韓忠民 嚴(yán) 寒 李保平 于洪耀

(1.河南大建建筑設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003； 2.河南眾鼎智拓環(huán)?？萍加邢薰荆幽?鄭州 450003)

榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系研究

韓忠民1嚴(yán) 寒1李保平2于洪耀2

(1.河南大建建筑設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003； 2.河南眾鼎智拓環(huán)?？萍加邢薰?，河南 鄭州 450003)

介紹了榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)原理及性能，并將其與一般砌體結(jié)構(gòu)、一般剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)該結(jié)構(gòu)的保溫性能作了研究，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系是一種集承重與隔熱保溫于一體的結(jié)構(gòu)自保溫剪力墻結(jié)構(gòu)體系，值得大力推廣應(yīng)用。

榫卯式，小型混凝土空心砌塊，剪力墻，結(jié)構(gòu)體系

0 引言

我國是一個(gè)擁有13億人口的發(fā)展中大國，李克強(qiáng)總理在今年的政府工作報(bào)告中指出“城鎮(zhèn)化是現(xiàn)代化的必由之路，是破除城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)的重要依托”。城鎮(zhèn)化與工業(yè)化，已成為我國現(xiàn)代化建設(shè)的兩大引擎。如何更好的節(jié)約、集約利用土地、水等資源，按照促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀的總體要求，形成生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的合理結(jié)構(gòu)，是一個(gè)很大、很重要的實(shí)踐課題。

城鎮(zhèn)化建設(shè)中城鎮(zhèn)建設(shè)是首當(dāng)其沖的工作。在大量的中小城市，多層和小高層住宅仍然是建設(shè)的主題。目前，我國多層(2層～7層)和小高層(8層～11層)住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有兩種形式，多層住宅一般采用粘土多孔磚或混凝土砌塊墻、板承重結(jié)構(gòu)體系；小高層住宅一般采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。多層住宅墻體采用的粘土多孔磚是一種高耗能、高污染產(chǎn)品，對(duì)環(huán)境造成的破壞很大，屬于限制使用的建材。小高層住宅采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場濕作業(yè)多，勞動(dòng)強(qiáng)度高，效率低下，尤其是必須有完整的模架體系，施工周期長，費(fèi)用高，樓板較薄，剛度差，隔音性能不好等缺點(diǎn)。

我們根據(jù)目前工程實(shí)踐中存在的問題，利用我國木結(jié)構(gòu)中常用的榫卯結(jié)構(gòu)形式，研究開發(fā)了“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系”，這項(xiàng)技術(shù)如果能得到推廣應(yīng)用，將大大提高我國住宅建筑工業(yè)化的程度，同時(shí)對(duì)提高工程質(zhì)量、降低造價(jià)都將起到重要的積極作用。

1 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系的發(fā)明原理及性能

1.1 技術(shù)原理

“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系”的發(fā)明原理是利用混凝土及小型混凝土空心砌塊的特性，通過改變混凝土空心砌塊的形狀從而改變混凝土空心砌塊砌體的整體性和受力模式，達(dá)到提高混凝土空心砌塊砌體的抵抗水平作用能力的目的。該體系是替代砌體結(jié)構(gòu)體系和一部分剪力墻結(jié)構(gòu)體系的一種科學(xué)的方法。眾所周知，傳統(tǒng)小型混凝土空心砌塊砌體的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高，施工簡單，但是由于傳統(tǒng)小型混凝土空心砌塊的形狀設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致其砌體的整體性和抗震性能差。因此小型混凝土空心砌塊砌體結(jié)構(gòu)仍然沒有超出一般砌體結(jié)構(gòu)的模式。“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系”的特點(diǎn)就是通過改變混凝土空心砌塊的形狀和砌體砌筑方式，改變混凝土空心砌塊砌體的整體性和受力模式，提高了砌塊砌體的水平抗剪承載力，即提高了砌體的抗震承載力。再加上樓層現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁和砌體端部現(xiàn)澆鋼筋混凝土邊緣構(gòu)件，使這種新型砌體結(jié)構(gòu)達(dá)到剪力墻結(jié)構(gòu)體系的能力，這樣既充分利用了混凝土空心砌塊砌體抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，又可以大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。同時(shí)由于這種榫卯式小型混凝土空心砌塊的內(nèi)部空腔的設(shè)計(jì)充分考慮了有利于保溫的要求，使得這種砌體自身具有較好的隔熱保溫特點(diǎn)，所以這種結(jié)構(gòu)體系是一種集承重與隔熱保溫于一體的結(jié)構(gòu)自保溫體系。

