CL建筑体系――建筑节能与结构受力的[1]

-1-CL结构体系特点及应用摘要：作为一种新型的复合混凝土剪力墙结构体系，CL结构体系以其与建筑物同寿命的保温方法、混凝土剪力墙应用的新概念、完全取代粘土砖结构、主要部品的工厂化生产、较高的性价比等特点正在成为我国住宅项目建设中不可或缺的建筑结构形式之一。关键词：CL结构体系建筑节能复合剪力墙一、CL结构体系概述CL（compositelight-weight）建筑体系结构属于复合混凝土剪力墙结构体系，适用于各种热工设计分区的不同抗震等级的民用建筑。其核心构件CL墙板（其构造见表1）是由CL网架板（一种钢筋焊接网架保温夹芯板）两侧浇筑混凝土后形成的一种兼承重、保温、隔音于一体的墙体。该墙体主要用于建筑物的外墙、楼（电）梯间墙、分户墙等有保温及隔声要求部位的墙体。墙体中的CL网架板钢筋均为墙体受力钢筋，钢筋的直径、间距及组合规格根据承载要求确定，保温芯板的材质及厚度则根据当地节能标准采用。CL网架板是在生产车间由大型自动化生产线根据图纸设计要求定制加工，以两轴线间墙体平面尺寸整体加工为原则，最大尺幅可达6m×3.3m，无需现场二次加工裁剪，作为墙体受力钢筋、保温层于一体的部品直接提供给施工现场。CL结构体系是由石家庄晶达建筑体系有限公司1994年在建设部立项后，在全国众多专家协助下历经数载研发的、完全具有自主知识-2-产权的新型自保温体系。该体系先后取得十九项国家发明专利及实用新型专利，涉及受力理论、构造措施、施工方法、生产设备等多个领域。2002年12月，建设部鉴定“其综合技术达国际先进水平”。经1999年西安建筑科技大学完成的七层楼1/2模型拟动力试验及2003年清华大学完成的CL复合剪力墙极限承载试验表明，该体系具有足够的可靠度。截止目前，已竣工及在建的CL结构体系工程已达450余万平方米，涉及十省十八市的近百个项目，社会效益和经济效益良好。表1CL墙板构造详表型号Ⅰ型CL墙板Ⅱ型CL墙板Ⅲ型CL墙板主要适用范围多层36m以下小高层36m以上高层CL结构体系CL复合保温技术简图构造说明混凝土层a（㎜）现浇时50㎜厚，预制时40㎜厚保温板b（㎜）EPS（XPS）板，厚度根据节能标准确定现浇混凝土层c（㎜）100140≤c≤160c＞160-3-钢筋焊接网○1双向φ3@50（外保护层为30㎜）斜向焊接腹筋○2φ3，200个/㎡φ3.5，100个/㎡根据焊网规格确定钢筋焊接网○3双向φ4@50（外保护层为35㎜）双层双向φ5@100（保护层均为25㎜）双向φ8@150/200（保护层为25㎜）钢筋焊接网○4无双向φ8@150/200（外保护层为25㎜）绑扎水平拉筋○5设计确定CL网架板生产完全工厂化生产钢筋○4○5现场安装二、CL结构体系的试验研究1999年5月，西安建筑科技大学完成了CL结构体系七层楼1/2模型受力实验。该项实验是国内一次最大规模的民用建筑模型拟动力实验。（实验过程及各项技术参数可参见《中国CL结构体系七层楼1/2模型试验研究报告》·西安建筑科技大学结构试验室）。该试验的建筑原型总高18.9米，共七层，层高2.7米；CL复合剪力墙为一侧30㎜-4-混凝土，一侧90㎜混凝土；其中网架配筋两侧均为φ3@50双向钢筋焊网；边缘构件按7度设防配筋。试验中，从裂缝出现和发展过程看，CL结构体系受到相当于设防烈度9度的地震作用时，裂缝仍很细微，整个结构基本处在弹性状态；结构受到相当于设防烈度10度的地震作用时，裂缝充分发展，结构进入塑性状态。此时结构的转角仅为1/156，不但保证坏而不倒，而且还能在接下来的拟静力试验时表现出稳定的滞回曲线。因此在试验结论中：“CL结构体系自重小，具有很好的抗震性能。该体系用于不高于8度设防的地震区具有足够的可靠度；试验结果表明，该体系应用于9度设防的地震区也是可行的。”2003年3月，在清华大学结构工程研究所完成了CL墙板与普通剪力墙的极限承载力对比分析实验（实验过程及各项技术参数可参见《CL复合墙板试验研究报告》·清华大学结构工程研究所）。