研究.E-mail：xq307＠163.com