1.1.1 砌塊

榫卯式小型混凝土空心砌塊由三種砌塊組成，其中砌塊1、砌塊2為標(biāo)準(zhǔn)砌塊；砌塊3為輔助砌塊。如圖1所示，砌塊的孔洞設(shè)計(jì)按照孔洞長向平行于墻面，孔洞內(nèi)可以加入不同材料用于不同用途的砌塊，例如砌筑外墻的砌塊，可以在其孔洞內(nèi)加入保溫隔熱材料，增強(qiáng)其保溫隔熱的能力，這樣的外墻保溫性能足以滿足外保溫的要求，所以這種砌體就可以不再做外保溫；砌筑內(nèi)墻的砌塊，可以在其孔洞內(nèi)加入吸音材料，用于需要吸音的砌體。

1.1.2 砌體

用不同型號(hào)小型混凝土空心砌塊砌筑的砌體，其特點(diǎn)是榫卯結(jié)構(gòu)可靠性高，所有灰縫均不貫通，使得水平灰縫的摩擦力轉(zhuǎn)變成混凝土砌塊之間的壓力，所以砌體的水平抗剪承載力大幅提高，同時(shí)由邊緣構(gòu)件和樓層現(xiàn)澆梁約束的砌體的整體性、抗彎、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塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系

用不同型號(hào)小型混凝土空心砌塊，按榫卯的方式砌筑成砌體，且在砌體端頭及砌體相交處采用現(xiàn)澆的方式澆筑鋼筋混凝土端柱，在樓層處設(shè)置現(xiàn)澆混凝土帶或者現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓層梁，這樣砌體在鋼筋混凝土端柱和現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓層梁的約束下，整體性和抗震性能大幅提高。

1.2 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算分析

模擬對(duì)比計(jì)算工程項(xiàng)目：

1)一般砌體結(jié)構(gòu)與榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系的對(duì)比。

a.工程概況。模擬工程為7層住宅，層高3 m，抗震設(shè)防烈度7度，地震加速度0.15g，Ⅲ類場地土，建筑平面圖略。b.設(shè)計(jì)依據(jù)。GB 50003—2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范；GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范；GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。c.對(duì)比驗(yàn)算。采用兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算條件：一般砌體結(jié)構(gòu)：粘土磚強(qiáng)度等級(jí)MU10，容重22 kN/m2，砂漿強(qiáng)度等級(jí)M10.0；榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)：砌塊強(qiáng)度等級(jí)MU20，容重18 kN/m2，由于是榫卯結(jié)構(gòu)，故采用等效一般剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 一般砌體結(jié)構(gòu)與榫卯砌體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表 kN

對(duì)比結(jié)論:自重減輕；底部地震剪力減?。粔w抵抗地震作用的能力大幅提高；墻體豎向抗壓承載力大幅提高。

2)一般剪力墻結(jié)構(gòu)與榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系的對(duì)比。

a.工程概況。模擬工程為15層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，層高3 m，抗震設(shè)防烈度7度，地震加速度0.15g，Ⅲ類場地土，建筑平面同一般砌體結(jié)構(gòu)平面圖。b.設(shè)計(jì)依據(jù)。GB 50003—2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范；GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范；GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范；JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程。c.對(duì)比驗(yàn)算。驗(yàn)算條件：一般剪力墻結(jié)構(gòu)：按需要布置剪力墻，填充墻用200厚加氣混凝土砌塊砌體；榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)：砌塊強(qiáng)度等級(jí)MU20，容重18 kN/m2，由于榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚未得出，只能近似利用現(xiàn)有的計(jì)算工具進(jìn)行驗(yàn)算。故采用等效一般剪力墻數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。等效方案是把剪力墻的鋼筋混凝土容重按體積孔隙率進(jìn)行折減。采用這兩種方案，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 一般剪力墻結(jié)構(gòu)與榫卯式小型混凝土砌塊剪力墻計(jì)算結(jié)果表

