Thermomass非组合夹心墙板的结构分析和选型计算及设计要求

一、Thermomass非组合夹心保温外墙构造
典型的Thermomass非组合夹心保温外墙由3层构造组成：外叶墙、保温层、内叶墙，内叶墙和外叶墙一般为钢筋混凝土材质，保温层通常为挤塑聚苯绝热板（XPS），3层之间通过纤维复合材料特制的保温拉接件（Thermomass的MS或MC拉接件）复合在一起，这些墙板一般由预制厂生产，尺寸规格可以做得很大，当考虑生产、运输、起吊的因素的制约，有时也可以采用现场生产。

非组合夹心保温外墙定义：在两层混凝土墙板之间夹入保温材料，将保温拉结件平行穿过保温板，拉接件两端分别锚固于内叶墙和外叶墙混凝土之中，外叶墙的混凝土仅作为保温材料的保护层和装饰层使用，不参与内叶墙板的受力，外叶墙在温度变化作用下可以自由伸缩，使内叶墙和外叶墙之间行为相互独立的方法设计的夹心墙板，称为非组合式夹心三明治保温墙板，简称非组合夹心墙板。

二、Thermomass非组合夹心保温外墙的基础应用
Thermomass非组合夹心保温外墙可以设计为承重墙或者非承重墙。承重墙一般（温差90℃）为剪力墙，非承重墙通常为“外墙挂板”，外墙挂板除了承受自身的重力以外，还要承受地震作用和风荷载，对于承重墙板还需要承受楼盖或者屋盖传来的荷载。

Thermomass非组合夹心保温外墙的制造使用了MS或MC拉接件，外叶墙的混凝土重量通过拉结件传递到内叶墙上，三层构造之间可以形成微小的相对滑移，能够释放温差作用下引起的胀缩应力，有利于防止外叶墙因温度应力而开裂。


Thermomass保温拉结件由GFRP材料（纤维增强复合材料）制成，该产品质量稳定，并具有导热系数低、抗拉和抗剪强度高、抗弯承载能力强、弹性和韧性好的特点，使用时所有的拉结件平行穿过保温板，两端分别锚固在内叶墙和外叶墙混凝土之中，拉结件与混凝土材料的相容性和变形协调性好。


由于不同厂家的保温拉结件技术参数不同，以下结构分析计算和设计方法是基于美国AC320标准《锚固于混凝土中的纤维加固复合拉结件验收标准》和通过ICC ESR-1746检验标准针对Thermomass产品检测所获得的参数，仅适用于美国Thermomass公司的产品。


三、Thermomass拉结件的基本技术参数和设计方法
1、MS、MC型产品的尺寸规格
Thermomass的MS、MC型拉结件由纤维复合材料受力杆件和定位的塑料套组合而成，杆件横截面均为5.7mm×10mm的近似矩形；MS型锚固长度为38mm，适用于一侧板厚小于63mm的情况，规格包括MS30~150，MC型锚固长度为51mm，适用于两侧板厚均大于63mm的情况，规格包括MC30~MC150。以常用的MS50为例，表示产品为MS型，两端锚固长度为38mm，适用于50mm厚度的保温板，MC80产品为51mm锚固长度，适用于80mm厚度保温板。





MS拉接件总长度=保温厚度+76mm，MC拉接件总长度=保温厚度+102mm
（注：在中国销售的产品可能在内叶墙的锚固端加长至48mm或58mm）


2、MS、MC型产品的基本性能参数
MS、MC型保温拉结件产品的物理性能指标如下：（表1）





MS、MC产品在混凝土中的极限承载力试验值：（表2）






注：拉结件在混凝土中的锚固抗剪承载力是按照弱轴方向试验所得的数据。


MS、MC产品在混凝土中的允许承载力标准值：（表3）





注1：单只拉结件允许剪切力和允许锚固抗拉力已经包括了安全系数4.0，内外叶墙的混凝土强度均不宜低于C30，否则允许承载力应按照混凝土强度折减。
注2：设计时应进行验算，单只拉接件的剪切荷载Vs不允许超过Vt，拉力荷载Ps不允许超过Pt，当同时承受拉力和剪力时，要求（Vs/Vt）+（Ps/Pt）≦1。


