高層建筑構(gòu)造混凝土外墻解析

劉 翔，王康昊，鐘釗生

（深圳市華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)股份有限公司廣州分公司 廣州510010）

關(guān)鍵字：拉縫墻；構(gòu)造墻；裝配式建筑；拉縫板

1 概述

鋁模具有施工質(zhì)量可靠、重量輕、加工簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)爬架有效率高、施工環(huán)境好等特點(diǎn)［1］。采用鋁模加爬架的施工方式在有效地提高施工質(zhì)量和縮短施工工期的同時(shí)，也更加綠色環(huán)保，是國(guó)家促進(jìn)新型工業(yè)化建筑的有力手段之一［2］。

然而爬架往上層爬升后，下部外圍結(jié)構(gòu)將無(wú)繼續(xù)施工的工作面，因此采用爬架的建筑傳統(tǒng)外圍護(hù)墻及外立面一些裝飾線條的做法需配合二次爬架、懸挑腳手架或局部滿堂腳手架等措施方可實(shí)現(xiàn)。對(duì)于高層建筑而言，采用這些額外措施會(huì)增加工期及造價(jià)，無(wú)法發(fā)揮爬架的優(yōu)勢(shì)。由于現(xiàn)澆混凝土防滲漏性好的特點(diǎn)，結(jié)合爬架，較多項(xiàng)目的原砌筑外墻及建筑線條改為了與主體一次澆筑［3］。這些一次澆筑的混凝土構(gòu)件，截面尺寸、構(gòu)件剛度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較為明顯［4］，為了降低對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，目前設(shè)計(jì)上大量采用拉縫板來(lái)隔離主體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造外墻［5，6］。

2 常規(guī)拉縫做法

目前行業(yè)常規(guī)的拉縫作法有如下2 個(gè)特點(diǎn):①非結(jié)構(gòu)計(jì)算需要的混凝土外墻按荷載輸入模型；②連梁仍按常規(guī)梁截面輸入計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖1 所示，白色位置采用UPVC拉縫板，一般采用左、右、下三邊拉縫與主體剪力墻隔開(kāi)?；炷翝仓r(shí)拉縫板左右側(cè)的液面難以同步上升，因此一定存在拉縫板兩側(cè)受力不均的情況，壓力差會(huì)擠壓拉縫板導(dǎo)致?lián)p壞。部分設(shè)計(jì)為了完全隔離對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，采用了上下左右四邊拉縫，構(gòu)造外墻完全形成了封閉空間，內(nèi)側(cè)混凝土無(wú)法澆筑。按照目前設(shè)計(jì)來(lái)看，三邊拉縫施工困難，而四邊拉縫則完全無(wú)法實(shí)施。

圖1 構(gòu)造外墻現(xiàn)場(chǎng)照片及做法示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Site Photos and Practices For Concrete Exterior Walls

3 項(xiàng)目案例

3.1 案例1

某項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)部分外墻采用了構(gòu)造外墻，如圖2所示。建造過(guò)程中巡場(chǎng)發(fā)現(xiàn):構(gòu)造墻位置的梁底2～7層出現(xiàn)較多裂縫，裂縫寬度由下往上逐漸收窄。經(jīng)了解是由于現(xiàn)場(chǎng)拉縫板安裝困難，墻體四周均未安裝拉縫板。圖3 為裂縫照片，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷產(chǎn)生此裂縫的原因?yàn)?混凝土梁原本設(shè)計(jì)僅承擔(dān)本層豎向荷載，由于未設(shè)置拉縫板轉(zhuǎn)變?yōu)槌袚?dān)上部多個(gè)樓層的豎向荷載，而原配筋又未按轉(zhuǎn)換梁考慮，因此受彎不足而開(kāi)裂。

圖2 局部結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Layout of the Partial Structure

圖3 二層梁裂縫Fig.3 Cracks of the Beam on the Second Floor

3.2 案例2

某項(xiàng)目的設(shè)計(jì)將對(duì)客廳分戶位置外墻采用了拉縫構(gòu)造外墻做法，如圖4 所示。但現(xiàn)場(chǎng)巡場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)墻底下端也未安裝拉縫板，且第2～3 層構(gòu)造墻下的梁底有部分裂縫，裂縫寬度由下往上逐漸收窄。圖5 為裂縫照片，位于跨中的均垂直于梁的豎向裂縫，按經(jīng)驗(yàn)上判斷應(yīng)為受彎開(kāi)裂。后將剪力墻建入模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，二層梁縱向鋼筋計(jì)算結(jié)果為原配筋的5倍。

