保温砌模现浇网格墙建筑结构设计方法.docx
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保温砌模现浇网格墙建筑结构设计方法
保温砌模现浇网格墙建筑结构设计方法
钱稼茹
（清华大学土木工程系结构工程与振动教育部重点实验室，100084北京）
摘要：
介绍了8个剪跨比不大于1.0和8个剪跨比为1.96~3.06的钢筋混凝土网格剪力墙试件在轴压力和往复水平力作用下的试验，结果表明，网格墙的破坏形态为横肢剪切破坏和墙端竖肢混凝土压碎破坏，耗能构件多且分散，塑性变形能力大。
有限元分析和/或试验结果表明，可以将网格墙等效为普通钢筋混凝土剪力墙，计算其抗侧刚度，按现行规范计算其受剪承载力和偏心受压承载力。
保温砌模现浇钢筋混凝土网格剪力墙房屋建筑采用发明专利产品轻质混凝土保温空心砌块做砌模，砌模具有优良的保温隔热性能和良好的力学性能。
将砌模对孔错缝砌筑，成为现浇墙体的模板，在其内部形成横向和竖向的网格状空腔，横、竖网格状空腔的中心距都为200mm，竖向孔的平面尺寸为130mm×120mm（内墙，120mm为厚度方向）和130mm×150mm（外墙，150mm为厚度方向），上下两层保温砌模之间形成的横向水平孔高80mm。
砌筑保温砌模时，每层砌模横向水平孔内配置钢筋网片；砌到一层高度，在竖孔内插入竖向钢筋网片。
在孔内浇筑自密实免振捣混凝土，成为由竖肢（宽130mm）和横肢（高80mm）组成的网格状钢筋混凝土剪力墙，简称网格墙。
沿内外墙体上部设置封闭式圈梁，采用现浇或装配整体式楼盖和屋盖，在外墙与内墙、内墙与内墙交接处设置组合柱，或承重梁下设置加强柱，构成完整的现浇房屋建筑结构体系。
通过对网格墙建筑体系的全面、大量研究，编制了北京市地方标准《保温砌模现浇钢筋混凝土网格剪力墙建筑技术规程》DJB01-620-2004[1]，于2004年12月14日由北京市规划委员会和北京市建设委员会发布并开始实施。
本文主要介绍网格墙的试验研究以及网格墙建筑结构设计方法，结构设计方法中主要介绍计算分析和承载力验算，有关构造措施等可参看技术规程。
1小剪跨比网格墙试验[2]
网格墙是网格墙建筑结构的主要承重和抗侧力竖向结构构件。
为了研究网格墙的抗震性能，进行了两批网格墙试件的试验，第一批试件为小剪跨比网格墙，第二批试件为大剪跨比网格墙；加载方式都是首先施加轴压力，在试验过程中保持不变，然后施加往复水平力，试件屈服前采用力控制、屈服后采用位移控制；轴压力的大小为轴压比与混凝土轴心抗压强度、扣除洞口的水平净截面面积之乘积，混凝土轴心抗压强度取0.76fcu，fcu为混凝土立方体抗压强度实测值。
1.1试件
完成了8个剪跨比不大于1的网格墙试件在轴压力和往复水平力作用下的试验（SH1-1～SH1-6），为了便于在试验时观察破坏现象，试件不带砌模。
试件的主要参数如下：
试件高度为1100mm，为5块砌模，墙长为3块砌模；试件SH1-1、SH1-2、SH1-3的墙厚为150mm，其余为120mm，分别为外墙和内墙的实际厚度；竖肢的截面长度为120mm，横肢的截面高度为100mm。
试件的参数列于表1，b为墙厚，B为截面长度，λ为剪跨比，A为扣除洞口的截面净面积，fcu为实测混凝土立方体抗压强度。
钢筋均采用Ⅰ级钢，经过机械拉直。
试验结果表明，钢筋没有屈服台阶，其拉断时的强度，φ6为636.6MPa，φ10为452.0MPa。
典型试件的详细尺寸和配筋见图1。
表1小剪跨比网格墙试件主要参数
试件
编号
b
（mm）
B
（mm）
组合柱
（mm×mm）
λ
A
（mm2）
fcu
（MPa）
轴压比
SH1-1
150