3、非组合式夹心墙板中的拉接件在各种工况下的受力状态
为了保证工程安全，应综合考虑保温拉结件在构件生产、运输、吊装和使用工况下的受力状态，如：


（1）当构件生产时，如果采用平吊出模时，保温拉接件承受外叶墙自重和动力系数及模板的吸附力，拉力叠加。


（2）在运输和起吊过程中，拉接件承受外叶墙自重剪力和动力系数，剪力叠加，同时承受外叶墙偏心弯矩作用下产生的拉压应力。


（3）正常使用情况下，在外叶墙自重的作用下产生偏心弯矩，拉接件同时承受自重剪力和拉压应力，在风压力和风吸力作用下，拉接件产生拉压应力，在地震作用下产生水平和垂直位移，使拉结件承受地震剪力，拉结件的受力状态应进行组合计算。


（4）对于开洞极不规则的墙板，外叶墙的重心也许与拉接件的布置型心不重合，将导致外叶墙在平面内相对拉接件产生偏心扭矩，使得不同部位的拉接件承受不同方向的剪应力，计算非常复杂。


从以上分析可以看出，拉结件的实际受力计算是非常复杂的，第六节通将过案例演算拉接件在不同工况下的受力分析和详细计算过程，实际工程应用中，一般通过简化的计算方法进行设计。


美国经过30多年的工程实践经验总结，只要拉接件的布置是相对均匀的，风荷载和外叶墙自重偏心弯矩作用下的引起的拉压应力非常微小，Thermomass拉结件采用4.0安全系数的情况下，拉结件的受力由正常使用工况下由承受的外叶墙自重剪力决定，在生产施工阶段时的受力状态由拉结件在混凝土中的抗拔强度决定，只需要控制脱模时每只拉结件承受的剪力小于允许抗剪荷载，即可认为拉结件在构件生产和使用工况满足安全要求；除了受力安全外，还应该保证墙板的正常使用功能，应该满足外叶墙在自重作用下的垂直位移不大于0.1英寸（2.54mm），并提供了EXECL表格的设计程序，简化了拉结件的计算方法。


4、非组合式夹心墙板的设计方法
非组合式夹心墙板设计分为三个步骤，首先需要对保温拉结件进行选型确定，其次应根据挠度位移标准进行拉结件的间距设计和验算，最后应根据间距计算结果复核拉结件的布置设计，一般应根据墙板的构造设计绘制保温板和拉结件排版布置图。


四、简化计算及控制要求
按照美国AC320标准《锚固于混凝土中的纤维加固复合拉结件验收标准》要求，Thermomass拉接件的设计安全系数为4.0。为了防止外叶墙之间的胶缝拉裂以及门窗的正常开启，该标准要求拉接件在外叶墙自重的作用下产生的垂直弹性位移应小于2.54mm（0.1英寸），美国CTC公司给出了MS和MC型拉结件在不同叶页墙厚度和保温层厚度情况下，外叶墙垂直弹性位移值的计算表格（EXECL程序表格），只要在表格中输入保温层厚度、外叶墙厚度、拉接件间距，表格中会自动计算出外叶墙的下垂挠度和每只拉结件承受的外叶墙自重剪力，表中给出了常用的布置间距。（表4）（可在 www.xdyz.com.cn网站下载该电子计算表格）





表中公式为：△=QgdA3/12EABIA或者Qg=.12EABIA△/dA3


其中：△为垂直荷载作用下，拉结件悬臂端的挠度值；


Qg为作用在单个拉结件悬臂端的外叶墙自重荷载，其中混凝土密度按照24KN/m3取值，假设布置间距为a×b，则每只拉结件悬臂端部承受的垂直荷载为：Qg=a×b×（保护层厚度）×24000/109，单位为牛顿（N）；


dA值为拉结件的悬臂计算长度，
dA = dd + （2hv/3）[1 - 1 / （1 + hv/dd）]
在保温层厚度和拉接件选型已经确定的情况下，dA为确定值；
EAB为Thermomass拉接件的弹性模量；EAB = 30000 MPa
IA为单个Thermomass拉接件的截面惯性矩，IA=243 mm4；


