预制外挂墙体与结构框架的相互运动关系浅析吴军

预制外挂墙体与结构框架的相互运动关系浅析吴军

吴军1黄观阳1陈楠2

吴军1黄观阳1陈楠2

1.江苏通创现代建筑产业技术研究院

2.澄筑建筑科技（上海）有限公司

摘要：本文主要介绍现阶段装配式建筑采用的一种主流的高性价比的轻钢结构预制外挂墙体与建筑结构之间的相对作用关系。并通过本文所分析的结构运动对节点连接的相互作用关系，为设计师提供了一种如何根据结构不同的运动方式和建筑需求设计出更为合理的墙板尺寸、节点和连接形式的方法。并对不同的设计形式的进行比较。

关键字：外挂墙板设计形式；运动状态；相互作用；连接形式

引言

随着国务院印发的建筑业发展“十三五”规划的出台，绿色建筑装配式建筑的大力推广，以及装配式预制墙板所具备的高性能、耐久性强以及良好的防火保温、隔声性能，预制外挂墙板得到了广泛应用。因轻钢结构预制外挂墙体系能够承受规范要求的高变形适应性的特点。已成为装配式建筑结构体中最佳的装配部品之一。本文通过项目实践和试验理论分析，深入研究各种运动状态，以及墙板是如何伴随着特定的连接形式与结构相互作用影响的。并对其在地震作用下的性能表现进行了系统的研究。并提出了相关的设计原理和方法，为我国装配式建筑和预制外挂墙体的设计和推广提供一些思路和方案。

1、建筑结构与预制墙板的相互作用

预制外墙系统的性能主要取决于地震作用时墙板与建筑结构框架之间的相互作用。墙板的连接类型将最终决定墙板在地震事件中所经历的运动和变形。以下介绍几种常见的外挂墙体的运动形式进行分析：

1.1平面内的平移及节点分析

当墙板固定在一个楼层的水平面内，墙板能够保持垂直的水平横向位移，梁上挂板和墙挂板通常表现为这种运动方式。因为承重节点连接和约束连接是位于同一结构层的，墙板的上部和下部会连同结构一起移动，所以该类墙板很少会出现旋转，且不受结构楼层移动的影响。如图1所示横条板体系。因此，各层的外挂墙板通过节点连接将随着各楼层框架一同移动。外墙板随建筑结构位移而移动如图2所示。垂直于墙板的连接宽度可以保持最小，因为它们之间位移很小，面板的连接只需要适应框架的收缩或温度变化而产生的微小的平动即可.

图1横条板体系的平移图2平面内平移

1.2平面内的旋转及节点分析

即墙板的旋转，墙板支撑在两个框架楼层时会表现出这种运动方式。当结构产生位移时，墙板的横向连接发生摇摆，从而使其在承重节点上产生平面内的旋转。这要求承重节点应设计成能够允许墙板转动，适用于高宽比较大的墙板的设计。

当墙板根据建筑立面需要布置为竖条板体系时，则该墙板节点需设置在两个楼层的结构平面外的支撑，其连接系统可以使面板在平面内旋转或平移。研究其基本运动是很关键的，即墙板节点的连接方法、位置和宽度应与相邻的结构构件相适应，能过实现其变形协调。这样通常需考虑控制起节点连接或墙的联合位置和宽度。

1.3平面外的转动及节点分析

即面外旋转是面板垂直于结构面的倾斜运动。这种运动在墙板连接在不同的框架楼层时比较常见的。墙板在承受风和地震荷载下结构发生位移期间，会发生倾斜并旋转。承重节点的连接的设计应适应这种平面外旋转，虽然它通常是比较小，也是常容易被忽略的延性连接。

允许垂直向上提升运动的承重连接可称为摇杆连接，这种类型的连接是允许墙板在平面内旋转。这种旋转的墙板是垂直于平面内的简单跨度的转动。墙板上部的连接必须为其提供平面内和平面外支撑。当墙板承受地震作用力时，通过支座承重连接和上部横向的连接产生水平反力。

