鋼結構住宅UHPC外掛墻板研究及施工技術*

曹計栓,張虎峰,蘇 磊,王繼生,李 卓,劉步芳

(北京市住宅產業化集團股份有限公司,北京 100079)

0 引言

自“十三五”以來,國家及部分省市先后頒布了相關的裝配式建筑政策,其中在政策中提到發展鋼結構住宅作為試點。當前,鋼結構住宅外圍應用較多的是ALC板和普通預制混凝土外掛墻板,墻板外飾面造型一般為平面,外掛ALC板和預制混凝土外掛板均利用角鋼與鋼梁外伸牛腿連接。隨著人們對建筑物品質追求的提高,傳統平板式外立面已不滿足大眾對建筑外觀的審美,局部凹凸的建筑外立面越來越受到大眾追捧,為此,需研究一種匹配鋼結構住宅的新型外圍護墻板,墻板實現包鋼梁、鋼柱,普通的預制混凝土墻板自重較大,難以實現整體包梁包柱。經過對相關建筑材料的研究,選用UHPC作為外掛墻板材料。UHPC具有超高力學強度,相較于其他普通混凝土具有耐化學腐蝕性、防水性、同等體積質量小強度高及一定自愈能力的特點,成為過去30年最具創新性的水泥基工程材料。同時,采用大尺寸設計的UHPC外掛墻板能為建筑帶來更好的視覺整體感,超低吸水率和超強耐久性可保證建筑表皮的長期視覺和使用效果。UHPC作為外圍護墻飾面,集圍護、結構材料一體化,可形成一套輕質、高耐久性、高外觀品質的建筑外圍護系統。北京某公租房項目創新研究匹配鋼結構住宅的薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板,采用折板方式實現包鋼梁、鋼柱,既滿足了建筑凹凸的外觀造型,又減少了掛板與鋼梁間后期大量封堵的相關工作。外掛墻板與鋼梁直接采用組合連接件方式進行連接,實現了外掛墻板快速裝配。

1 UHPC外掛墻板研究

1.1 板型研究設計

為滿足建筑立面凹凸造型設計及減少外掛墻板與鋼梁間大量封堵工作,考慮UHPC外掛墻板與鋼框梁連接后與內裝結合的效果需達到室內不露梁,UHPC外掛墻板在角柱、邊框柱和邊框梁部位采用折板方式直接包裹,形成了薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板。綜合考慮建筑外立面、掛板生產制作及運輸等因素,將樓座南北立面薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板拆分為3種標準化預制構件, 6 700mm 長跨戶內拆分為2種構件,3 300mm長走廊區域拆分為1種構件,并對每種構件進行標識,如圖1所示。帶折板的UHPC外掛墻板采用一次整體成型方法制成,結合UHPC外掛墻板結構內部應力分布情況,將芯部應力相對較小部位變成空腔,空腔內填充A級改性硅質保溫板,用保溫釘將保溫板固定在外墻掛板內側,UHPC外掛墻板大部分應力由UHPC肋板承擔,既大幅度減輕了結構自重,又能滿足承載力要求。外掛墻板樣式如圖2,3所示。安裝節點部分厚度為280,145mm,殼體內空心部分壁厚(外飾面板)30mm,考慮防水密封要求,掛板底部水平縫殼體壁厚≥40mm,板寬、板高不宜超過 4 800mm。 板型分為含洞口和不含洞口,如圖4,5所示。掛板安裝前,包裹鋼柱的平直段提前施工完成,與UHPC外掛墻板結合的內裝飾采用硅酸鈣板復合墻板系統,由外至內依次為輕鋼龍骨硅酸鈣板、PVC隔汽層、100mm厚巖棉保溫層,內裝飾面板通過鋼龍骨連接。

