某超限項目中輕質條板隔墻及連接件抗震設計分析

劉 宇， 鄭佳麗

(成都華宇建筑設計有限公司，四川成都 610000)

在裝配式建筑、綠色建筑大力推廣和深入發展的產業背景下，輕質條板隔墻作為一種環保節能、輕質高強、施工便捷的新型材料，在建筑工程中得到了廣泛運用[6]。對于傳統的砌體填充墻，我國已作出了大量的研究，而對輕質條板隔墻的構造措施和抗震設計的相關研究甚少。目前國內僅有JGJ 339-2015《非結構構件抗震設計規范》[1]、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》[5]等作為設計依據，其中的設計參數、材料強度影響因素、裂縫控制及抗震連接還有待后續深入研究完善。

1 工程概況

華地恒通·樂薈城項目位于西昌市航天大道東沿線北側，根據GB 50223-2008《建筑工程抗震設防分類標準》[7]、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》[5]和GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》[8]，可得西昌市抗震設防烈度為9度(0.4g)。普通內隔墻的功能級別為三級，鋼卡件功能級別為二級。

本工程采用改性石膏條板內隔墻設計方案，改性石膏條板運用于7～15層內隔墻，層高均為3.8 m，計算條板高度時統一取梁高600 mm。此方案超過JGJ/T 157-2014《建筑輕質條板隔墻技術規程》[9]中，輕質條板適用于抗震設防烈度8度及8度以下地區規定。因本工程地處設防烈度為9度區，故按超限項目進行抗震設計。

本工程鋼卡件采用厚度為 4 mm的 Q235 鋼(容重78.5kN/m3，f=215N/mm2，fy=235N/mm2)。石膏條板及抗震鋼卡件安裝如圖1所示。本工程內隔墻的兩側及上部與主體結構之間均采用柔性連接。

圖1 石膏條板及抗震鋼卡件安裝(單位：mm)

2 輕質條板及連接件抗震設計

2.1 計算假定

(1)由于輕質條板與主體結構采用了柔性連接，可僅進行抗震鋼卡件在內隔墻平面外的抗震承載力驗算。鋼卡件在內隔墻平面外按懸臂構件考慮。

(2)本工程采用改性石膏條板的抗壓強度(約4.7 MPa)是抗拉強度(約1.0 MPa)的4倍以上，而輕質條板平面外抗彎驗算是由其抗拉強度控制的。一方面，條板的重力荷載引起的應力為壓應力，對條板的承載力有利；另一方面，9度區豎向地震作用取重力荷載的20 %，其引起的拉應力雖對條板承載力不利，但小于重力荷載引起的壓應力，故本工程為簡化計算，不考慮重力荷載及豎向地震作用是偏安全的。

2.2 輕質條板平面外抗彎

本工程選用改性石膏條板的規格為 2950 mm×600 mm×120 mm，面密度為 88 kg/m2。根據10J 113-1《內隔墻-輕質條板》[3]圖集規定，條板上端在兩板拼縫處用抗震鋼卡件與主體結構連接；考慮本工程抗震設防烈度高于規范圖集8度區要求，條板下端采用2 mm厚抗震鋼卡件與樓地面連接，如圖2～圖3所示。

圖2 輕質條板與上部主體結構連接構造

圖3 輕質條板與樓地板連接構造

將輕質條板受水平地震力的計算簡化為簡支梁跨中受集中荷載的模型[4]，如圖4所示，H為輕質條板高度。

圖4 輕質條板平面外抗彎計算模型

根據JGJ 339-2015《非結構構件抗震設計規范》，采用等效側力法計算水平地震作用F，計算公式如下：

F=γηζ1ζ2αmaxG

(1)

式中:G為非結構構件的重力；αmax為水平地震影響系數最大值；γ為非結構構件功能系數，一、二級分別取1.4、1.0；η為非結構構件類別系數；ζ1為狀態系數，對預制建筑構件、懸臂類構件、支承點低于質心的建筑附屬設備和柔性體系宜取2.0，其余情況可取1.0；ζ2為位置系數，建筑的頂點宜取2.0，底部宜取1.0，沿高度線性分布。

本工程中γ取1.0；η按非承重內隔墻中其他隔墻、丙類建筑查規范取0.6；ζ1取2.0；ζ2根據F取最大值時考慮，應按建筑的頂點取2.0；本工程位于發震斷裂5 km以內，結合GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》，應將地震影響系數最大值乘以增大系數1.5。綜上可得采用等效側力法計算的水平地震作用最大值：

