钢结构住宅UHPC外挂墙板研究及施工技术*

曹计栓,张虎峰,苏 磊,王继生,李 卓,刘步芳

(北京市住宅产业化集团股份有限公司,北京 100079)

0 引言

自“十三五”以来,国家及部分省市先后颁布了相关的装配式建筑政策,其中在政策中提到发展钢结构住宅作为试点。当前,钢结构住宅外围应用较多的是ALC板和普通预制混凝土外挂墙板,墙板外饰面造型一般为平面,外挂ALC板和预制混凝土外挂板均利用角钢与钢梁外伸牛腿连接。随着人们对建筑物品质追求的提高,传统平板式外立面已不满足大众对建筑外观的审美,局部凹凸的建筑外立面越来越受到大众追捧,为此,需研究一种匹配钢结构住宅的新型外围护墙板,墙板实现包钢梁、钢柱,普通的预制混凝土墙板自重较大,难以实现整体包梁包柱。经过对相关建筑材料的研究,选用UHPC作为外挂墙板材料。UHPC具有超高力学强度,相较于其他普通混凝土具有耐化学腐蚀性、防水性、同等体积质量小强度高及一定自愈能力的特点,成为过去30年最具创新性的水泥基工程材料。同时,采用大尺寸设计的UHPC外挂墙板能为建筑带来更好的视觉整体感,超低吸水率和超强耐久性可保证建筑表皮的长期视觉和使用效果。UHPC作为外围护墙饰面,集围护、结构材料一体化,可形成一套轻质、高耐久性、高外观品质的建筑外围护系统。北京某公租房项目创新研究匹配钢结构住宅的薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板,采用折板方式实现包钢梁、钢柱,既满足了建筑凹凸的外观造型,又减少了挂板与钢梁间后期大量封堵的相关工作。外挂墙板与钢梁直接采用组合连接件方式进行连接,实现了外挂墙板快速装配。

1 UHPC外挂墙板研究

1.1 板型研究设计

为满足建筑立面凹凸造型设计及减少外挂墙板与钢梁间大量封堵工作,考虑UHPC外挂墙板与钢框梁连接后与内装结合的效果需达到室内不露梁,UHPC外挂墙板在角柱、边框柱和边框梁部位采用折板方式直接包裹,形成了薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板。综合考虑建筑外立面、挂板生产制作及运输等因素,将楼座南北立面薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板拆分为3种标准化预制构件, 6 700mm 长跨户内拆分为2种构件,3 300mm长走廊区域拆分为1种构件,并对每种构件进行标识,如图1所示。带折板的UHPC外挂墙板采用一次整体成型方法制成,结合UHPC外挂墙板结构内部应力分布情况,将芯部应力相对较小部位变成空腔,空腔内填充A级改性硅质保温板,用保温钉将保温板固定在外墙挂板内侧,UHPC外挂墙板大部分应力由UHPC肋板承担,既大幅度减轻了结构自重,又能满足承载力要求。外挂墙板样式如图2,3所示。安装节点部分厚度为280,145mm,壳体内空心部分壁厚(外饰面板)30mm,考虑防水密封要求,挂板底部水平缝壳体壁厚≥40mm,板宽、板高不宜超过 4 800mm。 板型分为含洞口和不含洞口,如图4,5所示。挂板安装前,包裹钢柱的平直段提前施工完成,与UHPC外挂墙板结合的内装饰采用硅酸钙板复合墙板系统,由外至内依次为轻钢龙骨硅酸钙板、PVC隔汽层、100mm厚岩棉保温层,内装饰面板通过钢龙骨连接。