根据悬臂杆件挠度计算的通用公式，在墙板保温层厚度dd和外叶墙厚度确定的前提下，当改变Thermomass拉结件的布置间距时，每只拉接件所承受的保护层重量Qg相应发生改变，拉接件悬臂端产生的挠度变形值△会发生相应的变化，按照规定：每个拉接件的挠度值必须小于2.54mm是最主要的控制指标，同时应控制每只拉结件承受的外叶墙自重Qg不超过允许剪切荷载Vt。


注意：当保温板较薄时，很稀的间距也能满足挠度要求，但是在平吊脱模工况下拉结件可能不满足锚固抗拔安全，应校核是否超过允许锚固抗拉力；另外拉结件间距过大时，外叶墙在温度作用下会发生平面外翘曲影响美观，一般应控制拉结件间距不大于600×600mm。


拉结件的型号选择主要是依据内、外叶墙混凝土层厚度，如果内、外叶墙板一侧的混凝土厚度小于63mm （2.5英寸）, 应当使用MS拉结件；如果两层混凝土厚度都等于或大于63mm （2.5in），那么应当使用MC拉结件。


当拉结件间距布置满足允许剪切力要求时，如果混凝土强度等级不小于C30，一般都满足允许锚固抗拉力的要求，因此拉结件的验算，是由挠度变形和允许剪切力算指标控制来满足正常使用要求和安全要求的，当外混凝土强度较低时时采用平吊脱模，可能导致拉接件拉脱破坏。


五、设计及施工要点
1、设计要点
（1）拉接件计算和设计都必须由注册设计专业人士进行审核。


（2）用MS和MC拉接件进行夹心墙设计时，主要用于抵抗在未裂的正常重量混凝土中的静态和短暂的拉力和剪切荷载，由于工作荷载或变形，当混凝土ft>fr时将发生开裂。


（3）墙板的混凝土设计强度等级不低于C30，外层混凝土最大石子粒径应小于20mm。


（4）拉接件可以内部暴露、外部暴露或在潮湿环境下暴露。但不能与防腐处理材料及阻燃处理过的木材接触。


（5）设计应保证MS和MC拉接件在混凝土中的有效嵌入深度分别满足38mm和51mm，拉接件与墙板边缘临界应距离大于100mm、与门窗洞口的距离大于150mm，拉接件间距应大于200mm。


（6）使用MS外叶墙混凝土的厚度最小值为50mm，使用MC外叶墙混凝土的厚度最小值为60mm。外表面纹理、凹槽和外露深度都应该在最小值上另加厚度。例如：假设构件表面有10mm的凸凹花纹，则使用MS的最小厚度应该不小于60mm，使用MC的最小厚度不小于70mm。


2、生产步骤（生产人员应预先学习参加操作手册）
（1）预先钻孔。保温板需要按照设计的尺寸和位置预先钻孔，并将拉接件穿过保温板装配在预先钻好的孔内。


（2）浇筑外叶墙混凝土（反打工艺）。夹心墙板一般采用卧式生产的方法，外叶墙浇筑的混凝土塌落度以130~180mm为宜，初凝时间不早于45分钟。MS、MC系列拉接件的锚固性能取决于鸽尾型末端在混凝土中被包裹，如果外层混凝土坍落度低，混凝土会在拉接件插入时会形成孔洞，低坍落度的混凝土很难在鸽尾末端回流，即使混凝土在浇注后震平，仍然有可能不能让所有的拉接件达到锚固标准。


（3）安装保温板和拉接件。在外叶墙混凝土浇筑后20分钟内，需要在混凝土处于可塑状态时将保温板和拉接件铺装到混凝土上，穿过绝热板上的预钻孔插入混凝土的底层，插入时应将拉接件旋转90度，使拉接件尾部与混凝土充分接触，直到塑料套圈紧密顶到挤塑板表面，到达指定的嵌入深度。对于保温板厚度大于75mm的安装过程，必须使用混凝土平板震动器在保温板上表面对每一个拉接件进行震动。


