中英规范砌体夹心墙设计对比分析

张京街，张超，高连玉

(1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2 中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110111)

1 夹心墙起源及应用

砌体夹心墙的应用最早在19 世纪初期起源于英国，随后在北美新世界殖民地和新西兰等南半球国家和地区广泛应用，其优点是能够减少湿气侵入内部居住环境、节省材料以及更好的保温隔热和防火性能。最初英国使用的夹心墙多采用230×110×76 mm（9×4.5×3 in）的粘土砖，有两种常见的截面布置，一种是内外叶墙均顺砖砌筑，中间有10 mm 空腔，一种是内外叶墙砖均沿厚度方向砌筑，空腔宽76 mm,墙体总厚约230 mm；内、外叶墙之间用实心粘土砖连接，这也导致外部湿气可通过连接砖进入内叶墙。为解决湿气入侵问题，对叶墙连接技术进行了更新，采用异形连接砖由内叶墙往外叶墙向下倾斜，或采用设竖向排水孔的挤压成型砖，之后又由金属拉结件代替连接砖，并迅速得到推广[1]。据了解，19 世纪50 年代英国南安普顿80%住宅的夹心墙使用金属拉结件。最初用的拉结件一般是铸铁或锻铁，表面通常不作处理或采用蘸焦油和砂进行预处理，容易腐蚀。为解决拉结件腐蚀问题，开始采用表面镀铜或热镀锌钢代替铸铁。镀锌拉结件有不同的形式，其中，双三角（蝴蝶）和马蹄形拉结件弹性好，主要用于单层房屋，竖向扭曲和鱼尾形拉结件则更适于多层房屋。新西兰无筋粘土砖夹心墙砌体主要修建于1880—1935 年间，在砌体结构中占有相当大的比重，单砖-空腔-单砖截面夹心墙普遍用于单层房屋和多层房屋底层以上墙体，单砖-空腔-双砖截面多用于多层房屋底层墙体。第二次世界大战后，夹心墙砌体房屋在中欧和北欧国家广泛用于（低层）住宅中，其内叶墙承重，常采用硅酸钙砌块；外叶墙不承重，常采用饰面粘土砖；有时空腔内填充保温材料[2]。夹心墙在北美和亚洲其他国家也有较为广泛的应用。

我国夹心墙的兴起主要出于建筑节能的考虑，作为一种高效节能墙体，目前主要用于寒冷和严寒地区的建筑外墙以及有保温隔热要求的墙体[3]，在夏暖冬冷等气候分区应用也有研究和实践探索[4-5]。2001 年版《砌体结构设计规范》GB 50003 修订时，在国内一些科研单位试验研究基础上，参考国外（主要是美国）规范，引入砌体夹心墙的构造措施，之后在2011 年版规范中对夹心墙设计的构造要求进行了完善和补充。李寿德[5]对辽宁、吉林、河北、北京、山东、新疆等地15 个项目共60 栋建筑进行实地调研发现，夹心墙在建筑节能和造价方面均有较为明显的优势，装饰多孔砖和装饰砌块清水外墙的装饰效果也很有特点，但同时也发现，由于构造处理不当、施工不规范、拉结件防腐不到位、排湿泄水措施不当等原因，有的夹心墙存在热桥、结露、保温隔热性能不佳、外叶墙开裂等问题，有的甚至有失稳的风险。夹心墙设计理论伴随着工程实践不断丰富和完善，并逐步形成了具有我国地方特色的夹心墙技术体系。2012 年，行业标准《装饰多孔砖夹心复合墙技术规程》JGJ/T 274[6]发布实施，适用于严寒及寒冷地区的非抗震设防区、抗震设防为6 度至8 度地区，外墙砖采用烧结装饰多孔砖或非烧结装饰砌块的夹心复合墙建筑。国家建筑标准设计图集《夹心保温墙建筑与结构构造》16J107/16G617 于2016 年发布实施。

相较而言，我国砌体夹心墙相关技术规定更多是对标和借鉴美国规范，国内对夹心墙发源地英国相关砌体规范的关注整体不多。本文通过对比分析的方式，简要介绍英国BS 5628[7-8]规范砌体夹心墙设计的基本理念和一些具体的技术要求，希望对我国夹心墙理论发展和相关标准规范完善能够有所参考和借鉴。