试验结论表明：“CL复合墙板在垂直荷载作用下的受力性能与普通的钢筋混凝土剪力墙相似；复合墙板与边框能够协同工作，两侧的混凝土层在斜插筋和钢丝网片的拉结作用下能够很好地协同工作。CL复合墙板的轴心抗压能力、抗弯变形能力和稳定性均优于相等混凝土厚度（厚度为CL复合墙板两侧混凝土厚度之和）的钢筋混凝土实心墙。CL复合墙板的极限轴压承载力平均为相等混凝土厚度的钢筋混凝土实心墙的1.14倍。在保证厚度较薄一侧混凝土质量的条件下，若把CL复合墙板按照等厚的实心墙来计算，其强度、刚度、稳定性良好，是安全的。目前的构件抵抗水平地震力的能力已经达到8度设防要求。若提高轴压比，墙体的抗剪能力尚有可能提高。”-5-三、CL结构体系性能特点1、合理的保温方法CL结构体系的CL墙板是两层钢筋混凝土与保温板相结合的复合墙体。室内一侧至少100㎜厚的混凝土层完全可以满足建筑物蓄热要求，当供热系统温度出现剧烈波动时，通过混凝土能量的储存，可以达到室内温度缓慢变化的要求。而室外一侧50㎜的混凝土层既能对保温板起到终生的保护作用，又能满足各种装饰做法对墙体面层的要求。而且，50㎜厚的混凝土层中配有φ3@50的双向钢筋焊网（配筋为0.28%），可以有效控制混凝土的干缩。CL结构体系与其它形式的保温方式相比，具有耐久性好、使用寿命长（可以达到与建筑物主体基本同寿命）、保温层的保护层强度高等优点，可以减少或避免建筑保温层的使用周期内维护及设计寿命终期后更换所产生的巨额费用、建筑垃圾、使用功能的影响等一系列综合社会隐患。2、更可靠的结构形式CL结构体系属于钢筋混凝土剪力墙体系。而普通钢筋混凝土剪力墙往往由于考虑稳定性原因而使墙体比较厚，难以充分发挥混凝土高强的性能。尤其是当用于层数较少的建筑时，经济性较差。CL墙板的受力钢筋骨架——CL网架板是一种立体空间桁架，其除作为剪力墙配筋外，还有将两层混凝土层有机连接，达到协同工作的作用。因此，CL墙板较普通钢筋混凝土剪力墙截面惯性矩增大，稳定性增强，极限承载能力提高，CL结构体系的安全性也随之增加。-6-3、更强的抗震性能抗震与建筑物重量密切相关，重量大地震力大，CL结构体系重量只有砖混结构重量的55%,故在地震时水平地震力明显减少。CL结构体系以复合剪力墙承担水平地震荷载,以剪力墙及异型柱承担竖向荷载,传力途径明确、合理。CL结构体系具有非常好的整体刚度,在7、8、9度设防烈度要求下,层间位移在1/8000、1/4000、1/2000以下,远小于规范的限值。CL墙板按90mm剪力墙计算,其分布配筋率0.322%,完全可以满足强剪弱弯的要求,可作为主要受力构件。4、其它特点CL复合墙板及室内的普通剪力墙的应用较传统的砖混结构墙体厚度薄，可以增加实际使用面积，根据户型及墙体数量的不同可以增加约5%-8%。另外，CL结构体系的主要构件——CL网架板完全由专业生产线工厂化生产，质量稳定，生产效率高，主体施工的同时就完成了保温层的做法，即满足建筑工厂化和住宅产业化的要求，又可以节约材料、缩短施工周期和保证现场的文明施工。四、CL结构体系的设计CL结构墙板用于外墙和楼梯间及分户墙等需要保温隔声的剪力墙。不需要保温的内承重墙可以据建筑功能及建筑物高度选用普通剪力墙（长墙和短肢墙），异形柱，L形T形十字形等小墙肢。其它构件，如楼板、楼梯等也为普通形式，按常规方法进行设计及计算。CL墙板进行承载力验算时，墙板厚度取值可采用两种方法。A方法：忽略较薄侧混凝土作用，只取较厚侧混凝土截面厚度，但较薄侧-7-混凝土自重应作为荷载计算；B方法：考虑两侧混凝土协同工作，取混凝土截面厚度之和。当满足一定条件下，如边缘构件与墙体同厚、设置构造墙中柱，可采用B法，否则采用A法。CL结构属于剪力墙结构，故采用建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWAY进行计算。墙板厚度按照上述选用后，计算过程同普通剪力墙结构。当采用A法计算时，较薄侧混凝土自重作为墙荷载输入，应考虑其刚度的影响，所以进行周期折减。