游家奇 王黎 黃澤

（華南理工大學建筑設(shè)計研究院有限公司）

1 概述

預制混凝土外墻板是指預制混凝土外墻構(gòu)件，它并不承重，只作為外墻起到圍護的作用。預制混凝土外墻板因具有施工周期短、環(huán)保節(jié)能、標準化程度高等優(yōu)勢，逐漸在住宅建筑上得到廣泛運用[1]。且為推動裝配式建筑的發(fā)展，國家與地方政府陸續(xù)出臺了大量關(guān)于推行裝配式建筑實施的指導意見，以《裝配式建筑評價標準》（GB/T 1129-2017）為例，針對圍護墻和內(nèi)隔墻部分得分不得低于10 分，其中，裝配式項目通常采用非承重圍護墻非砌筑5 分，而普通的公建和住宅項目外墻一般需要采用預制混凝土外墻，且需占外圍護結(jié)構(gòu)應用比例的80%以上。因此，預制混凝土外墻在整個裝配式建筑中的占比非常大。

從技術(shù)層面上看，預制混凝土外墻板因出色的工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量，較好地解決了傳統(tǒng)建筑外墻漏水、裂縫等通病。而外墻板一般是整個建筑物中造型相對復雜多變，因此預制混凝土外墻板是涵蓋了較多設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的預制部件之一。

預制混凝土外墻的設(shè)計主要包括拆分設(shè)計和深化設(shè)計兩部分。其中，拆分設(shè)計關(guān)系到建筑功能的實現(xiàn)、裝配率以及標準化的呈現(xiàn)；深化設(shè)計則關(guān)系到預制混凝土外墻成品的質(zhì)量以及施工的效率。

預制混凝土外墻板的種類及連接技術(shù)對比其他預制構(gòu)件較為多種多樣，且根據(jù)建筑外立面要求時常需要開窗洞或增加飾面，因此預制混凝土外墻板的深化設(shè)計需根據(jù)選用的不同預制構(gòu)件樣式，進而確定不同的形狀深化、節(jié)點深化等設(shè)計內(nèi)容。

在項目深化設(shè)計過程中，預制混凝土外墻板由于門洞、窗洞的關(guān)系，需在構(gòu)件的各洞角處進行補強，加強構(gòu)件薄弱位置的強度，確保預制構(gòu)件在生產(chǎn)、運輸以及施工吊裝過程中的完整性，防止構(gòu)件在脫模吊裝、施工吊裝及使用階段發(fā)生破壞。

我國對于雙大開洞預制混凝土外墻板的受力性能分析研究較少，特別是針對洞角薄弱處補強方式的分析研究更加缺少，因此該如何進行安全且經(jīng)濟地補強是一個可待探討的問題。

2 有限元受力分析

本工程中采取的裝配式預制混凝土外墻板部件形狀并不規(guī)則，為大尺寸雙開洞墻板，且該預制墻板跨度為8080mm，高度為4480mm，總重量達14.04t，難以通過理論對其受力進行準確分析，為此采用有限元分析軟件Abaqus 對預制混凝土外墻板進行仿真模擬分析，得到其在吊裝過程中窗洞邊緣混凝土與鋼筋的應力值及分布情況，以此檢核設(shè)計的合理性。

2.1 基本分析參數(shù)

模擬吊裝狀態(tài)下雙大開洞預制混凝土外墻板的受力形式，吊裝工況下動力系數(shù)取1.5；預制混凝土外墻板保護層厚度為15mm，混凝土料強度等級為C40；墻板配筋采C10@180mm 雙向雙層配筋，鋼筋等級為HRB400；吊裝預埋鐵件采用長度為260mm、強度等級為Q235 的鋼棒。

模擬采用三維實體元素單元（C3D8 單元），鋼筋元素采用兩結(jié)點線性三維桁架單元（T3D2 單元）；鋼筋與混凝土間之界面采用Embedded region Constraint（嵌入式約束），吊裝預埋鐵件與混凝土間之界面采用Tie Constraint（綁定約束）；邊界條件為固定約束吊裝預埋鐵件頂部之節(jié)點。