1120
无
1.0
108000
22.3
0.13
SH1-2
150
1315
200×200（中部）
0.84
148000
32.2
0.13
SH1-3
150
1315
200×200（中部）
0.84
148000
31.0
0.88
SH1-4a
120
1120
无
1.0
86400
30.4
0.13
SH1-4b
120
1120
无
1.0
86400
30.7
0.13
SH1-5a
120
1120
无
1.0
86400
22.3
0.13
SH1-5b
120
1120
无
1.0
86400
23.0
0.20
SH1-6
120
1435
150×120（两端）
0.77
122400
24.6
0.13
图1典型小剪跨比网格墙试件尺寸及配筋示意图
1.2破坏形态
除两端有组合柱的试件SH1-6外，其余试件均是首先在墙端竖肢的底截面出现受拉水平裂缝；随着水平力增大，所有的试件均是在洞口上横肢两端陆续出现竖向裂缝，裂缝首先出现在网格墙中部的横肢，然后出现在上、下部的横肢；水平荷载-顶点位移曲线进入非线性后，几乎所有横肢的两端出现了竖向裂缝。
随后，底部几层横肢出现交叉斜裂缝；在墙端竖肢上也出现了水平裂缝。
这个阶段竖向及斜裂缝宽度都很小，裂缝分散、多而细。
随着荷载增大，更多横肢出现斜裂缝，裂缝宽度加大；两端竖肢边缘混凝土出现受压竖向裂缝，水平荷载开始下降。
随着顶点位移的增大，横肢的斜裂缝宽度加大，并伴有局部混凝土剥落现象。
最后横肢由交叉斜裂缝分成了上下两个三棱柱，试件丧失承载能力。
有组合柱的试件SH1-2、3，中间组合柱稍晚于横肢出现斜裂缝，在横肢基本破坏后中间组合柱的斜裂缝才继续增多加宽；SH1-6两端组合柱在横肢出现斜裂缝前出现水平裂缝。
8个小剪跨比网格墙试件最终的破坏形态为：
横肢剪切破坏，墙端竖肢边缘混凝土受压破坏。
无组合柱的试件，剪切破坏的横肢主要在底部三层；有组合柱的试件，1～5层横肢都发生剪切破坏。
图2为SH1-1和SH1-3破坏后的照片。
（a）SH1-1（b）SH1-3
图2小剪跨比网格墙试件破坏后照片
小剪跨比普通剪力墙在轴压力和往复水平力作用下，一般出现交叉斜裂缝，由斜裂缝的开合提供塑性变形和耗能，塑性变形和耗能能力小，往往为脆性破坏。
而小剪跨比网格墙在轴压力和往复水平力作用下，横肢剪切破坏，耗能构件多且分散，避免了脆性破坏，使其具有比较大的塑性变形能力。
1.3承载力和位移
部分试件的水平力-顶点位移滞回曲线见图3。
试件的滞回曲线呈捏拢型，其原因是试件为横肢剪切破坏，而横肢中无法配置箍筋。
（a）SH1-1（b）SH1-2
图3小剪跨比网格墙试件水平力－顶点位移滞回曲线
用作图法从滞回曲线上确定试件的名义屈服点，相应的水平力和位移即为名义屈服水平力Vy和名义屈服位移角θy；取水平力下降至最大水平力的0.85倍为试件的破坏点，对应的位移角为极限位移角θu；位移角为顶点位移与试件高度之比。
表2列出了Vy、最大承载力Vp以及对应的顶点位移角θy、θp和θu。
结果表明：
网格墙试件达名义屈服时的位移角小于1/400，与横肢出现斜裂缝时的位移角接近；达最大承载力时位移角为1/200左右，与端竖肢底出现受压竖向裂缝时的位移角接近；除个别试件外，极限位移角大于1/120。
所有试件的位移延性系数大于3。
试件有较大的屈服后变形能力。
试验结果还表明，组合柱、墙厚、轴压比对剪跨比小于1的网格墙的变形能力影响不大。
表2小剪跨比网格墙试件试验结果及受剪承载力计算值
试件编号
Vp
（kN）
V1
（kN）
V2
（kN）
δ1
（%）
δ2
（%）
Vy
（kN）
θy
θP
θu