图1 UHPC外挂墙板平面布置Fig.1 Plan layout of UHPC external wall panel

图2 UHPC外挂墙板正视图Fig.2 Front view of UHPC external wall panel

图3 UHPC外挂墙板背视图Fig.3 Back view of UHPC external wall panel

图4 无门洞外挂墙板构造Fig.4 Structure of the external wall panel without door opening

图5 有门洞外挂墙板构造Fig.5 Structure of external wall panel with door opening

1.2 连接节点构造及设计方法

1.2.1连接节点构造

薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板在与钢结构主体连接时,根据UHPC外挂墙板在钢梁、钢柱包裹的凹凸造型及受力形式特点,选用点支撑连接方式(即采用上挂和下承托式的构造节点连接方式,且上挂点和下承托点在同一条竖向垂直线上),外挂墙板与主体结构采用柔性连接构造,考虑在外挂墙板上部内侧与钢梁翼缘间留设50mm间隙,然后塞岩棉,保证外挂墙板在地震时能适应主体结构最大层间位移角,同时连接节点具备适应外挂墙板制作与施工安装允许偏差的三维调节能力。

通过设计角钢组合连接件将UHPC外挂墙板与钢结构主体连接。首先将连接埋件预埋在UHPC外挂墙板肋板中,再将UHPC外挂墙板上部与钢梁焊接的角钢通过高强螺杆采用铰接方式固定,为提高墙板整体稳固性,通过高强螺杆将墙板下部嵌入固定,如图6所示。在上、下挂板保温层接缝断连处,添加A级保温材料,防止局部热桥效应的产生。

图6 连接节点构造Fig.6 Structure of connection joint

1.2.2设计方法

基于钢框架结构体系,在薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板上部折板位置与钢框梁和角钢连接件间留设50mm间隙,通过设置长圆孔方式释放连接节点自由度。在钢结构主体产生层间变形时,连接节点具有相对于钢结构主体的可移动性,当钢结构主体位移时,连接节点允许墙板不扭曲,有相对自由度,由此避免了钢结构主体施加给墙板的作用力,也避免了墙板对钢结构主体的反作用。

在正常情况下,UHPC外挂墙板连接螺栓位于连接到钢结构主体的连接角钢长圆孔中间(见图7a),当发生层间变形时,钢柱发生倾斜,钢梁水平位移,但墙板未随之移动,而是连接角钢随着钢梁发生移动,这时墙板连接螺栓位于连接角钢长圆孔边缘,如图7b所示。

图7 连接节点工作原理Fig.7 Working principle of connecting joints

1)荷载工况及组合 自重Gk=16.23kN。地震力：考虑“鞭梢效应”、高频振动引起的动力放大,JGJ/T 458—2018《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》中给出放大系数βE,多遇地震作用下取5.0、罕遇地震作用下取4.0,则平面内水平地震力SEhk(多遇)=14.61kN,SEhk(罕遇)=58.43kN。风荷载：依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》,风压标准值Wk=1.13kN/m2,设计值W=10.17kN;风吸标准值W′k=1.58kN/m2,设计值W′=14.22kN。

2)构件在节点区极限承载力验算 依据《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》,构件与主体结构为四节点连接,当水平力沿构件平面内作用时,考虑到安装及加工误差,四节点不会同时起作用,按静定要求,参与计算的节点为两节点(上、下各1个)。同理,当水平力垂直于构件平面时,按静定要求,参与计算的节点为三节点。以其中1个点进行受力分析：重力荷载产生的偏心弯矩标准值Gmk=0.47kN·m, 偏心推力标准值Gfk==0.17kN,风荷载拉力标准值Wtk=14.22/3=4.74kN,地震剪力标准值面外Esk1=58.43/3=19.48kN,面内Esk2=58.43/2=29.22kN。①M20上部受拉螺栓验算 风荷载组合下1.3Gfk+1.5Wtk=7.33kN,地震效应组合下Gfk+Esk1=19.65kN,采用M20螺栓,抗剪强度设计值为44kN,满足受力要求;②M20下部水平拉接螺栓验算Gfk+Esk2=29.39kN,采用M20螺栓,抗剪强度设计值为44kN,满足受力要求;③下部M24承托螺栓局部受压验算 地震效应组合下Gk+SEhk(罕遇)=74.66kN,采用M24螺栓,受压承载力设计值为97.2kN,满足受力要求。

3)构件变形能力验算 以1个滑动节点为例,挂板连接节点应具有适应地震作用下主体结构层间变形的能力。按《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》要求,在地震设计状况下,连接节点在墙板平面内应具有不小于主体结构在设防作用下弹性层间位移角3倍的变形能力。经换算,外墙挂板与主体结构连接的最大层间位移角θ≥1/100,考虑到挂板高度H=2 900mm,挂板上挂点连接角钢设计长圆孔孔长a=70mm,Hθ=29mm≤a/2=35mm,满足要求。