（4）挤密加固。操作人员用脚踩压拉接件周围，对拉接件周围的混凝土进行挤密加固，并及时对拉接件在混凝土中的锚固情况进行专项质量抽查。


（5）专项检查。抽查每块保温板两个对角的拉接件（见图1），以及每块保温板中间附近的一个拉接件来检查嵌入末端，湿水泥浆应当覆盖在所有被检查的拉接件末端的整个表面。如果检查没有问题，将拉接件插回原孔中并再次施加局部压力或者机械震动；如果检查不合格，在绝热板上施加更多压力和/或在每个拉接件上施加更多机械震动。然后再检查该拉接件周边更大范围的所有临近的拉接件，直到水泥浆覆盖所有的拉接件嵌入末端，如此循环。





例如对一块3600×1800mm墙板的检查图案，第一步对编号为“1”的连接件进行抽检，拔出观察尾部倒角部位是否已经与混凝土接触。





如图中所示，带“×”的连接件末端未被混凝土完全包裹时，应检查该连接件周围相邻的连接件，重复程序。


（6）填补保温板缝隙和空间。在浇注上层混凝土之前，检查大于3mm的保温板缝隙，缝隙和空间按要求注入发泡聚氨酯，或采用宽胶带粘贴盖缝，防止内叶墙浇筑混凝土时渗入水泥浆，导致保温板上浮引起拉接件锚固深度不足。


（7）预备并浇注内叶墙混凝土：连续浇注内叶墙混凝土：如果您计划在同一个工作日（8小时）内浇注内叶墙和外叶墙两层混凝土，必须控制外叶墙混凝土的初凝时间，内叶墙混凝土的钢筋准备工作和浇注过程都是十分重要的，如果外叶墙混凝土初凝后，需要避免工人接触拉接件和绝热板。这段时间，如果安装于外叶墙混凝土的拉接件移动了，对拉接件的锚固能力可能会有负面影响。


非连续浇注：为了能够安装内叶墙的钢筋、钢筋保护层马凳和其他埋件设施，外叶墙混凝土必须达到设计强度的25%。影响混凝土强度的主要因素包括时间和周围环境。可以使用对比同条件试块的强度是否达到设计强度的25%来判断。


（8）工厂预制: 上层混凝土准备的时间和浇注十分重要。如果两层混凝土在同一天浇注，一定在下层初凝之前安装上层的钢筋，起吊装置和其他插件并浇注上层混凝土。浇注上层混凝土至设计厚度，抹平，养护并且根据情况对混凝土采取保护措施。


（9）墙板完成脱模。除去墙板边缘多余的混凝土渣来最大程度减小冷热桥，将墙板运输到指定的位置。我们推荐墙板和模具一起翻身后起吊构件，如果构件采用平吊出模，应使用外力先顶推构件使之与模具脱离，避免构件与模具之间产生过大的吸附力而导致外叶墙破坏。


警告：
如果您的墙板制造是露天生产没有保护设施，那么必须保证生产过程具有防雨措施。模板内多余的水分会导致挤塑板漂浮、降低混凝土的强度，并有可能造成连接器从混凝土中拔出或削弱连接器锚固性能。


保护手和眼睛。Thermomass连接器表面会有玻璃纤维，在处理连接器时推荐使用手套，并且避免用手套或手直接接触眼睛。


六、计算和设计案例（简化计算方法）：
（以沈阳、济南、深圳某实际工程为例）


沈阳某项目夹心三明治外剪力墙采用以下两种构造：
a、200厚C40内叶墙+90mmXPS保温层+60厚C30外叶墙
b、200厚C40内叶墙+70mmXPS保温层+80厚C30外叶墙


济南某项目夹心三明治外剪力墙采用以下构造：
c、200厚C30内叶墙+50mmXPS保温层+50厚C30外叶墙


合肥某项目夹心三明治外剪力墙采用以下构造：
d、200厚C30内叶墙+30mmXPS保温层+50厚C30外叶墙


深圳某项目夹心三明治外墙挂板采用以下构造：
e、100厚C40内叶墙+30mmXPS保温层+70厚C40装饰外叶墙


以上a、b、c、d、e五类外墙中，外叶墙仅作为荷载通过Thermomass拉结件作用在内叶墙上，内叶墙起承重和结构作用，XPS作为保温隔热层使用，拉接件相当于一个悬臂的构件，外叶墙在自重的作用下产生垂直位移△。


