鋼絲網(wǎng)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(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.昆山生態(tài)屋建筑技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300）

鋼絲網(wǎng)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(jì)南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.昆山生態(tài)屋建筑技術(shù)有限公司，江蘇 昆山 215300）

鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯墻板作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便捷的構(gòu)件已廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了理論分析，并將計算結(jié)果與已有的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明：高厚比對墻板受壓性能影響較大，當(dāng)墻板高厚比超過25時，現(xiàn)有的理論不再適用于軸壓承載力計算；三種計算方法的結(jié)果對比可知，采用國家規(guī)范GB 50010—2010和 GB 50003—2011中公式計算所得的極限承載力結(jié)果與試驗結(jié)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(wǎng)架墻板的承載力分析；根據(jù)ACI 318—11推薦公式計算所得的極限承載力結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。

混凝土夾芯板；承載力；軸心受壓；高厚比

0 引言

鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯墻板（以下簡稱夾芯板）通常由兩側(cè)混凝土面層（以下簡稱面層）和內(nèi)部輕質(zhì)填充隔熱材料（以下簡稱芯層）組成。在每側(cè)面層內(nèi)均設(shè)置豎向鋼絲網(wǎng)，并通過沿橫向設(shè)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(yōu)點，而且能夠滿足工廠預(yù)制的需求。其利用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)后的現(xiàn)場拼裝，節(jié)省了工期和勞動力，也可將鋼筋骨架加工好后在現(xiàn)場噴射混凝土完成整體墻板施工［1-5］。

圖1 鋼絲網(wǎng)架夾芯墻板示意圖［5］

鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯墻板最早出現(xiàn)于 20世紀(jì)60年代的北美，已應(yīng)用于住宅、學(xué)校、辦公樓、醫(yī)院等建筑物外墻、內(nèi)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(shè)計時一般僅考慮由較厚一側(cè)的面層承受外荷載，而較薄一側(cè)面層則不作為受力部分。一般來說，墻板尺寸越大越經(jīng)濟(jì)，減少了拼裝、加工和運輸?shù)裙ば颍?］。

根據(jù)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(cè)的混凝土面層各自獨立受力，通常由較厚的一側(cè)面層作為承重部分；組合型墻的兩側(cè)混凝土面層共同工作承受外荷載，通過設(shè)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(yīng)用中寬度最大可達(dá)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(nèi)鋼絲采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，通過施加預(yù)應(yīng)力，可有效提高板面抗裂性能。芯層類型和表面粗糙度對協(xié)同工作存在一定影響，多數(shù)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(hù)層厚度。對非組合型墻進(jìn)行分析時，可按照厚度等同于其結(jié)構(gòu)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(jìn)行分配，然后按實體墻分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。墻體進(jìn)行承載力驗算時可視為受壓構(gòu)件，并要考慮長細(xì)比引起的二階彎矩，即 P—Δ效應(yīng)，宜考慮彎矩增大系數(shù)［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(gòu)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(nèi)的剪力，連接件在一個方向上設(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)面層的自重傳遞至另一側(cè)的承重面層［9］。

圖3 混凝土夾芯墻板連接件類型圖

20世紀(jì) 90年代該類墻板引入我國，最早是作為圍護(hù)構(gòu)件和室內(nèi)隔斷等非承重構(gòu)件使用，隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷深入和住宅產(chǎn)業(yè)化的開展，該類墻板逐漸作為承重構(gòu)件應(yīng)用于多層住宅和辦公樓［10-11］。在某些設(shè)計規(guī)范中將該類結(jié)構(gòu)稱之為 CL結(jié)構(gòu)或 CS結(jié)構(gòu)，在我國已有了部分試點工程，并有相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)，例如JGJ／T 273—2012《鋼絲網(wǎng)架混凝土夾芯板設(shè)計規(guī)程》［12］、JGJ／T 269—2012《輕型鋼絲網(wǎng)架聚苯板設(shè)計規(guī)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(qū)別。而對該類結(jié)構(gòu)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(jìn)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(gòu)件，夾芯板在重力荷載作用下可作為受壓構(gòu)件，假定兩側(cè)面層共同工作，由面層混凝土與豎向鋼筋網(wǎng)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(nèi)外受壓承載力分析方法主要有3種。

（1）GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對鋼筋混凝土構(gòu)件軸心受壓計算由式（1）［14］表示為式中：N為軸心壓力設(shè)計值，N；φ為受壓穩(wěn)定系數(shù)；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，N／mm2；b為墻體截面寬度，mm；t1和 t2分別為兩側(cè)混凝土面層的厚度，mm；f′y為豎向受壓鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計值，N／mm2；A′s為 豎向 受 壓鋼 筋 截 面 面積，mm2。根 據(jù) GB 50002—2010表6.2.15中l(wèi)0／b查表取值，其中l(wèi)0一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(shè)計值，N；L為墻體截面寬度，mm；k為約束系數(shù)，對兩端未有防扭轉(zhuǎn)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(xiàn)了高厚比對承載力的影響，且認(rèn)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(guī)定承重型墻板的高厚比不應(yīng)高于25，非承重墻不應(yīng)高于30，若設(shè)計中已考慮二階效應(yīng)的不利影響時高厚比可放寬至36。有研究認(rèn)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(xué)者通過試驗研究和數(shù)值模擬對 ACI公式進(jìn)行修正，研究成果見表1。

（3）作為一種新型的墻體結(jié)構(gòu)體系，配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的受力分析方法也可借鑒，GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)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(wěn)定系數(shù)；β為高厚比。

