混凝土小型空心砌塊配筋砌體施工技術(shù)通過對8～12層中高層建筑配筋砌體建筑的基本力學(xué)性能和抗震性能等一系列試驗研究分析，在已有上海18層混凝土小型空心砌塊配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)建筑試點經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)研究出了中高層設(shè)計結(jié)構(gòu)計算模式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及相適應(yīng)的成套施工技術(shù)，并提出了中高層配筋砌體適用的混凝土小型空心砌塊、灌芯柱混凝土和砌筑砂漿等材性要求，為推廣應(yīng)用提出了實用性的配筋砌體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的關(guān)鍵技術(shù)以及技術(shù)經(jīng)濟分析。0前言混凝土小型空心砌塊作為一種替代粘土磚的新型墻體材料，由于其本身具有的優(yōu)點正在成為我國多層建筑的主導(dǎo)性墻體材料并向中高層建筑發(fā)展。但是由于混凝土小型空心砌塊砌體的抗壓、抗剪強度較低，難以成為中高層建筑的承重墻體。上海通過兩幢8N12層住宅試點工程采用混凝土小型空心砌塊配筋砌體進行系列材性、結(jié)構(gòu)性能試驗，設(shè)計和施工方法研究，建立了中高層混凝土小型空心砌塊配筋砌體建筑結(jié)構(gòu)體系，并形成了能推廣應(yīng)用的成套技術(shù)。不僅在我國填補了中高層混凝土小型空心砌塊配筋砌體結(jié)構(gòu)建筑系列的空白，亦為禁止粘土磚作為建筑承重和填充墻體找到了良好的替代用品，對保護土地資源、保護生態(tài)環(huán)境和建筑節(jié)能都是具有深遠的意義。1研究背景混凝土小型空心砌塊作為一種墻體材料，在世界上已有一百多年的應(yīng)用歷史。國內(nèi)始于上世紀30年代，上海延安路銅仁路口25幢兩層半低層住宅采用混凝土小型空心砌塊建造，至今建筑物仍然完好。上世紀70年代至80年代，我國的混凝土小型空心砌塊建筑有很大發(fā)展，僅上海就用小砌塊建成多層住宅約500萬m2。1993年上海市編制了混凝土小型空心砌塊多層砌體建筑設(shè)計規(guī)程、施工驗收規(guī)程與圖集等五項全套標(biāo)準(zhǔn)。高層建筑采用混凝土小型空心砌塊配筋砌體作為承重結(jié)構(gòu)在國外已有不少研究理論和工程實踐，國內(nèi)尚屬探索試點階段，其結(jié)構(gòu)受力性能、計算模式、抗震性能驗證和施工技術(shù)等有待進一步研究和探索。1995年上海園南小區(qū)試點工程對塢層高層建筑采用混凝土小型空心砌塊配筋砌體作為承重結(jié)構(gòu)進行研究，1998年底完成取得了成功的經(jīng)驗。上海中高層條狀住宅在用地、戶型、結(jié)構(gòu)震性能等方面具有比較好的經(jīng)濟性，提高了生活質(zhì)量和環(huán)境舒適度，近10年來大量流行，受到市場的青睞。為了推廣8～12層采用混凝土小型砌塊配筋砌體作為承重結(jié)構(gòu)，1990年上海市墻體辦組織有關(guān)單位立題進行研究。具體試驗研究分成五大部分：(1)混凝土小型空心砌塊塊型和材料性能試驗研究；(2)配筋砌體建筑基本力學(xué)性能和抗震性能試驗研究；(3)配筋砌體試點工程設(shè)計及技術(shù)研究；(4)配筋砌體試點工程結(jié)構(gòu)施工及工藝研究；(5)配筋砌體試點工程保溫節(jié)能研究。該研究和試點工程被列入上海市建設(shè)科研重大項目計劃[詳見滬建教(99)第0378號文]。2002年完成了全部試驗研究任務(wù)，取得了比較理想的研究成果。上海市科技委組織專家鑒定，其成果評價為國內(nèi)首創(chuàng)，國際領(lǐng)先。在我國新版的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范)GB50011—2001和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范)GB50003—2001中已分別采納和引用了其研究工作的成果。該研究成果在2005年由建設(shè)部組織的《首屆全國綠色建筑創(chuàng)新獎》評獎中獲得了技術(shù)與產(chǎn)品類項目三等獎。2試點工程概況試點工程為上海**城7#、8#兩幢住宅建筑工程，7#樓10層，8#樓l1層，項層均為躍層，標(biāo)準(zhǔn)層層高2．