1、Thermomass保温拉结件型号选择：
对于a类墙板，由于外叶墙厚度小于63mm，应选用Thermomass的MS型，根据保温板厚度90mm，应该选择MS90型号。


对于b类墙板，由于外叶墙厚度大于63mm，应选用Thermomass的MC型，根据保温板厚度70mm，应该选择MC70型号。


对于c类墙板，由于外叶墙厚度小于63mm，应选用Thermomass的MS型，根据保温板厚度50mm，应该选择MS50型号。


对于d类墙板，由于外叶墙厚度小于63mm，应选用Thermomass的MS型，根据保温板厚度30mm，应该选择MS30型号。


对于e类墙板，由于外叶墙厚度大于63mm，应选用Thermomass的MC型，根据保温板厚度30mm，应该选择MC30型号。


2、保温拉结件间距设计和验算
拉接件的变形计算模型如下（P-△效应作用下的挠度位移）





对于a类墙板选用Thermomass的MS90型号，当拉结件布置间距为400×400mm间距时，查表2得出：挠度值△=2.44mm＜2.54mm，且Qg=230N＜462N，满足安全要求。





对于b类墙板选用MC70型号，当拉结件布置间距为400×450mm间距时，查表2得出：挠度值△=2.36mm＜2.54mm，且Qg=346N＜502N，满足安全要求。





对于c类墙板选用MS50型号，当拉结件布置间距为500×500mm间距时，查表2得出：挠度值△=0.77mm＜2.54mm，且Qg=300N＜323N（C30混凝土），满足安全要求。选用600×600间距时，Qg=432N>323N，不满足安全要求；若内外叶墙的混凝土为C40，△=1.12mm＜2.54mm，Qg=432N＜462N，则可以满足安全。





对于d类墙板选用MS30型号，当拉结件布置间距为500×500mm间距时，查表2得出：挠度值△=0.29mm＜2.54mm，且Qg=300N＜323N（C30混凝土），满足安全要求。当内外叶墙混凝土强度等级均为C40时，可以选用600×600mm间距，Qg=432N＜462N







对于e类墙板选用MC30型号，当拉结件布置间距为600×600mm间距时，查表2得出：挠度值△=0.94mm＜2.54mm，且Qg=605N＜677N（C40混凝土），满足安全要求。





注意：若外叶墙混凝土为C30，当采用600×600mm间距时，虽然挠度值△=0.94mm＜2.54mm，但是Qg=605N>502N（C30混凝土），判定为不满足安全要求，只能选用500×600mm间距，Qg=504N与502N相接近。


七、Thermomass非组合式夹心墙板受力分析计算案例
以某地区80米高层装配式住宅的预制夹心剪力墙为例，对夹心墙板的脱模工况、运输和起吊工况、正常使用工况进行受力分析，并对正常使用工况下的外叶墙垂直挠度和胶缝宽度进行计算。


由于预制构件尺寸精准，并且免除了抹灰，所有的力学参数均按照标准值计算，并考虑地震、风荷载组合及施工等动力系数的安全性验算。


1、基本条件如下：
围护结构风荷载：基本风压wo=0.55 kN/m2， wk=βgzμslμzWo，
地面粗糙度B类，80米高度阵风系数βgz=1.53，μz=1.95

μsl按照墙角部位-1.8取值，计算得：
wk=1.53×1.95×1.8×0.55=2.95KN/m2
设计基本地震加速度为=0.1g 外叶墙板动力放大系数5.0

室内外温差30℃。
C40混凝土内叶墙厚度200mm，C30外叶墙厚度60mm
砼密度γc = 2500 kg/m3。
钢筋混凝土热膨胀系数，μe = 10.8 x 10-6mm/mm/?C
保温板厚度90mm，容重γi = 40 kg/m3。


2、墙板横截面属性值及力学特性：（按照实心墙计算）
（1）内叶墙横截面属性值
截面积A内=3300×200=660000mm2
平面外截面惯性矩I内=3300×2003/12=2200×106mm4
截面抵抗矩w内=2200×106/（h/2）=2200×106/100=202×106mm3


（2）外叶墙横截面属性值：
截面积A外=3300×60=198000mm2
平面外截面惯性矩I外=3300×603/12=713×106mm4
截面抵抗矩w外=713×106/（h/2）=713×106/30=23.8×106mm3