圖1 UHPC外掛墻板平面布置Fig.1 Plan layout of UHPC external wall panel

圖2 UHPC外掛墻板正視圖Fig.2 Front view of UHPC external wall panel

圖3 UHPC外掛墻板背視圖Fig.3 Back view of UHPC external wall panel

圖4 無門洞外掛墻板構造Fig.4 Structure of the external wall panel without door opening

圖5 有門洞外掛墻板構造Fig.5 Structure of external wall panel with door opening

1.2 連接節點構造及設計方法

1.2.1連接節點構造

薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板在與鋼結構主體連接時,根據UHPC外掛墻板在鋼梁、鋼柱包裹的凹凸造型及受力形式特點,選用點支撐連接方式(即采用上掛和下承托式的構造節點連接方式,且上掛點和下承托點在同一條豎向垂直線上),外掛墻板與主體結構采用柔性連接構造,考慮在外掛墻板上部內側與鋼梁翼緣間留設50mm間隙,然后塞巖棉,保證外掛墻板在地震時能適應主體結構最大層間位移角,同時連接節點具備適應外掛墻板制作與施工安裝允許偏差的三維調節能力。

通過設計角鋼組合連接件將UHPC外掛墻板與鋼結構主體連接。首先將連接埋件預埋在UHPC外掛墻板肋板中,再將UHPC外掛墻板上部與鋼梁焊接的角鋼通過高強螺桿采用鉸接方式固定,為提高墻板整體穩固性,通過高強螺桿將墻板下部嵌入固定,如圖6所示。在上、下掛板保溫層接縫斷連處,添加A級保溫材料,防止局部熱橋效應的產生。

圖6 連接節點構造Fig.6 Structure of connection joint

1.2.2設計方法

基于鋼框架結構體系,在薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板上部折板位置與鋼框梁和角鋼連接件間留設50mm間隙,通過設置長圓孔方式釋放連接節點自由度。在鋼結構主體產生層間變形時,連接節點具有相對于鋼結構主體的可移動性,當鋼結構主體位移時,連接節點允許墻板不扭曲,有相對自由度,由此避免了鋼結構主體施加給墻板的作用力,也避免了墻板對鋼結構主體的反作用。

在正常情況下,UHPC外掛墻板連接螺栓位于連接到鋼結構主體的連接角鋼長圓孔中間(見圖7a),當發生層間變形時,鋼柱發生傾斜,鋼梁水平位移,但墻板未隨之移動,而是連接角鋼隨著鋼梁發生移動,這時墻板連接螺栓位于連接角鋼長圓孔邊緣,如圖7b所示。

圖7 連接節點工作原理Fig.7 Working principle of connecting joints

1)荷載工況及組合 自重Gk=16.23kN。地震力：考慮“鞭梢效應”、高頻振動引起的動力放大,JGJ/T 458—2018《預制混凝土外掛墻板應用技術標準》中給出放大系數βE,多遇地震作用下取5.0、罕遇地震作用下取4.0,則平面內水平地震力SEhk(多遇)=14.61kN,SEhk(罕遇)=58.43kN。風荷載：依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》,風壓標準值Wk=1.13kN/m2,設計值W=10.17kN;風吸標準值W′k=1.58kN/m2,設計值W′=14.22kN。

2)構件在節點區極限承載力驗算 依據《預制混凝土外掛墻板應用技術標準》,構件與主體結構為四節點連接,當水平力沿構件平面內作用時,考慮到安裝及加工誤差,四節點不會同時起作用,按靜定要求,參與計算的節點為兩節點(上、下各1個)。同理,當水平力垂直于構件平面時,按靜定要求,參與計算的節點為三節點。以其中1個點進行受力分析：重力荷載產生的偏心彎矩標準值Gmk=0.47kN·m, 偏心推力標準值Gfk==0.17kN,風荷載拉力標準值Wtk=14.22/3=4.74kN,地震剪力標準值面外Esk1=58.43/3=19.48kN,面內Esk2=58.43/2=29.22kN。①M20上部受拉螺栓驗算 風荷載組合下1.3Gfk+1.5Wtk=7.33kN,地震效應組合下Gfk+Esk1=19.65kN,采用M20螺栓,抗剪強度設計值為44kN,滿足受力要求;②M20下部水平拉接螺栓驗算Gfk+Esk2=29.39kN,采用M20螺栓,抗剪強度設計值為44kN,滿足受力要求;③下部M24承托螺栓局部受壓驗算 地震效應組合下Gk+SEhk(罕遇)=74.66kN,采用M24螺栓,受壓承載力設計值為97.2kN,滿足受力要求。