8m，三單元條狀平面，建筑面積分別為5，890m2和7，352m2。外墻與屋面均采用30mm厚聚苯板外保溫系統(tǒng)。根據(jù)對混凝土小型空心砌塊材性、配筋砌體結(jié)構(gòu)性能試驗結(jié)果，試點工程的結(jié)構(gòu)采用專用帶凹槽混凝土小型空心砌塊配筋砌體作為長、短肢墻結(jié)合的大開間剪力墻體系。除了頂部躍層處和極個別寬厚比小于5倍的獨立小墻肢仍使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土外，其余承重墻體均采用190mm厚灌芯混凝土小型空心砌塊配筋砌體，填充墻也采用普通型規(guī)格尺寸為390mm×190mm×190mm混凝土小型空心砌塊。各層樓板和屋面板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。試點工程建成后，經(jīng)單層房屋模型震動臺試驗和配筋砌體房屋的非線性地震反應(yīng)動力分析，試點工程房屋的動力特性現(xiàn)場實測證明結(jié)構(gòu)抗震性能良好，房屋具有良好的安全性能，完全能滿足7度抗震設(shè)防的要求。試點工程于2002年6月竣工交付使用后到目前為止，經(jīng)過5年多的時間考驗，所有外墻和內(nèi)部承重墻沒有發(fā)現(xiàn)裂縫，住戶使用反映良好，達到了預(yù)期的目的。3設(shè)計施工主要關(guān)鍵性技術(shù)研究3．1灌芯混凝土砌體抗壓強度和彈性模量試驗通過對配筋砌體的砌塊、砌筑砂漿和灌芯混凝土的配制以及灌芯混凝土砌體抗壓強度和彈性模量試驗，提出了配筋砌體的基本力學(xué)性能指標(biāo)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要依據(jù)。其中最為關(guān)鍵是通過灌芯混凝土砌體抗壓強度和彈性模量試驗，解決砌體灌芯混凝土、砌塊、砌筑砂漿之間的最佳匹配問題。除了考慮強度之間的匹配，更重要的是考慮其三者的變形以及相應(yīng)的應(yīng)力峰值之間的匹配，充分發(fā)揮其三者的強度，又降低了應(yīng)用成本。灌芯混凝土砌體的抗壓強度和彈性模量指標(biāo)的取值大小又關(guān)系到配筋砌體結(jié)構(gòu)建筑的安全性和經(jīng)濟，性。試驗參照美國標(biāo)準(zhǔn)和方法，選擇11組砌體共110個試件進行砌體試驗和3批共22個試件(包括15個彈性模量試件)進行驗證性試驗。砌塊、砌筑砂漿與灌芯柱混凝土之間標(biāo)號強度進行多種不同強度組合試驗。根據(jù)試驗研究結(jié)果，確定試點工程配筋砌體結(jié)構(gòu)墻體所用砌塊、砌筑砂漿與灌芯柱混凝土強度等級和設(shè)計參數(shù)：砌塊、砌筑砂漿與灌芯柱混凝土強度等級，見表1；設(shè)計參數(shù)建議取值，見表2。3．2配筋砌體墻片抗壓、抗剪、抗彎承載力試驗通過試驗研究，提出了配筋砌體墻片抗壓、抗剪、抗彎承載力計算公式，為混凝土小型空心砌塊配筋砌體房屋的設(shè)計和抗震性能評價提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，在理論上、設(shè)計計算方法上保證了試點工程的順利進行。3．21墻片的受力分析本試驗研究的配筋砌體墻片是在空心砌塊的孔洞中布置有垂直鋼筋，在水平方向空心砌塊凹槽處布置有水平鋼筋，并在孔洞中灌入灌芯混凝土，由于普通砌體墻片引入垂直鋼筋和水平鋼筋，特別是砌塊凹槽處水平鋼筋被灌芯混凝土包裹，在砌塊與砌塊之間形成通長的連接鍵，使得水平鋼筋能有效參與工作，大大改善了普通砌體墻片的工作環(huán)境。3．2．2墻片的受壓性能在考慮不同砌塊強度、不同砌筑砂漿強度、不同灌芯柱混凝土強度、不同垂直鋼筋和水平鋼筋的配筋率、不同偏心率等諸多因素情況下，共進行了15個配筋砌體墻片的受壓性能試驗。主要是研究配筋砌體墻片在軸心、偏心荷載作用下的抗壓承載力、變形性能及破壞特征。并對基本假定基礎(chǔ)上提出的計算公式進行計算結(jié)果和實驗結(jié)果對比分析，研究主要得出了配筋砌體墻片在軸心受壓以及小偏心受壓狀態(tài)下，其承載能力和變形能力與鋼筋混凝土墻片相似，而與普通磚砌體墻片的受力性能完全不同。3．2．3墻片的抗剪性能考慮配筋砌體墻片在地震作用受力情況下，共進行了10個配筋砌體墻片(包括2個十字形墻片)的抗剪性能試驗。主要是研究配筋砌體墻片在周期反復(fù)荷載下的抗剪承載能力、變形滯回性能及破壞特征。研究主要得出了配筋砌體墻片在水平荷載反復(fù)作用下，砌塊與混凝土芯柱能夠較好地共同工作，墻片的破壞特征類似于混凝土墻片，而與不灌芯的普通砌體墻有很大不同。變形性能要優(yōu)于普通的磚砌體墻片、甚至鋼筋混凝土墻片。