2 中英规范夹心墙设计对比

徐建[9]指出，“夹芯墙与复合墙是两种不同的结构形式……GB 50003—2011 没有明确区分”。GB 50003—2011[10]对夹心墙（cavity wall with insulation）的定义为，墙体中预留的连续空腔内填充保温或隔热材料，并在墙的内叶和外叶之间用防锈的金属拉结件连接形成的墙体。JGJ/T 274—2012[6]对夹心复合墙（cavity wall with insulation，又称夹心墙）的定义与GB 50003—2011 类似，但明确指出该规程所适用的夹心墙为非组合作用夹心墙。按照BS 5628 对夹心墙（cavity wall）的定义，两片平行单叶墙通过连接件有效连接，其间空隙通常不小于50 mm，为连续空腔或者用非承重材料填充。与之对应的还有一类灌浆夹心墙（grouted cavity wall），其他规定与夹心墙相同，但其两叶墙之间空隙用细骨料混凝土（可以配筋）填充以实现两叶墙共同受力。从定义来看，GB 50003 中的夹心墙对应美国建筑规范[11]不考虑组合作用的夹心墙，也与BS 5628 中的夹心墙相对应。

2.1 结构分析

对于不考虑组合作用的外叶墙是否承受竖向荷载，美国建筑规范[11]明确规定外叶墙是非承重的饰面墙，内叶墙是承重墙，而GB 50003—2011 没有明确说明夹心墙承载力的设计计算方法。JGJ/T 274—2012[6]中，夹心墙结构设计包含非抗震和抗震设计，具体规定为：（1）外叶墙为自承重墙，内叶墙根据夹心墙类别不同可为承重叶墙或自承重叶墙，不考虑竖向荷载在内、外叶墙间的分配；（2）内叶墙承受平面内由风荷载或地震荷载引起的水平力作用，不考虑外叶墙的作用；（3）承重夹心墙承载力计算采用内叶墙截面面积，按现行GB 50003 等相关标准进行结构设计；（4）多层房屋夹心墙平面外抗裂验算时，夹心墙在水平荷载（风荷载）作用下的内力可根据横向支承条件并忽略其连续性，按单向或双向简支板计算，平面外弯矩可按叶墙的相对抗弯刚度进行分配后单独进行抗裂验算。

按照BS 5628-3[8]规定：（1）夹心墙竖向荷载作用点位于两叶墙重心之间时，应将其分解为分别作用于两叶墙的等效竖向荷载，分别进行竖向承载力验算，但考虑高厚比和荷载偏心影响的承载力折减系数应按夹心墙有效厚度确定；（2）平面外横向荷载作用下墙体弯矩有两种近似计算方法，一种是按多边支承板计算，并列表给出了不同支承条件（固结、简支、自由边）下墙板的弯矩系数；另一种是按拱计算，适于墙垛间墙体等适宜考虑拱作用等情况；（3）采用竖向扭曲形或与之等效承载能力和刚度连结件连接时，夹心墙平面外承载力取两叶墙承载力之和，并考虑墙垛作用；采用蝴蝶或双三角形连结件，连接件能传递其所承受的压力作用时，夹心墙平面外承载力取两叶墙承载力之和，只能部分传递压力作用时夹心墙承载力应相应折减；（4）给出了夹心墙支承部位局部受压及连接计算方法。

2.2 墙体稳定性

GB 50003 和JGJ/T 274 对墙体稳定性的考虑主要是限制其高厚比，夹心墙高厚比计算时采用有效厚度，取值为两叶墙截面厚度平方和的根，无筋砌体墙允许高厚比与砂浆强度等级、门窗洞口情况、墙体为承重还是自承重墙等有关。

BS 5628 标准对墙体稳定性的规定分为几个方面：（1）限制墙体高厚比：对墙体支承条件、有效高度、有效长度和有效厚度等均有相应的规定；（2）限制墙体面积：对承受均布横向荷载的墙体，列表给出了不同气候分区、不同高度、不同支承条件、不同类型墙体的最大面积，对支承间距、叶墙厚度、空腔宽度、连接件等满足相应条件的夹心墙，可直接查表得到允许最大墙体面积；（3）对内墙或隔墙，图示给出了基于高厚比和长厚比的墙体稳定性判定标准。

2.3 内外叶墙变形协调

外叶墙直接暴露在外，受气候环境影响更大，同时外叶墙和内叶墙受到的竖向应力的大小以及所采用的材料不同，长期荷载作用下也将产生徐变差，通常应设置水平控制缝。GB 50003—2011 规定，夹心复合墙的外叶墙宜在建筑墙体适当部位设置控制缝，其间距宜为6～8 m。JGJ/T 274—2012 对不同外叶墙材料作了不同的控制缝间距，如烧结类砖砌体控制缝间距宜为6～8 m，混凝土砌块类砌体控制缝间距宜为4～6 m，并要求控制缝应采用硅酮胶或其他密封材料嵌实。另外，GB 50003 和JGJ/T 274 均对不同抗震设防烈度下外叶墙最大横向支承间距进行了规定，抗震设防6 度时不宜大于9 m，7 度时不宜大于6 m，8 度时不宜大于3 m。