3)構件變形能力驗算 以1個滑動節點為例,掛板連接節點應具有適應地震作用下主體結構層間變形的能力。按《預制混凝土外掛墻板應用技術標準》要求,在地震設計狀況下,連接節點在墻板平面內應具有不小于主體結構在設防作用下彈性層間位移角3倍的變形能力。經換算,外墻掛板與主體結構連接的最大層間位移角θ≥1/100,考慮到掛板高度H=2 900mm,掛板上掛點連接角鋼設計長圓孔孔長a=70mm,Hθ=29mm≤a/2=35mm,滿足要求。

1.3 有限元分析

根據薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板實際尺寸和物理力學性能參數,選取無門洞UHPC外掛墻板構件建立相應有限元模型,其物理力學性能參數參考T/ZS 0203—2021《超高性能混凝土外墻(UHPC)圍護和裝飾板應用技術標準》中相關規定,受壓彈性模量取43GPa,泊松比取0.2,密度取 2 500kg/m3。 荷載及模型邊界條件如圖8所示,荷載計算根據《預制混凝土外掛墻板應用技術標準》中有關規定,主要考慮墻板自重、風荷載和水平地震作用,利用ABAQUS有限元分析軟件模擬其應力分布。應力分析結果如圖9所示。

圖8 荷載及模型邊界條件Fig.8 Load and model boundary conditions

圖9 應力分析結果(單位：MPa)Fig.9 Stress analysis results(unit：MPa)

由圖9應力分析結果可知,薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板的折板與豎向面板交接部位應力較小,說明折板部位工字形實心肋起到了保護作用;應力較大部位主要集中在連接點位置,在風荷載作用下,最大拉應力為2.86MPa,應力從連接點向對應的工字形肋板部位傳遞;在多遇地震作用下,最大拉應力為3.19MPa,中部板面應力大于兩側板面應力,應力分布呈現向板中集中的現象;在罕遇地震作用下,最大拉應力達11.1MPa,連接點位置出現較大應力集中,容易破壞,實際連接節點是通過在UHPC外掛墻板上部連接位置設置長圓孔來釋放應力,以適應大震下結構極限層間變形。

1.4 接縫研究設計

薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板自身防水性能較好,薄弱環節為外掛墻板接縫。根據使用環境和使用年限要求選用合理的防水材料及設計防水構造,在UHPC外掛墻板與鋼結構連接節點設計階段,考慮外掛墻板板頂、板底、非包柱兩側板端有肋板的構造,在UHPC外掛墻板水平和垂直接縫位置采用2道材料防水做法,其中水平接縫應增加構造防水做法。接縫寬度根據極限溫度變形、風荷載及地震作用下的層間變形、密封材料最大拉伸-壓縮變形量及施工安裝誤差等因素設計計算,滿足板縫寬度為10～35mm、密封膠厚度按縫寬的1/2 且≥8mm 設計,背襯材料選用寬度為縫寬1.3倍發泡聚乙烯棒,氣密條選用氯丁橡膠;依據 T/CECS 655—2019《裝配式建筑密封膠應用技術規程》相關規定,外掛墻板板縫密封材料應選用25級及以上位移能力的建筑耐候性密封膠,密封膠與混凝土相容性、低溫柔性、最大伸縮變形量、剪切變形性、防霉性及耐水性等均應滿足設計、外飾面防污和環保要求。

薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板在進行立面拼接時,考慮立面效果和施工安裝預埋吊釘的不同,將UHPC外掛墻板水平接縫設置2道材料防水和構造防水。防水構造從外向內依次為MS改性硅酮密封膠、發泡聚乙烯棒、發泡氯丁橡膠氣密條,如圖10所示。垂直接縫防水構造考慮板端部有肋板的設計,板縫設置2道材料防水,結合板端肋板寬度,在板縫飾面板一側設置1道MS改性硅酮密封膠+發泡聚乙烯棒、中間增設發泡氯丁橡膠氣密條,利用板縫節點處的空腔形成壓力差避免雨水滲入;室內一側設置防火密封膠+背襯材料發泡聚乙烯棒,提高該薄弱點的耐火性能,如圖11所示。

圖10 UHPC外掛墻板水平接縫構造Fig.10 Horizontal joint structure of UHPC external wall panel

圖11 UHPC外掛墻板垂直接縫構造Fig.11 Vertical joint structure of UHPC external wall panel

薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板在包裹鋼柱(中柱和角柱)處的垂直接縫設置2道材料防水,考慮此處保溫的基本連續性,不宜設置肋板,因此在板端設置垂直于板面的豎向通長UHPC板條,此處垂直接縫防水構造從外向內依次設置MS改性硅酮密縫膠、發泡聚乙烯棒、發泡氯丁橡膠氣密條,如圖12所示。

