高层建筑构造混凝土外墙解析

2020-07-18王康昊钟钊生

广东土木与建筑 2020年7期

关键词：连梁内力剪力

刘翔，王康昊，钟钊生

（深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司广州510010）

关键字：拉缝墙；构造墙；装配式建筑；拉缝板

1 概述

铝模具有施工质量可靠、重量轻、加工简单、可重复使用等优点。同时爬架有效率高、施工环境好等特点［1］。采用铝模加爬架的施工方式在有效地提高施工质量和缩短施工工期的同时，也更加绿色环保，是国家促进新型工业化建筑的有力手段之一［2］。

然而爬架往上层爬升后，下部外围结构将无继续施工的工作面，因此采用爬架的建筑传统外围护墙及外立面一些装饰线条的做法需配合二次爬架、悬挑脚手架或局部满堂脚手架等措施方可实现。对于高层建筑而言，采用这些额外措施会增加工期及造价，无法发挥爬架的优势。由于现浇混凝土防渗漏性好的特点，结合爬架，较多项目的原砌筑外墙及建筑线条改为了与主体一次浇筑［3］。这些一次浇筑的混凝土构件，截面尺寸、构件刚度较大，对结构受力影响较为明显［4］，为了降低对主体结构的影响，目前设计上大量采用拉缝板来隔离主体结构与构造外墙［5，6］。

2 常规拉缝做法

目前行业常规的拉缝作法有如下2 个特点:①非结构计算需要的混凝土外墙按荷载输入模型；②连梁仍按常规梁截面输入计算。现场安装情况如图1 所示，白色位置采用UPVC拉缝板，一般采用左、右、下三边拉缝与主体剪力墙隔开。混凝土浇筑时拉缝板左右侧的液面难以同步上升，因此一定存在拉缝板两侧受力不均的情况，压力差会挤压拉缝板导致损坏。部分设计为了完全隔离对主体结构的影响，采用了上下左右四边拉缝，构造外墙完全形成了封闭空间，内侧混凝土无法浇筑。按照目前设计来看，三边拉缝施工困难，而四边拉缝则完全无法实施。

图1 构造外墙现场照片及做法示意图Fig.1 Schematic Diagram of Site Photos and Practices For Concrete Exterior Walls

3 项目案例

3.1 案例1

某项目设计时部分外墙采用了构造外墙，如图2所示。建造过程中巡场发现:构造墙位置的梁底2～7层出现较多裂缝，裂缝宽度由下往上逐渐收窄。经了解是由于现场拉缝板安装困难，墙体四周均未安装拉缝板。图3 为裂缝照片，根据经验判断产生此裂缝的原因为:混凝土梁原本设计仅承担本层竖向荷载，由于未设置拉缝板转变为承担上部多个楼层的竖向荷载，而原配筋又未按转换梁考虑，因此受弯不足而开裂。

图2 局部结构布置Fig.2 Layout of the Partial Structure

图3 二层梁裂缝Fig.3 Cracks of the Beam on the Second Floor

3.2 案例2

某项目的设计将对客厅分户位置外墙采用了拉缝构造外墙做法，如图4 所示。但现场巡场时发现墙底下端也未安装拉缝板，且第2～3 层构造墙下的梁底有部分裂缝，裂缝宽度由下往上逐渐收窄。图5 为裂缝照片，位于跨中的均垂直于梁的竖向裂缝，按经验上判断应为受弯开裂。后将剪力墙建入模型计算发现，二层梁纵向钢筋计算结果为原配筋的5倍。

图4 局部构造外墙布置Fig.4 Layout of the Partial Configuration Exterior Wall

图5 二层裂缝位置Fig.5 Location of the Crack on the Second Floor

综上所述，拉缝构造混凝土墙由于施工复杂，且安装质量较难控制，大量项目反馈现场均未按设计要求设置拉缝板，因而此做法已经渐渐成为仅“办公室拉缝”，此时应当反思设计上是否合理。较多裂缝质量问题的出现，也印证了“办公室拉缝”的问题所在，所谓构造外墙引起结构的安全性问题已经不容忽视。

4 受力分析

4.1 构造外墙

为了充分了解构造外墙引起的结构内力变化，采用盈建科对单榀框架（见图6a）及单榀联肢墙（见图6b）进行简单分析，考虑三边拉缝但顶部不拉缝的情况，此时顶部与梁仍现浇在一起，梁的截面由原550 mm，变为整层高（3 000 mm），考虑一定水平力（500 kN）作用下梁的内力变化。

图6 结构布置Fig.6 Structrual Layout

由表1 可知，由于构造墙直接与梁现浇，在水平地震作用下梁的刚度增大，导致单榀框架中框架梁的弯矩增加52%，剪力增加约60%；联肢墙连梁的弯矩增加约90%，剪力增加约61%。这个简单算例表明:若采用构造外墙，在水平力作用下，框架梁（或连梁）存在抗弯、抗剪承载力不足的问题，在标准风压或者地震作用下存在较大的安全隐患。