周期折减系数取值：先不考虑周期折减，分别按A法，B法进行计算，得出二者第一周期的比值，再综合考虑填充墙的数量及材料进行确定。计算完成后，检查计算数据，应满足相关规范中关于剪力墙结构如层间位移角、剪重比、以及有效质量系数等各项要求。建筑设计只需为各住户设计合适的外墙、分户墙及厕所、厨房隔墙,其余即为大开间设计,也可根据用户的要求采用CL轻质隔墙设计为永久隔墙。CL内隔墙板隔音为36dB,外墙及分户墙与现行砖混外墙隔音相差不大,均满足国家现行规范要求。水、暖、电设计及施工方法类似剪力墙体系,水、暖、电管线可敷设,在现浇混凝土或夹芯板孔中,较为方便。结构设计计算模型和假定CL结构体系设计高度控制在25m以下,体系以剪切变形为主,属于质量和刚度沿高度分布较均匀的结构,采用底部剪力法计算:①墙板处于平面应力状态,并遵守小变形理论。②假定斜插筋只起到稳定纵横向分布钢丝的作用,参与受力的只有纵横向分布钢丝。结构在地震力作用下,水平力主要由CL墙体承担,不-8-考虑异型柱作用,计算时异型柱可忽略。③产生地震作用的重力代表值假定集中在各楼层标高处,每层的重力荷载代表值包括上、下各一半墙重,本层的楼板重量及活载的一半。假定楼板在平面内刚度无限大,地震作用按刚度分配。因横墙较多,应分别考虑建筑物沿2个方向的水平作用。④结构的整体刚度非常大,周期小,可不考虑远近地震、场地土的影响,计算地震反应时统一取最大地震影响系数Amax。与普通剪力墙结构体系设计相比，CL结构体系除墙体构造外，其边缘构件构造方式有一定的特殊性，故在设计图纸中应以节点详图的形式予以表示。作为钢筋焊接网架剪力墙，其节点既要满足规范及安全的要求，又要满足施工便捷及经济的要求。经过多年的总结和完善，现部分主要节点构造如图1：CL网架板端部CL网架板端部CL网架板端部CL网架板端部附加钢筋1图1I型CL复合剪力墙角柱构造五、CL结构体系施工方法CL结构体系施工与普通剪力墙结构施工基本相同，其不同之处在-9-于CL复合剪力墙的施工工艺。目前，CL复合剪力墙有两种施工方法：一种为单侧预制，即在CL网架板安装前水平放置，用半干硬性混凝土浇筑较薄侧，吊装就位并将钢筋连接后在将较厚侧混凝土与边缘构件同时浇筑；另一种为两侧现浇，即将CL网架板安装就位后支设模板，然后将两侧混凝土与边缘构件等同时浇筑完毕。单侧预制可以较容易地控制较薄侧混凝土的浇筑质量，而且浇筑完毕后该侧混凝土可以相当于一侧模板，节省一定费用及施工周期。但是目前，施工现场场地较小，致使预制周期较长，且一侧预制后的CL网架板重量大，对吊装设备要求较高。两侧现浇施工工艺与普通剪力墙基本相同，即将CL网架板安装就位并与边缘构件钢筋连接，然后支设两侧模板，进行混凝土浇筑。目前，该工艺正成为主导工艺在全国普遍应用。两侧现浇工艺的技术关键是如何保证两侧混凝土浇筑质量，而保证两侧混凝土浇筑质量的关键又是保证保温板不位移。经过多个工程的总结和完善，安装垫块和控制两侧混凝土浇筑量是最有效和手段。1、安装垫块垫块可以是现场浇筑的混凝土垫块，也可为成品塑料垫块进行现场安装。以下以现浇混凝土垫块为例进行说明。为了减小垫块的干缩和缩短模具的使用周期，应采用低塌落度细石混凝土。混凝土标号应比设计要求提高一个强度等级。因为制作垫块的混凝土用量很少，而且使用较慢，因此建议采用现场随用随拌的原则。但必须注意混凝土应拌和均匀，配比准确。模具采用PVC管或-10-马口铁皮等材料卷制，并根据CL网架板钢筋距离留设豁口。模具之间应尽量避免误差。模具的数量根据使用周期和完成任务量确定。为了便于浇筑时墙体混凝土的通过和避免出现因应力集中而产生干缩裂缝，垫块应作成圆台形状或圆柱形状。垫块厚度（圆台高度）与该侧混凝土层保持一致（一般宜略小5㎜左右）。较厚一侧垫块外表面（圆台上底）直径宜在50~60mm之间；与苯板接触面（圆台下底）直径宜在80~90mm之间。较薄一侧垫块外表面（圆台上底）直径宜在40~50mm之间；与苯板接触面（圆台下底）