圖12 UHPC外掛墻板與鋼柱垂直接縫構造Fig.12 Vertical joint structure of UHPC external wall panel and steel column

1.5 窗洞口連接構造

對于有洞口的薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板要考慮墻板與窗戶結合處密封防水處理,采用內填發泡膠和外打建筑密封膠的做法,并在窗洞外沿上部增設滴水槽,下部設置披水板實現排水處理。窗戶固定安裝在UHPC外掛墻板上,如圖13所示。

圖13 UHPC外掛墻板窗洞口連接構造Fig.13 Connection structure of UHPC external wall panel window opening

2 UHPC外掛墻板快速裝配施工

2.1 吊具選擇及吊點設計

薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板吊裝機具選擇和吊點設計也是實現快速裝配的關鍵因素,吊裝機具可選用一字形吊裝梁,吊裝梁設計長度不小于掛板長度。依據UHPC外掛墻板吊裝短暫工況滿足吊裝安全的原則,在薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板的深化設計時,充分考慮吊裝重心,在每塊外掛板上部肋板區域連接埋件位置預埋2個吊釘,吊釘沿掛板長度方向布置,配套選用鴨嘴扣實現吊裝安全和快速裝配的要求。以有門洞UHPC外掛墻板吊裝為例,如圖14所示。

圖14 UHPC外掛墻板吊裝Fig.14 Hoisting of UHPC external wall panel

2.2 安裝策劃

薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板與鋼梁連接設計為點支撐,安裝過程不設置斜支撐,直接利用掛板上、下連接點進行定位和調整掛板垂直度,考慮鋼結構主體在施工過程中存在偏差的影響,標準化生產的外掛墻板難以分配、消化每節鋼結構主體的偏差。因此,采取UHPC外掛墻板在鋼結構主體完成后安裝,有利于后期與加工生產相結合分配消化鋼結構偏差影響。

外掛墻板上部掛點和下部承托點設計均在1條垂直線上,考慮鋼結構主體垂直度變形影響,安裝前應對主體結構進行復測,當鋼結構主體施工誤差超過外掛墻板與主體結構的連接點調節范圍時,應對UHPC外掛墻板生產尺寸進行微調;根據對樓座主體結構復測結果,對掛板上、下連接點精確定位,策劃將上部掛點角鋼和下部承托點在現場定位后焊接,有利于保證掛板連接點的精準定位。

為保證UHPC外掛墻板安裝質量和裝配效率,根據UHPC外掛墻板與樓座連接節點設計,總體安裝原則為沿樓座立面方向自下而上逐層安裝,每層水平方向由一端向另一端逐塊安裝。

2.3 安裝要點

安裝工藝：樓座垂直度復測→鋼柱平直段和鋼梁腹板外側巖棉保溫安裝→外掛墻板控制線施測→上掛點角鋼與鋼梁焊接→下部承托點組合掛件支腿與鋼梁上翼緣焊接→UHPC外掛墻板起吊落位在下部承托組合件支腿調節螺桿→上部掛點精確定位→下部角鋼組合件與掛板連接→掛板精細調整→角鋼組合件與支腿連接先終擰緊固后焊接→板縫防水細部處理及外飾面噴涂→掛板與樓板間縫隙封堵。

鋼結構主體驗收完成后,對整個樓座鋼框架進行定位、標高、垂直度等復測,根據復測結果,在樓座邊框梁上翼緣定位測放出UHPC外掛墻板上部掛點和下部支撐點,并根據點位調整結構樓板施工期間在鋼梁上初步留設的掛點空間,留設偏差較大的進行二次剔鑿。當復測結果顯示樓座標高、垂直度偏差超過掛板調節空間時,超出調節空間的尺寸應在每層掛點定位過程中進行消化和分配總誤差,如分配后仍不滿足接縫寬度誤差在5mm內時,應通知掛板生產廠,調整相應樓層掛板生產尺寸。樓座復測后、掛板安裝前,應首先對鋼框架進行防火噴涂,其次對樓座邊框鋼梁的外側腹板和鋼柱與掛板平直段包裹位置填充巖棉保溫。再次在樓板上施測掛板定位控制線,距離鋼梁邊緣500mm,平行于掛板長度方向設置;掛點定位控制線垂直于掛板定位控制線,相鄰2塊掛板垂直拼縫寬度為20mm,每2塊外掛墻板板縫控制線垂直于掛板定位控制線,如圖15所示。