Fmax=γηζ1ζ2αmaxG=1.0×0.6×2.0×2.0×0.32×1.5×88×0.6×(3.8-0.6)×10÷1000=1.95kN

(2)

再根據輕質條板平面外抗彎計算模型，可以得到跨中彎矩的計算公式如下：

(3)

由式(2)和式(3)可得條板跨中最大彎矩：

(4)

現行JG/T 169-2016《建筑隔墻用輕質條板通用技術要求》[2]中規定120 mm厚輕質條板抗彎破壞荷載/板自重倍數N≥1.5，結合工程實際，本工程提高了120 mm厚輕質條板抗彎破壞荷載/板自重倍數N的數值。由此可得120 mm厚改性石膏條板平面外抗彎承載力Mcr如下：

(5)

輕質條板在水平地震作用下的平面外受彎應滿足下式：

Mmax≤Mcr

(6)

由式(5)、式(6)可得，

(7)

本工程用改性石膏條板(2 950 mm×600 mm×120 mm)經檢測得條板抗彎破壞荷載/板自重倍數N=3.3，滿足要求。

2.3 鋼卡件承載力驗算

10J 113-1《內隔墻-輕質條板》中規定U型抗震鋼卡件統一采用1.5 mm厚，U型鋼卡件具體尺寸如圖5所示。

圖5 圖集標準U型鋼卡件(單位：mm)

對圖集中通用的U型鋼卡件按懸臂構件驗算平面外受彎承載力。根據JGJ 339-2015《非結構構件抗震設計規范》，采用等效側力法計算水平地震作用F。計算公式中U型鋼卡件的非結構構件類別系數η取1.2，其余參數取值同輕質條板水平地震作用F計算公式取值。由此可得條板作用于U型鋼卡件的水平地震作用力最大值為：

(8)

U型鋼卡件對條板的支承作用在翼緣高度中心，由式(8)可得單個U型鋼卡件翼緣最大彎曲應力：

式中：M為鋼卡件計算彎矩；Ws1為鋼卡件抵抗彎矩截面模量(鋼卡厚4 mm)。

即現行圖集中標準U型鋼卡件不能滿足本超限工程抗震設計要求。結合工程實際，現采用4 mm厚U型鋼卡件，U型鋼卡件具體尺寸如圖6所示。

圖6 4 mm厚鋼卡件尺寸示意(單位：mm)

對U型鋼卡件翼緣按懸臂構件進行平面外抗彎承載力驗算。由式(8)可得單個U型鋼卡件U型鋼卡件翼緣最大彎曲應力：

通過上述對比驗算可知，現行規范圖集給定的輕質條板抗彎承載力以及鋼卡件標準尺寸還不能滿足一些復雜超限工程項目。設計者在進行輕質條板超限項目設計時，應結合現行規范圖集，提高輕質條板實際抗彎破壞荷載/板自重倍數數值以及抗震卡件截面尺寸，以滿足輕質條板和鋼卡件在水平地震作用下的平面外抗彎承載力要求。

3 結束語

現行規范圖集對砌體隔墻的構造及抗震設計已較為成熟，而對輕質條板隔墻的構造措施及在高烈度區水平地震作用下的抗震設計規定還有待完善，尤其對于超限輕質隔墻項目設計經驗積累較少。本工程位于9度抗震設防烈度區，按超限項目對輕質隔墻進行設計。在現有規范圖集的指導下，結合工程實際，對輕質條板和U型鋼卡件在水平地震作用下的平面外抗彎承載力進行驗算，并滿足抗震設計要求。通過與現有規范圖集的對比分析，提出了以下用于輕質隔墻超限項目的加強設計措施。

(1)現行JG/T 169-2016《建筑隔墻用輕質條板通用技術要求》 中規定90 mm、120 mm、150 mm厚輕質條板抗彎破壞荷載/板自重倍數N≥1.5,在該規范規定抗彎破壞荷載不能滿足輕質條板抗彎承載力時，可提高此倍數N的數值，使條板平面外最大彎矩設計值小于平面外抗彎承載力設計值，滿足抗震要求。

(2)10J 113-1《內隔墻-輕質條板》 中規定U型抗震鋼卡件統一采用1.5 mm厚,將U型鋼卡件翼緣按懸臂構件進行平面外抗彎承載力驗算，計算得到的最大應力值偏于不安全。本工程采用了加大U型鋼卡件厚度及長度尺寸的方案，提高了U型鋼卡件的平面外抗彎承載力至抗震設計要求。