图3中墙板顶部设置平面内的承重连接和平面外的约束的连接，且底部节点连接处的允许提升。使墙板在受到由结构运动的产生的力时，它的全部重量被加载在底部的承重节点上。由于运动发生在两个方向，每个承重节点必须能够抵抗墙板单元的的全部重量，并且允许上下运动。承重节点以及墙板横向的约束节点必须允许其上下自由运动。该原则也适用于上述平移运动的墙板中的水平插槽和柔性的节点连接，但在当前情况下，插槽应是是竖向的。由于上部两个墙板向同一个方向移动，所以现在可能发生面板碰撞的区域不再在建筑物的拐角处，而是面板的顶部的水平接缝处。它随着墙板的上升和下降而闭合，所以尽量减小墙板的垂直运动可以使节点连接更紧密，否则水平接缝的尺寸可能需要增加。

图3竖条板体系的运动

2节点的连接形式

2.1承重节点

在任意方向上抵抗荷载的连接均被称为刚性连接或固定连接。刚性承重连接通常用于平面内移动的墙板，如图2所示.。固定支承连接是一种平面内的垂直连接。两种轴承连接方式都能抵抗平面内的直接地震力，同时也能抵抗直接作用于墙板的地震力所产生的转动。这时是由承重节点连接而成的抵抗墙板运动变形的连接。当结合墙板自重时，约束力可能会导致重量在一个节点处提升并且在另一个上增加向下的力。如图4所示承重节点的连接使得墙板即能够保持向下的运动又能防止墙板的倾斜。

图4固定支座的连接图5约束节点的连接

2.2约束节点

即墙板相对其支撑结构能够水平或垂直移动的节点连接，又称滑移连接。如图5所示，该节点只能抵抗平面外的力，如果他们抵

抗平面内的力将会传递平面内的移动，这将使结构框架和刚性的承重节点之间产生对抗。所以约束连接应该是灵活的，以平面的开槽使墙体结构转动而不会使连接节点过度加载。将墙板与结构框架设置为刚性的水平承重节点连接，使墙板保持垂直移动。

开槽连接板的准确定位和有效的长度是必要的，但并不是对墙板的位移没有约束。尤其是如果连接构件处于受压状态，或者是由于墙体的滑动受到限制，螺栓与连接件产生很大摩擦力而产生的高拉力。所以设计时应考虑这些滑动连接的防腐蚀处理，同时也要确保他们的长期的耐久性能，以便滑动效应可以在没有约束的情况下发生。

柔性连接要求连接杆件或连接板必须有足够的长度，才能真正实现弯曲和弯曲下的转动。连接系统的所有部件必须设计成有开槽或超大孔的连接形式，使节点连接处可实现弯曲或滑动。底部连接也必须被设计成可以能承受上部作用力的连接。精准的设计安装和检查是必需的，以确保在施工中，其公差即能保证节点连接有效又不妨碍墙板应有的运动。

当墙板设计为平动时，每一层的水平接缝应尽可能保持在一个水平的高度，使其轨道是沿的建筑物周围一致的，墙板可以随着楼板一起运动。当层间楼板发生相对上下移动时，在地震作用时应考虑墙板间的缝隙和节点高度变化，其缝隙会破坏外墙饰面的美观性。

避免墙板碰撞的一个常见方法是增加接缝的宽度，将相邻面板布置到大于墙板极限的位置。图6所表达的就是一个比较常见的例子，其中墙板形成了建筑物的一角，墙板通常连接在框架的两个面上，因此在结构的位移的影响下向外运动。在建筑物的角部，墙板的运动是垂直于一个面，而平行于另一个面的，从而导致两个面之间的接缝的闭合。为了避免碰撞，在外角处的接缝宽度必须增加到相对于其位移的大小。在这种情况下，可以设计为斜板方式来减小地震接缝的宽度。