分析模型采用兩種窗洞補強方式：方案一在各洞角處增設(shè)斜向雙層C10 補強鋼筋，方案二采用窗洞四邊增設(shè)暗梁之方式，比較雙大開洞預制混凝土外墻板窗洞補強方式的差異。

2.2 分析結(jié)果

由吊裝工況下兩個模型的分析結(jié)果計算可知：對于混凝土應力，在吊裝工況下，兩種窗洞補強方式對混凝土整體應力值及分布無明顯影響，故細部分析結(jié)果顯示以方案一為例。分析結(jié)果如圖1 及圖2 所示。

圖1 采用斜向補強鋼筋墻板混凝土應力云圖（單位：MPa）

圖2 采用斜向補強鋼筋墻板混凝土拉應力分布示意圖（單位：MPa）

如圖1 所示，預制混凝土外墻板窗洞角隅及吊點處均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，且由墻板上邊緣向窗洞角隅處延伸。從圖3 可更加清晰地看出，窗洞上下邊緣（紅色部分均為應力值小于零）受拉，由中部向兩側(cè)減少，窗洞周圍混凝土最大拉應力值約為-0.016MPa，遠小于混凝土抗拉強度設(shè)計值；且由于墻板跨度大及雙大開洞，因此墻板上下邊緣中部均出現(xiàn)受拉行為，但均小于混凝土抗拉強度設(shè)計值。

對于內(nèi)置鋼筋應力(如圖3 及圖4 所示），分析結(jié)果顯示：采用增設(shè)斜向雙層補強鋼筋方式，在吊裝工況下，鋼筋應力最大值為35.69MPa；采用窗洞四邊增設(shè)暗梁方式，在吊裝工況下，鋼筋應力最大值為38.21MPa。在兩種窗洞補強方式下，鋼筋應力差值僅2.52MPa，且均小于鋼筋強度設(shè)計值。

圖3 采用斜向補強鋼筋墻板鋼筋應力云圖（單位：MPa）

圖4 采用增設(shè)暗梁方式墻板鋼筋應力云圖（單位：MPa）

根據(jù)圖1 至圖4 混凝土及鋼筋應力云圖可以看出：對于雙大開洞預制混凝土外墻板，在吊裝工況下，整體構(gòu)件最大應力不僅出現(xiàn)在窗洞角隅及吊點處，亦會出現(xiàn)在墻板跨中部，由窗洞角隅處逐漸向板中部擴散延伸。

基于上述模擬分析結(jié)果，采用兩種窗洞補強方式均能滿足強度設(shè)計要求，因此需要通過計算成本來進一步比較兩種補強方式的差異。方案比較結(jié)果如表1 所示。由表1 可知：采用方案二即窗洞四邊增設(shè)暗梁的方式，額外增加的成本是方案一的8.5 倍，特別是時間成本，至少需要增加4 小時/塊的工作量，整體經(jīng)濟效益較低。

表1 窗洞補強方案比較

3 結(jié)束語

綜上所述，得出以下幾點結(jié)論：

⑴基于該模擬分析結(jié)果，對于雙大開洞預制混凝土外墻板，采用增設(shè)斜向雙層補強鋼筋的窗洞補強方式即可滿足設(shè)計要求。

⑵從混凝土應力云圖可知，預制混凝土外墻板在雙開洞且洞口尺寸較大時，墻板跨中部、墻板上下邊緣、吊裝預埋件邊緣混凝土及鋼筋在吊裝工況下均會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，因此在深化設(shè)計時此部分需額外復核構(gòu)件強度，以確保在各工況下的安全性。

⑶該分析是基于較理想狀態(tài)下的模擬結(jié)果，在實際吊裝過程中，預制混凝土外墻板的受力狀態(tài)不會這么理想，現(xiàn)實隨著吊裝過程的變化，其受力方向復雜多變，這是模擬分析的不足之處，所以在材料強度選取、鋼筋布置時應適當增加富余度，使其安全性更具保障。