圖4 局部構(gòu)造外墻布置Fig.4 Layout of the Partial Configuration Exterior Wall

圖5 二層裂縫位置Fig.5 Location of the Crack on the Second Floor

綜上所述，拉縫構(gòu)造混凝土墻由于施工復(fù)雜，且安裝質(zhì)量較難控制，大量項(xiàng)目反饋現(xiàn)場(chǎng)均未按設(shè)計(jì)要求設(shè)置拉縫板，因而此做法已經(jīng)漸漸成為僅“辦公室拉縫”，此時(shí)應(yīng)當(dāng)反思設(shè)計(jì)上是否合理。較多裂縫質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)，也印證了“辦公室拉縫”的問(wèn)題所在，所謂構(gòu)造外墻引起結(jié)構(gòu)的安全性問(wèn)題已經(jīng)不容忽視。

4 受力分析

4.1 構(gòu)造外墻

為了充分了解構(gòu)造外墻引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，采用盈建科對(duì)單榀框架（見(jiàn)圖6a）及單榀聯(lián)肢墻（見(jiàn)圖6b）進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，考慮三邊拉縫但頂部不拉縫的情況，此時(shí)頂部與梁仍現(xiàn)澆在一起，梁的截面由原550 mm，變?yōu)檎麑痈撸? 000 mm），考慮一定水平力（500 kN）作用下梁的內(nèi)力變化。

圖6 結(jié)構(gòu)布置Fig.6 Structrual Layout

由表1 可知，由于構(gòu)造墻直接與梁現(xiàn)澆，在水平地震作用下梁的剛度增大，導(dǎo)致單榀框架中框架梁的彎矩增加52%，剪力增加約60%；聯(lián)肢墻連梁的彎矩增加約90%，剪力增加約61%。這個(gè)簡(jiǎn)單算例表明:若采用構(gòu)造外墻，在水平力作用下，框架梁（或連梁）存在抗彎、抗剪承載力不足的問(wèn)題，在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓或者地震作用下存在較大的安全隱患。

表1 構(gòu)造墻內(nèi)力變化Tab.1 Variation of Internal Force of Configuration Wall

4.2 “辦公室拉縫”

由于較多設(shè)計(jì)采用構(gòu)造外墻，而現(xiàn)場(chǎng)又未實(shí)施，因此繼續(xù)對(duì)未實(shí)施拉縫板的“辦公室拉縫”進(jìn)行受力分析。圖7 為廣州市番禺區(qū)某33 層高層住宅局部結(jié)構(gòu)布置，圖7中示意位置的約有5 m 長(zhǎng)的外墻，對(duì)于結(jié)構(gòu)計(jì)算并非必要。對(duì)以下3種方案進(jìn)行對(duì)比:①模型1為現(xiàn)常規(guī)設(shè)計(jì)，構(gòu)造墻按荷載輸入模型；②模型2為拉縫墻計(jì)算模型，相應(yīng)連梁考慮外墻的剛度影響；③模型3 為剪力墻模型，構(gòu)造墻按剪力墻輸入模型。經(jīng)計(jì)算后，分別提取相應(yīng)連梁和剪力墻的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比，如表2、表3所示。

圖7 構(gòu)造外墻位置Fig.7 Location of the Configuration Exterior Wall

表2 三層連梁LL1內(nèi)力對(duì)比Tab.2 Comparison of Internal Force of the Coupling Beam（LL1）on the Third Floor

由表2可知相對(duì)于常規(guī)模型，采用拉縫做法后:

⑴恒載作用下，相應(yīng)連梁的2號(hào)位置彎矩增大了378%，剪力增加76%。

⑵水平力作用下，連梁彎矩增大216%，剪力增大110%。

⑶若現(xiàn)場(chǎng)未施工拉縫板，在水平地震作用下，相應(yīng)連梁彎矩增大400%，剪力增大570%。

拉縫墻不僅對(duì)相應(yīng)連梁影響較大，也對(duì)相對(duì)應(yīng)的剪力墻產(chǎn)生較大影響，表3 給出了X 向地震作用下采用拉縫做法后剪力墻Q1的內(nèi)力變化。

表3 X向地震作用下首層Q1內(nèi)力對(duì)比Tab.3 Comparison of Internal Force of The First Floor under X-direction Seismic Force

由表3可知相對(duì)于常規(guī)模型，采用拉縫做法后:

⑴相對(duì)于常規(guī)模型，采用拉縫做法后，水平地震作用下，剪力墻Q1的彎矩增加39%，剪力增加15%。

⑵但若現(xiàn)場(chǎng)未實(shí)施拉縫板，剪力墻Q1 的彎矩會(huì)增加318%，剪力會(huì)增加142%。

⑶雖然Q2 剪力墻很長(zhǎng)，但內(nèi)力增量非常大，對(duì)其仍有一定的影響。

由上分析可知:采用構(gòu)造外墻后，連梁彎矩、剪力增加顯著，將導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件的抗彎和抗剪承載力不足。且影響結(jié)構(gòu)整體剛度以及水平力在各墻體間的分配，部分剪力墻設(shè)計(jì)偏于不安全；如設(shè)計(jì)按拉縫而現(xiàn)場(chǎng)不實(shí)施，相應(yīng)的墻肢及連梁內(nèi)力增加非常顯著，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。