（3）平面外弯矩分配系数：（如果是组合墙应考虑弯矩、剪力的分配）
内叶墙：2200/（2200+713）×100%=75%；
外叶墙：713/（2200+713）×100%=25%


（4）墙板自重：
内叶墙自重：3.3×0.2×2.8×25=46.2KN，其中预制构件自重37.8KN，现浇部位自重8.4KN；外叶墙自重：0.06×25=1.5KN/m2，保温板自重：0.09×0.4=0.036KN/m2，外叶墙及保温板自重合计为1.536KN/m2


2、夹心剪力墙的设计如下图。










根据建筑专业热工计算结果要求，采用90mm厚度XPS保温板，C40内叶墙厚度200mm，C30外叶墙厚度60mm，外叶墙面积为3.3×3.8-1.4×1.8=6.72m2，共布置48只MS90拉接件，平均每只拉结件承受0.14m2外叶墙和保温板，自重剪力为Qg=0.14×1.536=215N


1、拉接件受力分析计算
（1）拉接件在脱模工况下的锚固抗拔力计算：
根据JGJ1-2014地6.2.3条：当构件采用平吊脱模时，拉接件承受外叶墙和保温板自重和动力系数1.2，同时需要承受模台的吸附力1.5KPa。


P脱=215×1.2+0.14×1500=258+210=468N


安全系数K=锚固抗拉承载力/P脱=7576/468=16.1>4.0，满足脱模安全（注意如果脱模时混凝土强度未达到C30强度，应该按照相应的混凝土抗拉强度验算）。


（2）构件运输和吊装工况下的安全验算（动力系数1.5）
P运=215N×1.5=322.5N。


安全系数K=锚固抗剪力承载/P运=1292N/322.5=4.0 满足安全要求。


（3）正常使用工况下的安全验算，按照墙体全面积计算风荷载，按照0.15g地震加速度计算地震力（外叶墙类似于外墙挂板考虑，乘以5倍的动力放大系数），按照外叶墙和保温自重标准值计算偏心荷载作用下产生的拉压应力，对所有计算标准值进行如下组合：


U=1.2自重作用+1.6风荷载作用
U=1.2自重作用+1.0地震作用


注：根据AC320标准的规定，在长期工况下，如果考虑与地震力和风力组合，抗拉和抗剪的应力允许放大33.3%，即此时的抗拉和抗剪安全系数为3.0。


同时，抗拉安全系数和抗剪安全系数应满足以下公司：


（Vs/Vt）+（Ps/Pt）≦1即1/K拉+1/K剪≦1


A、外叶墙自重作用下的剪力标准值：按照每只承受0.14平米外叶墙自重，剪力V=Qg=215N（剪力）


B、外叶墙自重偏心作用下拉接件产生的拉压力：（取0.5米宽度计算，并且假设只有上下两排拉接件起作用，间距2.38米，中间的拉接件只作为安全储备）


偏心距e=90+60/2=120mm
P=0.5×2.8×1.535=2.15KN/m
偏心弯矩M=2.15×0.12=0.26KN.m
偏心拉压力N=M/2.38=0.26/2.38=0.108KN=108N


C、外叶墙在风力作用下产生的拉压力标准值
N=（3.3×2.8×2.95）/48=0.568KN=568N（压力）


D、外叶墙和保温板在地震作用下对拉结件产生的内力，平面内振动时为剪力（不乘动力放大系数），平面外振动时，拉接件产生拉压力（乘以5.0的动力放大系数）。


平面内振动：剪力QE=G×0.1=215×0.1=21.5N
平面外振动：拉力N=215×0.1×5=107.5N
效应基本组合下的安全系数计算：
风荷载组合：U=1.2×215+1.6×568=258+908.8=1167N；
安全系数K=7576/1167=6.5>3.0，满足安全要求。


平面外地震组合，此时：
组合拉力=1.2×108+107.5=237.1N，剪力=215N
K拉=7576/237.1=32>3.0，K剪=1292/215=6>3.0
1/K拉+1/K剪=1/32+1/6=0.03+0.17=0.23.0，K剪=1292/280=4.61>3.0

1/K拉+1/K剪=1/58.5+1/4.61=0.017+0.217=0.234