韩忠民 严 寒 李保平 于洪耀

(1.河南大建建筑设计有限公司，河南 郑州 450003； 2.河南众鼎智拓环保科技有限公司，河南 郑州 450003)

榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系研究

韩忠民1严 寒1李保平2于洪耀2

(1.河南大建建筑设计有限公司，河南 郑州 450003； 2.河南众鼎智拓环保科技有限公司，河南 郑州 450003)

介绍了榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系的技术原理及性能，并将其与一般砌体结构、一般剪力墙结构进行了对比分析，同时对该结构的保温性能作了研究，结果表明该结构体系是一种集承重与隔热保温于一体的结构自保温剪力墙结构体系，值得大力推广应用。

榫卯式，小型混凝土空心砌块，剪力墙，结构体系

0 引言

我国是一个拥有13亿人口的发展中大国，李克强总理在今年的政府工作报告中指出“城镇化是现代化的必由之路，是破除城乡二元结构的重要依托”。城镇化与工业化，已成为我国现代化建设的两大引擎。如何更好的节约、集约利用土地、水等资源，按照促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的总体要求，形成生产、生活、生态空间的合理结构，是一个很大、很重要的实践课题。

城镇化建设中城镇建设是首当其冲的工作。在大量的中小城市，多层和小高层住宅仍然是建设的主题。目前，我国多层(2层～7层)和小高层(8层～11层)住宅建筑结构设计主要有两种形式，多层住宅一般采用粘土多孔砖或混凝土砌块墙、板承重结构体系；小高层住宅一般采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系。多层住宅墙体采用的粘土多孔砖是一种高耗能、高污染产品，对环境造成的破坏很大，属于限制使用的建材。小高层住宅采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，现场湿作业多，劳动强度高，效率低下，尤其是必须有完整的模架体系，施工周期长，费用高，楼板较薄，刚度差，隔音性能不好等缺点。

我们根据目前工程实践中存在的问题，利用我国木结构中常用的榫卯结构形式，研究开发了“榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系”，这项技术如果能得到推广应用，将大大提高我国住宅建筑工业化的程度，同时对提高工程质量、降低造价都将起到重要的积极作用。

1 榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系的发明原理及性能

1.1 技术原理

“榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系”的发明原理是利用混凝土及小型混凝土空心砌块的特性，通过改变混凝土空心砌块的形状从而改变混凝土空心砌块砌体的整体性和受力模式，达到提高混凝土空心砌块砌体的抵抗水平作用能力的目的。该体系是替代砌体结构体系和一部分剪力墙结构体系的一种科学的方法。众所周知，传统小型混凝土空心砌块砌体的特点是抗压强度高，施工简单，但是由于传统小型混凝土空心砌块的形状设计缺陷，导致其砌体的整体性和抗震性能差。因此小型混凝土空心砌块砌体结构仍然没有超出一般砌体结构的模式。“榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系”的特点就是通过改变混凝土空心砌块的形状和砌体砌筑方式，改变混凝土空心砌块砌体的整体性和受力模式，提高了砌块砌体的水平抗剪承载力，即提高了砌体的抗震承载力。再加上楼层现浇钢筋混凝土梁和砌体端部现浇钢筋混凝土边缘构件，使这种新型砌体结构达到剪力墙结构体系的能力，这样既充分利用了混凝土空心砌块砌体抗压强度高的优点，又可以大规模的工业化生产。同时由于这种榫卯式小型混凝土空心砌块的内部空腔的设计充分考虑了有利于保温的要求，使得这种砌体自身具有较好的隔热保温特点，所以这种结构体系是一种集承重与隔热保温于一体的结构自保温体系。

1.1.1 砌块

榫卯式小型混凝土空心砌块由三种砌块组成，其中砌块1、砌块2为标准砌块；砌块3为辅助砌块。如图1所示，砌块的孔洞设计按照孔洞长向平行于墙面，孔洞内可以加入不同材料用于不同用途的砌块，例如砌筑外墙的砌块，可以在其孔洞内加入保温隔热材料，增强其保温隔热的能力，这样的外墙保温性能足以满足外保温的要求，所以这种砌体就可以不再做外保温；砌筑内墙的砌块，可以在其孔洞内加入吸音材料，用于需要吸音的砌体。

1.1.2 砌体

用不同型号小型混凝土空心砌块砌筑的砌体，其特点是榫卯结构可靠性高，所有灰缝均不贯通，使得水平灰缝的摩擦力转变成混凝土砌块之间的压力，所以砌体的水平抗剪承载力大幅提高，同时由边缘构件和楼层现浇梁约束的砌体的整体性、抗弯、抗裂能力也得到大幅提高。

1.1.3 榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系

用不同型号小型混凝土空心砌块，按榫卯的方式砌筑成砌体，且在砌体端头及砌体相交处采用现浇的方式浇筑钢筋混凝土端柱，在楼层处设置现浇混凝土带或者现浇钢筋混凝土楼层梁，这样砌体在钢筋混凝土端柱和现浇钢筋混凝土楼层梁的约束下，整体性和抗震性能大幅提高。

1.2 榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系的计算分析

模拟对比计算工程项目：

1)一般砌体结构与榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系的对比。

a.工程概况。模拟工程为7层住宅，层高3 m，抗震设防烈度7度，地震加速度0.15g，Ⅲ类场地土，建筑平面图略。b.设计依据。GB 50003—2011砌体结构设计规范；GB 50010—2010混凝土结构设计规范；GB 50011—2010建筑抗震设计规范。c.对比验算。采用两种结构体系进行验算。验算条件：一般砌体结构：粘土砖强度等级MU10，容重22 kN/m2，砂浆强度等级M10.0；榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构：砌块强度等级MU20，容重18 kN/m2，由于是榫卯结构，故采用等效一般剪力墙结构进行计算。计算结果对比见表1。