SH1-1
+
194.1
175.8
220.5
9.4
13.6
155.5
1/438
1/158
1/110
-
172.4
3.4
29.6
136.4
1/511
1/201
1/106
SH1-2
+
322.9
295.9
359.9
8.4
11.5
258.5
1/523
1/213
1/151
-
328.6
10.0
9.5
263.3
1/513
1/200
1/112
SH1-3
+
262.8
267.6
329.0
1.8
25.2
211.9
1/523
1/204
1/104
-
269.2
0.6
22.2
216.3
1/397
1/200
1/108
SH1-4a
+
189.3
185.7
234.6
1.9
23.9
151.5
1/417
1/197
1/95
-
177.6
4.6
32.1
140.5
1/462
1/220
1/114
SH1-4b
+
175.1
186.8
236.2
6.7
34.9
142.1
1/460
1/200
1/75
-
176.9
5.6
33.5
143.9
1/380
1/200
1/93
SH1-5a
+
163.3
160.9
196.6
1.5
20.4
127.9
1/417
1/150
1/120
-
155.9
3.2
26.1
120.2
1/406
1/150
1/117
SH1-5b
+
144.2
163.1
200.1
13.1
38.8
116.9
1/487
1/200
1/115
-
138.4
17.8
44.6
111.2
1/466
1/198
1/124
SH1-6
+
259.8
232.0
279.0
10.7
7.4
207.0
1/506
1/229
1/125
-
257.4
9.8
8.5
206.2
1/516
1/204
1/130
注：
1）V1为扣除洞口面积的试件受剪承载力计算值；V2为不扣除洞口面积的试件受剪承载力计算值。
2）δ1、δ2分别为V1、V2相对于Vp的误差，
，
。
1.4受剪承载力计算
采用《混凝土结构设计规范》GBJ10-89[3]偏心受压剪力墙斜截面受剪承载力公式计算网格墙试件的受剪承载力，水平钢筋取Q235级钢屈服强度标准值，混凝土轴心抗压强度取0.67fcu，fcu为实测混凝土立方体抗压强度。
截面面积取扣除洞口面积和不扣除洞口面积两种情况，都计入组合柱的截面面积。
从计算结果（表2）看，网格墙按计扣除洞口后的截面面积计算的受剪承载力与试验结果符合良好，且大部分试件的计算值小于试验值。
2大剪跨比网格墙试验[4]
2.1试件
完成了8个剪跨比为1.96～3.06、不带砌模的网格墙试件在轴压力和往复水平力作用下的试验。
试件高度为2200mm，11块砌模；SH2-4的截面长度以3块砌模为基准，其余试件的截面长度以2块砌模为基准；厚均为120mm，为内墙的实际厚度；竖肢的截面长度为120mm，SH2-7的横肢截面高度为80mm，其余试件的横肢截面高度为100mm。
试件的主要参数列于表3；部分试件的详细尺寸和配筋见图4。
表3大剪跨比网格墙试件主要参数
试件
编号
B
（mm）
组合柱
（mm）
λ
A
（mm2）
（MPa）
轴压比
SH2-1a
720
无
3.06
57600
35.2
0.18
SH2-1b
720
无
3.06
57600
28.9
0.22
SH2-4
1120
无
1.96
86400
43.6
0.18
SH2-5a
915
200×200（中部）
2.40
97600
42.3
0.17
SH2-5b
915
200×200（中部）
2.40