表1 构造墙内力变化Tab.1 Variation of Internal Force of Configuration Wall

4.2 “办公室拉缝”

由于较多设计采用构造外墙，而现场又未实施，因此继续对未实施拉缝板的“办公室拉缝”进行受力分析。图7 为广州市番禺区某33 层高层住宅局部结构布置，图7中示意位置的约有5 m 长的外墙，对于结构计算并非必要。对以下3种方案进行对比:①模型1为现常规设计，构造墙按荷载输入模型；②模型2为拉缝墙计算模型，相应连梁考虑外墙的刚度影响；③模型3 为剪力墙模型，构造墙按剪力墙输入模型。经计算后，分别提取相应连梁和剪力墙的内力进行对比，如表2、表3所示。

图7 构造外墙位置Fig.7 Location of the Configuration Exterior Wall

表2 三层连梁LL1内力对比Tab.2 Comparison of Internal Force of the Coupling Beam（LL1）on the Third Floor

由表2可知相对于常规模型，采用拉缝做法后:

⑴恒载作用下，相应连梁的2号位置弯矩增大了378%，剪力增加76%。

⑵水平力作用下，连梁弯矩增大216%，剪力增大110%。

⑶若现场未施工拉缝板，在水平地震作用下，相应连梁弯矩增大400%，剪力增大570%。

拉缝墙不仅对相应连梁影响较大，也对相对应的剪力墙产生较大影响，表3 给出了X 向地震作用下采用拉缝做法后剪力墙Q1的内力变化。

表3 X向地震作用下首层Q1内力对比Tab.3 Comparison of Internal Force of The First Floor under X-direction Seismic Force

由表3可知相对于常规模型，采用拉缝做法后:

⑴相对于常规模型，采用拉缝做法后，水平地震作用下，剪力墙Q1的弯矩增加39%，剪力增加15%。

⑵但若现场未实施拉缝板，剪力墙Q1 的弯矩会增加318%，剪力会增加142%。

⑶虽然Q2 剪力墙很长，但内力增量非常大，对其仍有一定的影响。

由上分析可知:采用构造外墙后，连梁弯矩、剪力增加显著，将导致相关构件的抗弯和抗剪承载力不足。且影响结构整体刚度以及水平力在各墙体间的分配，部分剪力墙设计偏于不安全；如设计按拉缝而现场不实施，相应的墙肢及连梁内力增加非常显著，严重影响结构安全。

5 拉缝板

现市场上的构造外墙用拉缝板一般采用UPVC材料，其有着耐腐蚀强、质量轻的优点，但其也有不耐高温（约60 ℃），不能承受冲击的缺点。根据《建筑排水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材:GB/T 5836.1-2018》［7］，其强度约为钢管的1/4，为50～80 MPa。材料本身可以在-15～60 ℃之间工作，超过60 ℃机械性能显著下降。

首先，夏天在太阳照射下，外墙墙面温度处于50 ℃以上较为常见，最高甚至可达80 ℃以上［8］。这时拉缝板材料本身已经处于机械性能下降显著的温度区间。

PVC物理特性如下:抗拉强度约为50～80 MPa，取70 MPa；根据第4 强度理论［9，10］，最大容许剪应力约为正应力的0.58 倍，因此容许剪应力约为:70×0.58=40 MPa；弹性模量为2 900～3 400 MPa，取3 000 MPa；剪变模量:G=E/2（1+υ）=3 000/2（1+0.32）=1 136 MPa。

对于30 mm 高的拉缝板，层间位移角为1/1 000时，相对变形δ =3 000/1 000=3 mm，切变角γ =δ/30=3/30=0.1；剪应力τ =Gγ =1 136×0.1=113.6 MPa，远大于其剪切强度。

左右侧圈出位置拉压应变为:σ =3/30=0.1；拉压应力s=Eσ=3 000×0.1=300 MPa。远大于其抗拉、抗压强度。构造墙水平力下变形示意如图8所示。

图8 构造墙水平力下变形示意图Fig.8 Deformation of the Configuration Wall under Horizontal Force

由计算可知:拉缝板在水平力标准值作用下会普遍损坏。拉缝板的损坏也意味着防水性能的急剧下降。因此UPVC 做的拉缝材料有着先天材料及后天受力上的不足，不宜单独作为主体结构上的拉缝板使用。

6 经济性

目前在工程界普遍认为将外围护混凝土外墙作为剪力墙计算会比拉缝构造外墙增加成本，对此本文对1栋33层的高层住宅进行了经济性分析。对图9中云线位置将剪力墙修改为构造墙，对比用钢量。由表4 可知，构造墙模型的墙体及梁单位面积用钢量与全剪力外墙几乎持平，且构造墙方案还未考虑拉缝板UPVC材料造价及施工工序增加的成本。