圖15 UHPC外掛墻板控制線施測Fig.15 Measurement of UHPC external wall panel control line

UHPC外掛墻板上、下掛點在鋼梁定位確定后,在每層樓鋼梁上翼緣焊接外掛墻板上部角鋼掛點,下部承托組合件支腿隨每層掛板安裝后逐層焊接在鋼梁上翼緣,安排7名吊裝工為1個吊裝班組,其中掛板堆放區設置2名(1名掛鉤工、1名信號工),樓層作業面設置5名(上部掛點2名+下部支撐點 2名+信號工1名),作業面安裝工佩掛安全繩,必須高掛低用,安全繩掛在作業層提前拉結的通長鋼絲繩上,便于安裝工隨時移位。

UHPC外掛墻板安裝及校正采用起吊→就位→初步校正→精細調整作業方式,外掛墻板起吊前在掛板內側臨時安裝預埋吊環螺絲并掛上牽引繩,安裝工可通過牽引繩引導外掛墻板快速就位,經過實際測算,1個安裝班組每天工作8h可安裝約16塊外掛墻板,安裝流程如圖16所示。

圖16 UHPC外掛墻板安裝流程Fig.16 Installation process of UHPC external wall panels

1個立面的UHPC外掛墻板全部安裝完成后,懸掛吊籃沿外立面自下而上對外掛墻板水平縫和垂直縫進行防水密封處理,背襯材料應連續并均勻地填充在接縫中,確保與接縫兩側基材緊密無空隙。施膠時應將膠嘴伸至接縫內部,膠槍嘴移動速度應保持均勻緩慢,擠注應均勻有序,確保接縫內膠體與基材面及背襯材料間緊密無空隙,密封膠未完全固化前,應注意對施膠成品進行保護。外掛墻板十字接縫處各300mm范圍內的水平縫和垂直縫應一次施工完成。在交叉接縫處施膠時,先在接縫交叉口處擠入足量的密封膠,然后分別向各接縫方向牽引施膠,如圖17所示。施膠完成后,在規定操作時間內,逆著施膠方向,用抹刀對交叉接縫進行壓實和整平,以確保膠體飽滿密實,表面平整光滑。接縫防水密封處理后自上而下進行外掛墻板外飾面噴涂。

圖17 交叉接縫處施膠示意Fig.17 Glue application at cross joints

UHPC外掛墻板垂直縫內側進行防火密封處理后,可在外掛墻板包鋼柱和包鋼梁的斜面段縫隙用巖棉填塞密實,在鋼梁外側和樓板分別與UHPC外掛墻板間的50mm縫隙處用巖棉填塞密實,在組合件支腿內部先用巖棉填塞密實后再填塞混凝土,混凝土標高與結構樓板面齊平,如圖18所示。

圖18 縫隙封堵示意Fig.18 The gap sealing

3 結語

1)通過對鋼結構住宅外圍護體系的研究,為滿足建筑外立面凹凸造型,創新研究設計了一種匹配鋼結構住宅的薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板圍護體系,UHPC外掛墻板且集成內保溫在工廠整體預制成型,大大提高了工廠化預制率。

2)薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板采用組合連接件直接與鋼梁連接,相比于傳統掛板與鋼梁連接采用鋼梁外伸牛腿,減少后期大量填塞巖棉,掛板上、下部連接點豎向同心,通過研究設計長圓孔,有利于施工安裝快速調節及精確定位。

3)結合UHPC外掛墻板造型及連接節點構造,通過對外掛墻板水平和垂直接縫防水的研究設計,有效實現了UHPC外掛墻板接縫防水密封要求。

4)在前期研究及設計階段,充分考慮了施工裝配的可行性,薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板設置了折板包鋼梁,與建筑內裝結合后實現室內不露梁。通過在公租房項目的實施,驗證了薄壁帶肋復雜造型UHPC外掛墻板可實現快速裝配,為今后鋼結構住宅外圍護體系的設計及施工提供了借鑒。