97600
36.0
0.22
SH2-6a
1095
150×150（两端）
2.01
102600
36.2
0.22
SH2-6b
1095
150×150（两端）
2.01
102600
29.0
0.18
SH2-7
720
无
3.06
57600
34.7
0.20
（a）SH2-4（b）SH2-5a,b（c）SH2-6a,b（d）SH2-7
图4部分大剪跨比网格墙试件的截面尺寸及配筋
2.2破坏形态
除SH2-6a和SH2-7外，其余试件均首先在墙端竖肢的底部出现受拉水平裂缝。
水平力增大，洞口上横肢两端陆续出现竖向裂缝，出现裂缝的顺序是先试件的中下部，后向上发展。
继续增大水平力，更多的横肢两端出现竖向裂缝，试件中下部横肢的竖向裂缝上下贯通，水平荷载－顶点位移曲线进入非线性。
随后，试件下部几层横肢出现交叉斜裂缝。
水平力进一步增大，出现斜裂缝的横肢增多，大部横肢竖向裂缝上下贯通，竖肢底部的水平裂缝向受压区延伸，出现贯通水平裂缝。
随着位移增加，两端竖肢底部边缘混凝土出现受压竖向裂缝，横肢的斜裂缝宽度增大。
随着顶点位移增大，竖肢受拉水平裂缝进一步延伸、变宽，两端竖肢底部混凝土竖向裂缝延伸扩展，并伴有局部混凝土剥落现象；横肢上的斜裂缝宽度也不断加大。
图5为试件SH2-6a破坏后的照片。
试件最终破坏形态为：
墙端竖肢边缘混凝土压碎，中下部横肢剪切破坏；无组合柱及组合柱位于中间的试件，竖肢和横肢的破坏主要集中于试件中下三分之二高度的范围内，横肢斜裂缝较少，破坏较轻；两端有组合柱的试件，几乎所有横肢都出现竖向裂缝，大部分横肢出现斜裂缝,，破坏较严重。
可见，网格墙耗能和塑性变形分散在横肢和两端竖肢，由于横肢数量多，对每根横肢的耗能和变形能力的要求比较低；横肢和墙端竖肢的破坏是逐步发展的，因此不会出现脆性破坏。
图5SH2-6a破坏后照片
2.3承载力和位移
部分试件的水平力－顶点位移关系滞回曲线见图6。
顶点位移较小时，试件的滞回曲线呈较为丰满的梭形；随着顶点位移的增大，滞回曲线逐渐成为捏拢形；试验结束时，滞回曲线已经有明显的捏拢特征。
（a）SH2-6a（b）SH2-7
图6大剪跨比网格墙试件水平力－顶点位移滞回曲线
表4列出了主要试验结果，包括：
名义屈服时的水平力Vy和顶点位移角θy、最大水平力Vp和对应的点位移角θp，以及极限位移角θu。
试验结果表明：
剪跨比较大的网格墙的承载力主要受墙的截面长度和组合柱影响。
截面长，其承载力大；两端的组合柱可以提高网格墙的承载力；在墙中部的组合柱对承载力的提高作用不大。
SH2-5b的极限位移角略小于1/100，其余试件的极限位移角都大于1/100，试件有较大的变形能力。
表4大剪跨比网格墙试件试验结果及承载力计算值
试件编号
Vp（kN）
VV（kN）
VM（kN）
δV
（%）
δM
（%）
Vy
（kN）
θy
θp
θu
SH2-1a
+
58.6
113.2
46.0
93.2
21.5
45.5
1/322
1/141
1/64
-
56.9
98.9
19.1
48.4
1/258
1/119
1/80
SH2-1b
+
62.9
107.6
45.8
70.4
27.2
54.1
1/205
1/64
1/57
-
55.8
92.1
17.9
46.9
1/275
1/80
1/50
SH2-4
+
147.3
217.6
126.7
47.7
14.0
120.2
1/319
1/150
1/87
-
143.9
51.2
11.9
94.5
1/530
1/151
1/83
SH2-5a
+
124.3
186.3
110.8
49.9
10.9
94.6
1/339