表1 各學(xué)者研究成果匯總

2 計算結(jié)果比較

目前國內(nèi)外已有學(xué)者對鋼絲網(wǎng)架混凝土墻板進(jìn)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(xiàn)偏心而造成試驗數(shù)值出現(xiàn)一定的離散性，因此各文獻(xiàn)中某些試件極限荷載差異相對較大。大部分試驗結(jié)果表明，軸壓下的墻板破壞形態(tài)與承載力受高厚比的影響最大，與高寬比也有一定關(guān)系，當(dāng)高厚比小于15時，墻板多發(fā)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(xiàn)水平裂縫，最終發(fā)生彎曲破壞或失穩(wěn)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(xiàn)中試件為對象分別進(jìn)行軸壓承載力分析，所采用的公式分別為 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［14］推薦的式（1）、ACI 318—11［15］推薦的式（3）和 GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［21］推薦的式（4），計算結(jié)果見表 3，表中設(shè)計值按鋼筋抗壓強(qiáng)度取 fy，混凝土強(qiáng)度取 fc計算得出，而極限值則按材料標(biāo)準(zhǔn)值分析得出，表中括號內(nèi)數(shù)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(shè)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(jié)果誤差相對較大，且偏于不安全；式（3）的設(shè)計值僅為式（1）和（4）結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）按照組合型截面進(jìn)行承載力驗算是可行的，前提是混凝土面層內(nèi)配置足夠的豎向和橫向鋼筋，并設(shè)置強(qiáng)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(cè)面層和中部芯材；

（2）高厚比對墻板受壓性能影響最大，當(dāng)高厚比較大時，由于 P—Δ效應(yīng)，墻板易出現(xiàn)平面外變形而造成承載力下降，因此設(shè)計時應(yīng)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(nèi)外規(guī)范中具有代表性的三種計算方法對墻板軸壓承載力進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明，采用我國規(guī)范公式得到的極限承載力的結(jié)果與試驗結(jié)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(wǎng)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(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。

表3 計算式與試驗數(shù)據(jù)對比理論值

［1］Kim E.S..State-of-the-art of precast／prestressed concrete sandwich wall panels（second edition）［R］.Chicago：Precast／Prestressed Concrete Institute，2011.

［2］ 李升才，王英華.復(fù)合墻板受力性能平面有限元分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2007，37（7）：51-54.

［3］ Ali S.，Josef H.，Michael H..An analytical model for sandwich panels made of textile-reinforced concrete［J］.Construction and Building Materials，2014，64：451-459.

［4］ Junsuk K..Composite and non-composite behaviors of foaminsulated concrete sandwich panels［J］.Composites：Part B，2015，68：153-161.

［5］ Abuzeid A.T.，Abdallah A.T..Precast hollow-block reinforced concrete bearing walls［J］.International Journal of Engineering and Innovative Technology，2013，7（2）：463-469.

［6］ Lee B.J.，Stephen P..Experimental evaluation of precast，prestressed concrete，three-wythe sandwich wall panels［J］.PCI Journal，2008，53（2）：95-115.

［7］ David C.S.，Amin E.，Maher K.T.et al.Full scale testing of precast concrete sandwich panels［J］.ACI Structural Journal，1997，94（4）：354-362.

［8］ Ezzat H.F.，Yousry B.S.，Mohamed N.A.et al.Ferrocement sandwich and cored panels for floor and wall construction［C］.Alimchandani C.R.：29th Conference on our world in concrete ＆structures.Singapore：Singapore Concrete Institute，2004.

［9］ Bernard A.F.，Gregory W.L.，Tarek K.H.，et al.Behavior of precast，prestressed concrete sandwich wall panels reinforced with CFRP［R］.Chicago：Precast／Prestressed Concrete Institute，2011.

［10］Soriano J.，Rizkalla S..Use of FRP grid for the Composite action of concrete sandwich panels［C］.Taerwe.L.：11thInternational Symposium on FRP for reinforced concrete structures.Guimaraes：Spon Press，2013.

［11］時文亮.混凝土夾芯復(fù)合墻板（CL墻板）的受力性能研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2013.

［12］JGJ／T 273—2012.鋼絲網(wǎng)架混凝土復(fù)合板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［13］JGJ／T 269—2012.輕型鋼絲網(wǎng)架聚苯板混凝土構(gòu)件應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［14］GB 50002—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［15］ACI 318-11.Building code requirements for structural concrete and commentary［S］.Farmington：ACI Committee，2011.

［16］John W.L.，James L..Concrete slender wall design-back to the future［R］.Whittier： StructuralEngineers Association of California，2010.

［17］Oberlender G.D.，Everard N.J..Investigation of reinforced concrete wall panels［J］.ACI Structural Journal，1977，74（3）：256-263.

［18］Unnikrishna S.P.，Parthasarathy C.V..Ultimate strength and design of concrete walls［J］.Buliding and Environment，1977，12：25-29.

［19］Zielinski Z.A.，Troitsky M.S.，Christodoulou H..Full-scale bearing strength investigation of thin wall-ribbed reinforced concrete panels［J］.ACI Structural Journal，1982，79（4）：313-321.

［20］Saheb S.M.，Desayi P..Ultimate strength of RC wall panel in one-way in plane action［J］.Journal of Structural Engineering，1989，115（10）：2617-2630.

［21］GB 50003—2011.砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［22］李升才.復(fù)合墻板軸心受壓試驗研究［J］.華僑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，27（4）：384-387.

［23］王振龍.鋼筋網(wǎng)架-混凝土組合夾芯墻板性能研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［24］宋美潔.復(fù)合墻板抗壓性能試驗研究［D］.泉州：華僑大學(xué)，2009.

［25］蒲括.開洞CS復(fù)合墻板力學(xué)性能研究［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

（學(xué)科責(zé)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(jié)構(gòu)等方面的研究.E-mail：xq307＠163.com