表1 一般砌体结构与榫卯砌体结构计算结果表 kN

对比结论:自重减轻；底部地震剪力减小；墙体抵抗地震作用的能力大幅提高；墙体竖向抗压承载力大幅提高。

2)一般剪力墙结构与榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系的对比。

a.工程概况。模拟工程为15层剪力墙结构住宅，层高3 m，抗震设防烈度7度，地震加速度0.15g，Ⅲ类场地土，建筑平面同一般砌体结构平面图。b.设计依据。GB 50003—2011砌体结构设计规范；GB 50010—2010混凝土结构设计规范；GB 50011—2010建筑抗震设计规范；JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程。c.对比验算。验算条件：一般剪力墙结构：按需要布置剪力墙，填充墙用200厚加气混凝土砌块砌体；榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构：砌块强度等级MU20，容重18 kN/m2，由于榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构的实验结果尚未得出，只能近似利用现有的计算工具进行验算。故采用等效一般剪力墙数学模型进行结构分析。等效方案是把剪力墙的钢筋混凝土容重按体积孔隙率进行折减。采用这两种方案，根据现行规范进行计算。计算结果对比见表2。

表2 一般剪力墙结构与榫卯式小型混凝土砌块剪力墙计算结果表

对比结论：自重减轻；地震剪力减小；刚度分布更均匀；荷载分布均匀。

1.3 榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构外墙的保温性能计算分析

榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构外墙，目前设想根据使用的地域不同，采用200厚和250厚两种砌体。由于砌体的热工试验还没有进行，目前只能近似采用传统混凝土砌块砌体的热工指标和现行规范的计算方法进行估算。以下我们采用250厚砌体作为外墙，在寒冷地区进行外墙节能计算分析。

现行规范规定：

按照多层匀质材料组成的围护结构传热系数计算公式：

总传热阻R0(m2·℃/W)：

R0=Rn+R+Rw

(1)

其中，Rn为内表面换热阻，m2·℃/W；Rw为外表面换热阻，m2·℃/W；R为围护结构热阻，对单一材料:

(2)

其中，δ为材料层的厚度，m；λc为材料层的计算导热系数，λc=λ·a。

多层围护结构热阻:

R=R1+R2+…+RN

(3)

其中，R1,R2，…，RN均为各材料层热阻，m2·℃/W。

1)寒冷地区外墙节能计算。

因为榫卯式小型混凝土空心砌块的孔洞设计，充分考虑其砌体的热工性能，孔洞的排列均平行于砌体墙面，最大限度隔断垂直于墙面的热交换路径，而且所有的孔洞均采用盲孔。因为采用盲孔设计，可以保证砂浆铺砌平整、饱满，从而将混凝土空心砌块孔洞中的空气封闭在砌体内，形成一个个保温的空气间层，形成结构自保温体系。

2)利用混凝土空心砌块孔洞内加满轻质保温材料(聚氨酯)(250厚)，见表3，表4。

表3 250厚保温混凝土空心砌块节能计算(孔腔内全部加聚氨酯)

表4 外墙冷热桥部分节能计算(混凝土250 mm)

2 目前的研究状况

“榫卯式小型混凝土空心砌块剪力墙结构体系”是河南众鼎智拓环保科技有限公司自主研发的项目。该技术已获准国家专利，专利号：1)实用新型专利:ZL201220236680.3；2)外观设计专利：ZL201230195681.3；3)已经申请国家发明专利，申请号：201210163843.4。

该项技术自2009年起开始研制，经过了方案设计、理论计算、产品试制、模具、生产工艺及设备设计等一系列艰苦的工作，产品初步定型。在研究和试验过程中，得到了河南大建建筑设计有限公司和郑州大学工程学院的大力支持。

3 项目对我国建材产业的影响分析

粘土砖早已禁用，由于没有很好的替代产品，导致建筑成本大幅增加；十二五期间，城镇化建设速度加快，每年新建建筑面积20亿m2～30亿m2，对安全、环保、节能、节土等复合功能的新型建筑材料需求量很大。国家对墙材革新和建筑节能的政策支持力度也逐年加大，先后出台了多项优惠政策。巨大的新增建设量及既有建筑改造为新型建筑材料发展提供了广阔的市场空间。

Study on small hollow concrete masonry shear wall structure system with mortise and tenon connection style

Han Zhongmin1Yan Han1Li Baoping2Yu Hongyao2

(1.HenanDajianBuildingDesignCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

2.HenanZhongdingZhituoEnvironmentProtectionScienceandTechnologyCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The thesis introduces technological principles and performance of small hollow concrete masonry shear wall structure system with mortise and tenon connection style, compares it with general masonry structure and general shear wall structure, and studies its structural thermal insulation performance. Results show that: the structural system is the self-protecting thermal insulation shear wall structure system combining bearing with thermal insulation, which is worth promoting.

mortise and tenon connection, small hollow concrete masonry, shear wall, structural system

1009-6825(2015)02-0023-03

2014-11-04

韩忠民(1964- )，男，高级工程师； 严 寒(1974- )，女，工程师； 李保平(1955- )，女，高级工程师； 于洪耀(1972- )，男，工程师

TU398.2

A