1.3 有限元分析

根据薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板实际尺寸和物理力学性能参数,选取无门洞UHPC外挂墙板构件建立相应有限元模型,其物理力学性能参数参考T/ZS 0203—2021《超高性能混凝土外墙(UHPC)围护和装饰板应用技术标准》中相关规定,受压弹性模量取43GPa,泊松比取0.2,密度取 2 500kg/m3。 荷载及模型边界条件如图8所示,荷载计算根据《预制混凝土外挂墙板应用技术标准》中有关规定,主要考虑墙板自重、风荷载和水平地震作用,利用ABAQUS有限元分析软件模拟其应力分布。应力分析结果如图9所示。

图8 荷载及模型边界条件Fig.8 Load and model boundary conditions

图9 应力分析结果(单位：MPa)Fig.9 Stress analysis results(unit：MPa)

由图9应力分析结果可知,薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板的折板与竖向面板交接部位应力较小,说明折板部位工字形实心肋起到了保护作用;应力较大部位主要集中在连接点位置,在风荷载作用下,最大拉应力为2.86MPa,应力从连接点向对应的工字形肋板部位传递;在多遇地震作用下,最大拉应力为3.19MPa,中部板面应力大于两侧板面应力,应力分布呈现向板中集中的现象;在罕遇地震作用下,最大拉应力达11.1MPa,连接点位置出现较大应力集中,容易破坏,实际连接节点是通过在UHPC外挂墙板上部连接位置设置长圆孔来释放应力,以适应大震下结构极限层间变形。

1.4 接缝研究设计

薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板自身防水性能较好,薄弱环节为外挂墙板接缝。根据使用环境和使用年限要求选用合理的防水材料及设计防水构造,在UHPC外挂墙板与钢结构连接节点设计阶段,考虑外挂墙板板顶、板底、非包柱两侧板端有肋板的构造,在UHPC外挂墙板水平和垂直接缝位置采用2道材料防水做法,其中水平接缝应增加构造防水做法。接缝宽度根据极限温度变形、风荷载及地震作用下的层间变形、密封材料最大拉伸-压缩变形量及施工安装误差等因素设计计算,满足板缝宽度为10～35mm、密封胶厚度按缝宽的1/2 且≥8mm 设计,背衬材料选用宽度为缝宽1.3倍发泡聚乙烯棒,气密条选用氯丁橡胶;依据 T/CECS 655—2019《装配式建筑密封胶应用技术规程》相关规定,外挂墙板板缝密封材料应选用25级及以上位移能力的建筑耐候性密封胶,密封胶与混凝土相容性、低温柔性、最大伸缩变形量、剪切变形性、防霉性及耐水性等均应满足设计、外饰面防污和环保要求。

薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板在进行立面拼接时,考虑立面效果和施工安装预埋吊钉的不同,将UHPC外挂墙板水平接缝设置2道材料防水和构造防水。防水构造从外向内依次为MS改性硅酮密封胶、发泡聚乙烯棒、发泡氯丁橡胶气密条,如图10所示。垂直接缝防水构造考虑板端部有肋板的设计,板缝设置2道材料防水,结合板端肋板宽度,在板缝饰面板一侧设置1道MS改性硅酮密封胶+发泡聚乙烯棒、中间增设发泡氯丁橡胶气密条,利用板缝节点处的空腔形成压力差避免雨水渗入;室内一侧设置防火密封胶+背衬材料发泡聚乙烯棒,提高该薄弱点的耐火性能,如图11所示。

图10 UHPC外挂墙板水平接缝构造Fig.10 Horizontal joint structure of UHPC external wall panel

图11 UHPC外挂墙板垂直接缝构造Fig.11 Vertical joint structure of UHPC external wall panel

薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板在包裹钢柱(中柱和角柱)处的垂直接缝设置2道材料防水,考虑此处保温的基本连续性,不宜设置肋板,因此在板端设置垂直于板面的竖向通长UHPC板条,此处垂直接缝防水构造从外向内依次设置MS改性硅酮密缝胶、发泡聚乙烯棒、发泡氯丁橡胶气密条,如图12所示。