图6墙板接缝加宽以避免碰撞

3外挂墙板如何在竖条板体系和横条板体系中进行选择

对于高度明显小于其宽度即长宽比较小的墙板也称横条板体系，它是平面内平移运动的最佳设计方案。如果墙板设计有摇杆的承重连接，是允许旋转的，则上部水平接缝的连接尺寸应满足墙板最大的垂直运动。设计时需根据建筑外观具体的几何形状而定，而这种水平接缝的宽度可能会变得相当大，并影响到饰面效果的美观。需注意的是墙板向上的反力很容易就会变得相当大。由于以上这些原因，面板应该设计成平面内的移动，水平接缝应保持在一个水平面上，利用其长宽比小的优点，可以合理地控制倾覆荷载。

在高宽比大的情况下即长条板体系，应考虑到墙板旋转且免刚性连接，因为由此会产生的巨大倾覆力可能变得难以控制。与其试图抵抗倾覆力，不如将节点设计成为摇杆的连接形式可以用来允许面板自由旋转，以适应层间旋转。在这种情况下，底部连接将设计为摇杆连接，顶部连接将设计为平面内横向连接。

4、相邻墙板的接缝处理

安装在抗震设防区域的幕墙系统通常在顶部和底部为刚性连接，这样窗户就不会发生平移。在图1所示的条件下，如果与相邻墙板（如图3所示）相结合窗口排列，两系统是可以兼容的。如果这个窗型相邻的是一个楼层墙板的平移则需要在窗户的一侧有一个大的接缝或垂直挤压区，以防止窗户被打破。

窗口系统可以设计为适应平移运动形式的滑动连节点，但这不是通常采用的节点形式。当窗户与平移面板相邻，这种情况是有利的且是很有可能窗户系统将依赖于墙板的反力来保持它的刚度。窗户也需要特别考虑密封胶的应用。在所有情况下，预制墙板工程师和幕墙工程师应在设计阶段早期努力协调，以避免冲突。

5、其他构造要求形式

对于跨越两层的竖条板承重节点的连接位置应使单元墙板在同一高度上实现平移。如果其节点位置垂直靠近墙板的重心，则地震倾覆力作用被最小化，承重节点连接将承担所有重力和平面内地震荷载，然后将墙板的顶部和底部与各自的楼层隔离开来。有时用于竖条版体系的另一种抗震节点是一个单支座连接且有足够的稳定性。

墙的承重节点是结构支撑系统的重要组成部分，结构的稳定性取决于它们。墙板的承重节点设计有水平或垂直连接，且能够传递作用力。承重节点的设计和细节应与其他预制混凝土结构构件的连接方式相同，允许横向移动和旋转，通过节点设置在楼板、屋面板和剪力墙来实现横向稳定。

6、结语：

本文就现阶段工程实践常见的预制外挂墙的分类与结构框架之间互作用关系进行分析研究，深入分析了单层板、多层板以及竖条板和横条板体系的运动轨迹，和地震力的相互作用关系和对各节点的影响。同时为设计师提供了根据不同建筑相关的设计思路和方法，对详细的节点设计也进行了较深入的剖析，希望能应用于以后实际工程项目中。我们还将不断探索研究结构运动对预制外挂墙板的更深入影响并不断优化我们墙板体系的设计。为推动我国建筑工业化和装配式建筑提供一份力量。

参考文献：

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[2]JGJ101-96建筑抗震试验方法规程[S]

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[8]GB/T51232-2016装配式钢结构建筑技术标准[S]

[9]GB/T51231-2016装配式混凝土结构建筑技术标准[S]

[10]《装配式钢结构建筑规范》（征求意见稿）

[11]《装配式混凝土结构建筑规范》（征求意见稿）

[12]《装配式轻钢复合外墙板技术规程》（征求意见稿）

[13]预制混凝土外挂墙板工程技术规程（征求意见稿）