对于内外叶墙不均匀竖向变形，BS 5628-3 提出两种处理方式：（1）限制外叶墙连续高度：要求外叶墙支承间距不应超过3 层楼高和9 m 的较小值（不超过4 层或12 m 高的房屋，墙体可全高连续）；（2）计算相对变形并采用适宜的构造措施：变形计算应考虑弹性变形、温度、湿度及徐变等因素影响，计算的相对竖向变形不应超过30 mm；可采用的构造措施包括内外叶墙分别设置过梁、采用与计算位移相适应的的连接件、将窗户固定在外叶墙上、窗台下面设置柔性连接等。无论采用何种处理方式，都需要同时考虑提供垂直连接来协调水平位移。

2.4 拉结件

GB 50003—2011 对拉结件选型、最小直径、（水平和竖向）最大间距、在叶墙上的搁置长度、门窗洞口附近设置要求等作了相应的规定；JGJ/T 274—2012 增加了控制缝两侧构造处理要求。同时参考美国规范的相关规定，要求夹层厚度不宜大于120 mm，满足相应构造要求时不需要进行拉结件锚固、拔出或压曲等验算。

BS 5628-3 从几个方面对拉结件设计作了相应规定：（1）选型与间距：拉结件选型和间距取决于空腔宽度以及叶墙之间传递水平荷载大小，对应不同叶墙厚度、空腔宽度，列表给出了拉接件长度和选型建议、单位面积墙体拉结件件数量要求，并对洞口、墙体端部等部位的拉结件设置作了专门要求；（2）强度：拉结件设计受拉和受压承载力应大于其承受的设计水平荷载，列表给出了不同类型拉结件的具体尺寸和材料拉伸强度等具体要求；（3）埋置深度：拉结件长度应能保证在该类拉结件适用的最大厚度墙体中居中放置时，考虑施工误差影响（-12.5 mm）后的最小埋置深度不小于50 mm。

2.5 防雨水渗透及防潮

GB 50003—2011 从钢筋选择、保护层厚度、钢筋等金属材料（包括拉结件）防腐处理和砌体材料选择等方面对砌体结构耐久性作了相应的规定。JGJ/T 274—2012 对夹心墙防潮设计作了相应规定：（1）严寒地区建筑夹心墙应进行冷凝验算并应设置排湿空气层（20 mm 厚）与泄水口；（2）夏热冬冷地区夹心墙可不进行内部冷凝受潮计算，但外叶墙应进行防水、防渗设计；（3）图示给出了排湿空气层和泄水口的构造要求，但未给出泄水口间距的具体要求。

BS 5628-3 对防雨水渗透和防潮设计非常重视，要求外墙防雨水渗透与强度、耐久性、隔声、隔热等同步考虑。其设计理念是雨水会渗透外叶墙（即使有抹灰或粉刷）并沿其内侧下滑，防雨水渗透不应考虑内叶墙作用，要求在过梁、楼板、管道等空腔连接部位用空腔（导水）盘代替防潮层将水气转移以保证内叶墙不受潮。对外墙厚度（通常不小于90 mm）和空腔宽度（通常不小于50 mm）作相应要求的同时，通过合理设置防潮层和空腔（导水）盘或设置防水层来降低雨水渗入房屋的风险，对地面标高及以下部位防潮、夹心墙下行水气控制（空腔盘、排水孔等）以及门窗洞口边框、窗台下部、外墙转换为内墙、女儿墙、烟筒等部位的构造措施作了具体要求。

3 结语

徐建[9]指出，GB 50003—2011 虽然也提出了复合墙的设计计算方法，但是对夹心墙与复合墙的区分不甚明确，而且在夹心墙承载力计算、控制缝设置、拉结件水平力传递等方面还需要进一步研究。从本文对比分析看，英国BS 5628 规范对夹心墙设计的规定更加体系化，在夹心墙结构分析、墙体稳定性、内外叶墙变形协调（及防裂）、拉结件设计以及防雨水渗透和防潮设计等方面都有诸多可以参考之处。相比于GB 50003 规范，JGJ/T 274规程在结构设计、控制缝设置、防水和防潮设计等方面已经有了一些补充。可以考虑在对规程使用及夹心墙应用发展等情况进行深入调研的基础上，借鉴BS 5628 相关标准以及美国相关标准规范，在国家标准GB 50003 修订过程中予以补充和完善。

世界范围内砌体结构包括夹心墙的应用非常广泛，但也具有显著的地区特征。比如英国属于海洋性气候，而且建筑多为低层和多层，夹心墙的兴起主要源于防止湿气侵入和节省材料，抗震也不是设计重点考虑的因素，而我国夹心墙的应用更多是受建筑节能要求的推动，砌体结构包括夹心墙抗震性能问题不可回避。近年来国外学者针对砌体夹心墙抗震性能做了不少专门的研究[1-2,12-13]，但我国对夹心墙抗震性能的研究尚缺乏针对性和系统性。如何在保证砌体结构性能的前提下，实现砌体建筑绿色节能的性能优势，值得每一位砌体工作者思考和探讨，这在国家推动绿色低碳转型和城乡融合发展等政策背景下尤为重要。