1/100
1/95
-
120.0
55.3
7.7
93.0
1/321
1/84
1/71
SH2-5b
+
119.7
180.2
113.0
50.5
5.6
94.0
1/313
1/116
1/104
-
129.2
39.5
12.6
91.8
1/487
1/149
1/109
SH2-6a
+
201.6
207.3
187.7
6.9
6.9
143.5
1/463
1/150
1/75
-
198.3
4.5
5.3
163.0
1/264
1/144
1/93
SH2-6b
+
163.4
184.5
144.7
12.9
11.4
131.9
1/289
1/119
1/90
-
168.0
9.8
13.9
134.8
1/321
1/151
1/95
SH2-7
+
58.0
115.3
49.6
98.8
14.5
51.1
1/197
1/87
1/68
-
63.5
81.6
21.9
52.1
1/222
1/99
1/55
SH2-8
+
90.1
171.8
86.4
90.7
4.1
73.1
1/322
1/170
1/81
-
110.3
55.8
21.7
83.8
1/316
1/119
1/78
2.4承载力计算
无组合柱的大剪跨比网格墙试件，其开孔率（开孔面积与墙面面积之比）为20%，整体系数
大于10；有组合柱的网格墙试件，其整体系数更大。
因此，可以将网格墙试件的横肢视为梁、竖肢视为柱、按梁柱带刚域的框架进行弹性计算分析。
计算结果表明，各试件柱（即竖肢，包括组合柱）的基底局部弯矩之和小于与基底总弯矩的10％。
可见，大剪跨比网格墙在轴压力和水平力作用下截面以整体弯矩为主，可以按整体墙进行偏心受压承载力验算。
为了解网格墙在轴压力和水平力作用下的应力分布，对试件进行静力弹性有限元分析。
计算采用软件SAP2000和四节点四边形单元，按上端自由、下端固定考虑，在顶部施加水平荷载20kN和竖向荷载，竖向荷载的大小按各试件的实际试验值施加；为了比较，同时对相同条件下厚度为120mm的实体剪力墙进行静力弹性有限元分析。
计算得到试件SH2-1a和SH2-5a及实体剪力墙的正应力分布如图7所示。
可以看出，网格墙的应力分布与实体剪力墙大体一致，只是洞口周围应力分布略有不同。
因此，可以将网格墙按实体剪力墙压弯破坏的基本假定计算其偏心受压承载力。
（a）SH2-1a和实体墙（b）SH2-5a及实体墙
图7网格墙试件和实体墙的正应力分布图
为方便网格墙在实际工程中的应用，采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）[5]钢筋混凝土剪力墙偏心受压承载力的计算公式，计算大剪跨比网格墙试件在轴压力作用下的正截面承载力，计算时忽略洞口的影响，即将网格墙取为实体墙。
同时，采用GB50010-2002钢筋混凝土剪力墙斜截面承载力的计算公式，计算大剪跨比网格墙试件在轴压力作用下的受剪承载力，计算时采用扣除洞口后的截面。
计算得到的对应的水平力分别为VM和VV，列于表4，相对于试验得到的最大水平力Vp的误差δM、δV也列于表4。
SH2-6a和SH2-6b的δV和δM接近，其它试件的δM远小于δV。
可见，剪跨比较大的网格墙的承载力由正截面承载力控制；按现行《混凝土结构设计规范》的偏心受压公式计算网格墙的正截面承载力，计算与试验结果符合较好，且计算值小于试验值。
3.等效抗侧刚度
工程设计中，不可能将网格墙的每一竖肢和横肢输入程序进行结构计算分析。
为了可以利用现有设计程序进行网格墙结构的弹性计算分析，有必要将网格墙等效为实体剪力墙。