图12 UHPC外挂墙板与钢柱垂直接缝构造Fig.12 Vertical joint structure of UHPC external wall panel and steel column

1.5 窗洞口连接构造

对于有洞口的薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板要考虑墙板与窗户结合处密封防水处理,采用内填发泡胶和外打建筑密封胶的做法,并在窗洞外沿上部增设滴水槽,下部设置披水板实现排水处理。窗户固定安装在UHPC外挂墙板上,如图13所示。

图13 UHPC外挂墙板窗洞口连接构造Fig.13 Connection structure of UHPC external wall panel window opening

2 UHPC外挂墙板快速装配施工

2.1 吊具选择及吊点设计

薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板吊装机具选择和吊点设计也是实现快速装配的关键因素,吊装机具可选用一字形吊装梁,吊装梁设计长度不小于挂板长度。依据UHPC外挂墙板吊装短暂工况满足吊装安全的原则,在薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板的深化设计时,充分考虑吊装重心,在每块外挂板上部肋板区域连接埋件位置预埋2个吊钉,吊钉沿挂板长度方向布置,配套选用鸭嘴扣实现吊装安全和快速装配的要求。以有门洞UHPC外挂墙板吊装为例,如图14所示。

图14 UHPC外挂墙板吊装Fig.14 Hoisting of UHPC external wall panel

2.2 安装策划

薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板与钢梁连接设计为点支撑,安装过程不设置斜支撑,直接利用挂板上、下连接点进行定位和调整挂板垂直度,考虑钢结构主体在施工过程中存在偏差的影响,标准化生产的外挂墙板难以分配、消化每节钢结构主体的偏差。因此,采取UHPC外挂墙板在钢结构主体完成后安装,有利于后期与加工生产相结合分配消化钢结构偏差影响。

外挂墙板上部挂点和下部承托点设计均在1条垂直线上,考虑钢结构主体垂直度变形影响,安装前应对主体结构进行复测,当钢结构主体施工误差超过外挂墙板与主体结构的连接点调节范围时,应对UHPC外挂墙板生产尺寸进行微调;根据对楼座主体结构复测结果,对挂板上、下连接点精确定位,策划将上部挂点角钢和下部承托点在现场定位后焊接,有利于保证挂板连接点的精准定位。

为保证UHPC外挂墙板安装质量和装配效率,根据UHPC外挂墙板与楼座连接节点设计,总体安装原则为沿楼座立面方向自下而上逐层安装,每层水平方向由一端向另一端逐块安装。

2.3 安装要点

安装工艺：楼座垂直度复测→钢柱平直段和钢梁腹板外侧岩棉保温安装→外挂墙板控制线施测→上挂点角钢与钢梁焊接→下部承托点组合挂件支腿与钢梁上翼缘焊接→UHPC外挂墙板起吊落位在下部承托组合件支腿调节螺杆→上部挂点精确定位→下部角钢组合件与挂板连接→挂板精细调整→角钢组合件与支腿连接先终拧紧固后焊接→板缝防水细部处理及外饰面喷涂→挂板与楼板间缝隙封堵。

钢结构主体验收完成后,对整个楼座钢框架进行定位、标高、垂直度等复测,根据复测结果,在楼座边框梁上翼缘定位测放出UHPC外挂墙板上部挂点和下部支撑点,并根据点位调整结构楼板施工期间在钢梁上初步留设的挂点空间,留设偏差较大的进行二次剔凿。当复测结果显示楼座标高、垂直度偏差超过挂板调节空间时,超出调节空间的尺寸应在每层挂点定位过程中进行消化和分配总误差,如分配后仍不满足接缝宽度误差在5mm内时,应通知挂板生产厂,调整相应楼层挂板生产尺寸。楼座复测后、挂板安装前,应首先对钢框架进行防火喷涂,其次对楼座边框钢梁的外侧腹板和钢柱与挂板平直段包裹位置填充岩棉保温。再次在楼板上施测挂板定位控制线,距离钢梁边缘500mm,平行于挂板长度方向设置;挂点定位控制线垂直于挂板定位控制线,相邻2块挂板垂直拼缝宽度为20mm,每2块外挂墙板板缝控制线垂直于挂板定位控制线,如图15所示。