對(duì)比結(jié)論：自重減輕；地震剪力減小；剛度分布更均勻；荷載分布均勻。

1.3 榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)外墻的保溫性能計(jì)算分析

榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)外墻，目前設(shè)想根據(jù)使用的地域不同，采用200厚和250厚兩種砌體。由于砌體的熱工試驗(yàn)還沒有進(jìn)行，目前只能近似采用傳統(tǒng)混凝土砌塊砌體的熱工指標(biāo)和現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算方法進(jìn)行估算。以下我們采用250厚砌體作為外墻，在寒冷地區(qū)進(jìn)行外墻節(jié)能計(jì)算分析。

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：

按照多層勻質(zhì)材料組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算公式：

總傳熱阻R0(m2·℃/W)：

R0=Rn+R+Rw

(1)

其中，Rn為內(nèi)表面換熱阻，m2·℃/W；Rw為外表面換熱阻，m2·℃/W；R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，對(duì)單一材料:

(2)

其中，δ為材料層的厚度，m；λc為材料層的計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，λc=λ·a。

多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻:

R=R1+R2+…+RN

(3)

其中，R1,R2，…，RN均為各材料層熱阻，m2·℃/W。

1)寒冷地區(qū)外墻節(jié)能計(jì)算。

因?yàn)殚久叫⌒突炷量招钠鰤K的孔洞設(shè)計(jì)，充分考慮其砌體的熱工性能，孔洞的排列均平行于砌體墻面，最大限度隔斷垂直于墻面的熱交換路徑，而且所有的孔洞均采用盲孔。因?yàn)椴捎妹た自O(shè)計(jì)，可以保證砂漿鋪砌平整、飽滿，從而將混凝土空心砌塊孔洞中的空氣封閉在砌體內(nèi)，形成一個(gè)個(gè)保溫的空氣間層，形成結(jié)構(gòu)自保溫體系。

2)利用混凝土空心砌塊孔洞內(nèi)加滿輕質(zhì)保溫材料(聚氨酯)(250厚)，見表3，表4。

表3 250厚保溫混凝土空心砌塊節(jié)能計(jì)算(孔腔內(nèi)全部加聚氨酯)

表4 外墻冷熱橋部分節(jié)能計(jì)算(混凝土250 mm)

2 目前的研究狀況

“榫卯式小型混凝土空心砌塊剪力墻結(jié)構(gòu)體系”是河南眾鼎智拓環(huán)?？萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)的項(xiàng)目。該技術(shù)已獲準(zhǔn)國家專利，專利號(hào)：1)實(shí)用新型專利:ZL201220236680.3；2)外觀設(shè)計(jì)專利：ZL201230195681.3；3)已經(jīng)申請(qǐng)國家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01210163843.4。

該項(xiàng)技術(shù)自2009年起開始研制，經(jīng)過了方案設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、產(chǎn)品試制、模具、生產(chǎn)工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)等一系列艱苦的工作，產(chǎn)品初步定型。在研究和試驗(yàn)過程中，得到了河南大建建筑設(shè)計(jì)有限公司和鄭州大學(xué)工程學(xué)院的大力支持。

3 項(xiàng)目對(duì)我國建材產(chǎn)業(yè)的影響分析

粘土磚早已禁用，由于沒有很好的替代產(chǎn)品，導(dǎo)致建筑成本大幅增加；十二五期間，城鎮(zhèn)化建設(shè)速度加快，每年新建建筑面積20億m2～30億m2，對(duì)安全、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)土等復(fù)合功能的新型建筑材料需求量很大。國家對(duì)墻材革新和建筑節(jié)能的政策支持力度也逐年加大，先后出臺(tái)了多項(xiàng)優(yōu)惠政策。巨大的新增建設(shè)量及既有建筑改造為新型建筑材料發(fā)展提供了廣闊的市場空間。

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

韓忠民(1964- )，男，高級(jí)工程師； 嚴(yán) 寒(1974- )，女，工程師； 李保平(1955- )，女，高級(jí)工程師； 于洪耀(1972- )，男，工程師

TU398.2

A