5 拉縫板

現(xiàn)市場(chǎng)上的構(gòu)造外墻用拉縫板一般采用UPVC材料，其有著耐腐蝕強(qiáng)、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，但其也有不耐高溫（約60 ℃），不能承受沖擊的缺點(diǎn)。根據(jù)《建筑排水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材:GB/T 5836.1-2018》［7］，其強(qiáng)度約為鋼管的1/4，為50～80 MPa。材料本身可以在-15～60 ℃之間工作，超過(guò)60 ℃機(jī)械性能顯著下降。

首先，夏天在太陽(yáng)照射下，外墻墻面溫度處于50 ℃以上較為常見(jiàn)，最高甚至可達(dá)80 ℃以上［8］。這時(shí)拉縫板材料本身已經(jīng)處于機(jī)械性能下降顯著的溫度區(qū)間。

PVC物理特性如下:抗拉強(qiáng)度約為50～80 MPa，取70 MPa；根據(jù)第4 強(qiáng)度理論［9，10］，最大容許剪應(yīng)力約為正應(yīng)力的0.58 倍，因此容許剪應(yīng)力約為:70×0.58=40 MPa；彈性模量為2 900～3 400 MPa，取3 000 MPa；剪變模量:G=E/2（1+υ）=3 000/2（1+0.32）=1 136 MPa。

對(duì)于30 mm 高的拉縫板，層間位移角為1/1 000時(shí)，相對(duì)變形δ =3 000/1 000=3 mm，切變角γ =δ/30=3/30=0.1；剪應(yīng)力τ =Gγ =1 136×0.1=113.6 MPa，遠(yuǎn)大于其剪切強(qiáng)度。

左右側(cè)圈出位置拉壓應(yīng)變?yōu)?σ =3/30=0.1；拉壓應(yīng)力s=Eσ=3 000×0.1=300 MPa。遠(yuǎn)大于其抗拉、抗壓強(qiáng)度。構(gòu)造墻水平力下變形示意如圖8所示。

圖8 構(gòu)造墻水平力下變形示意圖Fig.8 Deformation of the Configuration Wall under Horizontal Force

由計(jì)算可知:拉縫板在水平力標(biāo)準(zhǔn)值作用下會(huì)普遍損壞。拉縫板的損壞也意味著防水性能的急劇下降。因此UPVC 做的拉縫材料有著先天材料及后天受力上的不足，不宜單獨(dú)作為主體結(jié)構(gòu)上的拉縫板使用。

6 經(jīng)濟(jì)性

目前在工程界普遍認(rèn)為將外圍護(hù)混凝土外墻作為剪力墻計(jì)算會(huì)比拉縫構(gòu)造外墻增加成本，對(duì)此本文對(duì)1棟33層的高層住宅進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。對(duì)圖9中云線位置將剪力墻修改為構(gòu)造墻，對(duì)比用鋼量。由表4 可知，構(gòu)造墻模型的墻體及梁?jiǎn)挝幻娣e用鋼量與全剪力外墻幾乎持平，且構(gòu)造墻方案還未考慮拉縫板UPVC材料造價(jià)及施工工序增加的成本。

圖9 取消局部剪力墻示意圖Fig.9 Cancellation of the Partial Sheer Wall

表4 兩種方案鋼筋含量比選 （kg/m2）Tab.4 Rebar Content of Two Schemes

分析其原因，拉縫后構(gòu)造墻兩側(cè)會(huì)增加2 個(gè)邊緣構(gòu)件以及上部會(huì)增加1條連梁，因此拉縫做法下的墻、梁的鋼筋量會(huì)有所增加。全剪外墻做法時(shí)，構(gòu)造墻位置為墻體分布筋位置，用鋼量構(gòu)造墻用鋼量幾乎一致，卻節(jié)省2個(gè)邊緣構(gòu)件及1條連梁的用鋼量，因此相對(duì)更省，且施工更為方便，受力更為合理。

7 結(jié)論

構(gòu)造外墻雖然滿足了鋁模加爬架的施工需要，但對(duì)結(jié)構(gòu)有較大的不利影響。經(jīng)過(guò)前述分析，其不利影響主要表現(xiàn)在:

⑴構(gòu)造墻位置的剛度增加，影響結(jié)構(gòu)水平力在各豎向荷載間的分配，部分剪力墻設(shè)計(jì)偏于不安全。

⑵采用構(gòu)造外墻后，連梁彎矩、剪力增加顯著，將導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件的抗彎和抗剪承載力不足。

⑶如設(shè)計(jì)按拉縫而現(xiàn)場(chǎng)不實(shí)施，相應(yīng)的墻肢及連梁內(nèi)力增加非常顯著，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。

⑷拉縫板在水平力標(biāo)準(zhǔn)值作用下會(huì)普遍損壞，降低外墻防水性能。

建議優(yōu)先采用全剪外墻，將所有外墻按實(shí)際建入模型計(jì)算，參與受力，結(jié)構(gòu)安全更有保障，建筑防水也可靠。