图15 UHPC外挂墙板控制线施测Fig.15 Measurement of UHPC external wall panel control line

UHPC外挂墙板上、下挂点在钢梁定位确定后,在每层楼钢梁上翼缘焊接外挂墙板上部角钢挂点,下部承托组合件支腿随每层挂板安装后逐层焊接在钢梁上翼缘,安排7名吊装工为1个吊装班组,其中挂板堆放区设置2名(1名挂钩工、1名信号工),楼层作业面设置5名(上部挂点2名+下部支撑点 2名+信号工1名),作业面安装工佩挂安全绳,必须高挂低用,安全绳挂在作业层提前拉结的通长钢丝绳上,便于安装工随时移位。

UHPC外挂墙板安装及校正采用起吊→就位→初步校正→精细调整作业方式,外挂墙板起吊前在挂板内侧临时安装预埋吊环螺丝并挂上牵引绳,安装工可通过牵引绳引导外挂墙板快速就位,经过实际测算,1个安装班组每天工作8h可安装约16块外挂墙板,安装流程如图16所示。

图16 UHPC外挂墙板安装流程Fig.16 Installation process of UHPC external wall panels

1个立面的UHPC外挂墙板全部安装完成后,悬挂吊篮沿外立面自下而上对外挂墙板水平缝和垂直缝进行防水密封处理,背衬材料应连续并均匀地填充在接缝中,确保与接缝两侧基材紧密无空隙。施胶时应将胶嘴伸至接缝内部,胶枪嘴移动速度应保持均匀缓慢,挤注应均匀有序,确保接缝内胶体与基材面及背衬材料间紧密无空隙,密封胶未完全固化前,应注意对施胶成品进行保护。外挂墙板十字接缝处各300mm范围内的水平缝和垂直缝应一次施工完成。在交叉接缝处施胶时,先在接缝交叉口处挤入足量的密封胶,然后分别向各接缝方向牵引施胶,如图17所示。施胶完成后,在规定操作时间内,逆着施胶方向,用抹刀对交叉接缝进行压实和整平,以确保胶体饱满密实,表面平整光滑。接缝防水密封处理后自上而下进行外挂墙板外饰面喷涂。

图17 交叉接缝处施胶示意Fig.17 Glue application at cross joints

UHPC外挂墙板垂直缝内侧进行防火密封处理后,可在外挂墙板包钢柱和包钢梁的斜面段缝隙用岩棉填塞密实,在钢梁外侧和楼板分别与UHPC外挂墙板间的50mm缝隙处用岩棉填塞密实,在组合件支腿内部先用岩棉填塞密实后再填塞混凝土,混凝土标高与结构楼板面齐平,如图18所示。

图18 缝隙封堵示意Fig.18 The gap sealing

3 结语

1)通过对钢结构住宅外围护体系的研究,为满足建筑外立面凹凸造型,创新研究设计了一种匹配钢结构住宅的薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板围护体系,UHPC外挂墙板且集成内保温在工厂整体预制成型,大大提高了工厂化预制率。

2)薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板采用组合连接件直接与钢梁连接,相比于传统挂板与钢梁连接采用钢梁外伸牛腿,减少后期大量填塞岩棉,挂板上、下部连接点竖向同心,通过研究设计长圆孔,有利于施工安装快速调节及精确定位。

3)结合UHPC外挂墙板造型及连接节点构造,通过对外挂墙板水平和垂直接缝防水的研究设计,有效实现了UHPC外挂墙板接缝防水密封要求。

4)在前期研究及设计阶段,充分考虑了施工装配的可行性,薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板设置了折板包钢梁,与建筑内装结合后实现室内不露梁。通过在公租房项目的实施,验证了薄壁带肋复杂造型UHPC外挂墙板可实现快速装配,为今后钢结构住宅外围护体系的设计及施工提供了借鉴。