采用四节点等参平面薄壳单元，分别计算不同剪跨比、厚度为b的网格墙及厚度为b’=2b/3的实体墙（组合柱的截面尺寸不变）在顶部集中水平力100kN作用下的顶点位移，结果示于表5。
不同剪跨比的网格墙和等效实体墙的顶点位移相同或接近，说明两者的抗侧刚度相同或接近。
因此，可以将网格墙等效为实体剪力墙计算抗侧刚度，剪力墙的厚度为网格墙厚度的三分之二。
表5网格墙与等效实体剪力墙顶点位移计算结果对比
墙参数
顶点位移
B（mm）
H（mm）
λ
b（mm）
b’（mm）
组合柱
按网格墙
d1（mm）
按等效实体墙
d2（mm）
d2/d1
1120
1200
1.01
120
80
无
0.360
0.358
0.99
1120
1200
1.01
150
100
无
0.288
0.288
1.00
2120
1200
0.57
120
80
无
0.130
0.120
0.92
2120
3000
1.42
120
80
无
0.670
0.660
0.99
2320
3000
1.29
120
80
无
0.550
0.540
0.98
2320
3000
1.29
120
80
两端
0.387
0.368
0.95
2320
3000
1.29
120
80
中间
0.533
0.536
1.01
3920
9000
2.30
120
80
无
2.276
2.310
1.01
3920
15000
3.83
120
80
无
9.126
9.805
1.07
3920
9000
2.30
120
80
两端
1.608
1.643
1.02
4结构设计
现行国家标准中没有与网格墙有关的结构类型，网格墙建筑体系的建筑、结构设计应符合北京市地方标准《保温砌模现浇钢筋混凝土网格剪力墙建筑技术规程》，并应符合有关的国家设计规范和规程。
4.1一般规定
网格墙适用于非抗震设计和抗震设防烈度为6度、7度、8度、9度地区的房屋建筑。
其结构类型包括：
框架－网格剪力墙结构，网格剪力墙结构，部分框支网格剪力墙结构。
抗震设防类别为丙类的网格墙建筑的最大适用高度和层数限值见表6。
表6网格墙房屋适用的最大高度和层数限值
结构类型
非抗震设计
抗震设防烈度
6度、7度
8度
9度
高度
（m）
层数
高度（m）
层数
高度（m）
层数
高度
（m）
层数
框架—网格剪力墙
36
12
36
12
31
10
16
5
网格剪力墙
45
15
45
15
36
12
19
6
部分框支网格剪力墙
31
10
31
10
24
8
不应采用
网格墙建筑有地下室时，
0.00以下外墙应采用普通剪力墙。
网格墙可贯通房屋全高，也可以底部若干层为钢筋混凝土剪力墙、上部为网格墙。
网格墙建筑的电梯井筒应采用钢筋混凝土剪力墙，墙厚不小于160mm。
框架—网格剪力墙结构中，网格墙做外墙，起到保温、隔热的作用；内墙宜采用钢筋混凝土剪力墙；由框架、网格墙、组合柱和钢筋混凝土剪力墙共同承受竖向力、风荷载和地震作用。
为满足建筑底部局部大空间需要，部分网格墙不落地，通过转换结构构件支承在底部框架上，可构成“部分框支网格剪力墙结构”。
网格墙建筑中的框架以及钢筋混凝土剪力墙的抗震等级，以及梁、柱和墙肢、连梁的抗震措施等设计要求，按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011[6]的规定执行。
网格墙建筑的高度不高，在抗震构造措施方面不分抗震等级，根据设防烈度确定抗震构造措施。
4.2计算分析
目前，建筑结构设计普遍采用程序进行地
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