3．2．4墻片的抗彎性能配筋砌體墻片除了應(yīng)該考慮在一般情況下不至于發(fā)生脆性的剪切破壞以外，還考慮了墻片的抗彎承載能力，包括墻片在彎矩作用下的變形能力，這在配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的房屋設(shè)計中是至關(guān)重要的。在參照和吸收了上海18層高層配筋砌體建筑試點工程的成功經(jīng)驗，共進行了9個配筋砌體抗彎墻片(包括2個Z字形墻片)在垂直荷載和水平反復(fù)荷載共同作用下的抗彎性能試驗研究。研究主要得出了配筋砌體墻片在水平荷載反復(fù)作用下，其破壞特征類似于混凝土墻片發(fā)生延性破壞，它的破壞主要是墻腳區(qū)域的砌塊及芯柱混凝土被壓碎，破壞時縱向鋼筋均能屈服。配筋砌體抗彎墻片具有較好的滯回耗能性能和較好的變形性能。3．3配筋砌體房屋設(shè)計要則在借鑒國內(nèi)外有關(guān)配筋砌體設(shè)計與計算方法，在己有上海18層混凝-I-,J＼型空心砌塊配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)建筑試點經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)部分試驗研究及分析整理后，編制了《8～12層混凝土小型空心砌塊配筋砌體房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計要則》，用于試點工程的設(shè)計指導(dǎo)。在要則的制定中，除了考慮到與現(xiàn)有國家有關(guān)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)外，還注意突出上海的實際，根據(jù)8～12層房屋的受力特點，在結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)力學(xué)計算模型的分析與比較及適用性分析、砌塊強度及砌體墻配筋方法等方面進行了更深入的研究與實踐。(1)改進結(jié)構(gòu)體系。由18層的配筋砌體長肢全灌孔抗震墻，發(fā)展為8～12層的配筋砌體長、短肢相結(jié)合的部分灌孔抗震墻。(2)改進結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法，使其更接近實際受力。由18層房屋墻體內(nèi)力分析采用空間簿壁桿原理，發(fā)展為8～12層房屋墻體內(nèi)力分析采用“有限元(墻元、殼元)”原理，并充分考慮樓板、開洞對內(nèi)力的影響。(3)改進砌體墻配筋方法，使其更趨合理，降低十字型，T字型墻體配筋量。(4)配筋砌體構(gòu)件的正截面承載力計算，鋼筋與混凝土砌體共同工作應(yīng)變，不考慮混凝土砌體的抗拉強度。(5)混凝土砌體的極限壓應(yīng)變：對偏心受壓構(gòu)件取ε一CU=0．003。當(dāng)構(gòu)件處于大偏壓受力狀態(tài)時，墻內(nèi)豎向鋼筋應(yīng)力數(shù)值及性質(zhì)均應(yīng)由該處鋼筋應(yīng)變確定：當(dāng)構(gòu)件處于小偏壓或軸心受壓狀態(tài)時，墻內(nèi)豎向分布鋼筋對整個構(gòu)件壓應(yīng)力的貢獻較小、，可以不計。(7)規(guī)定了配筋砌體建筑的設(shè)計構(gòu)造和施工要求。試點工程考慮結(jié)構(gòu)節(jié)點和墻體同時砌筑共同受力，其配筋砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則采用大開間剪力墻做法?？紤]到配筋砌體應(yīng)符合安全、適用、經(jīng)濟的原則，適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的延性是必要的。根據(jù)規(guī)范與規(guī)程的規(guī)定，上海地區(qū)按7度抗震設(shè)防，采用26種不同工況內(nèi)力組合，確定控制內(nèi)力及不利配筋。經(jīng)三個程序進行結(jié)構(gòu)設(shè)計對比分析，分析比較結(jié)構(gòu)自振周期、基底剪力、樓層位移角等結(jié)構(gòu)基本特征參數(shù)，得出結(jié)構(gòu)樓層間位移及頂點位移均可滿足要則規(guī)定不大于1，750的要求。事實證明，設(shè)計要則的絕大部分是科學(xué)的、可行的，能夠保證房屋的安全使用。3．4結(jié)構(gòu)設(shè)計電腦編程為了加快設(shè)計進度和設(shè)計結(jié)果的可靠性和適用性，試點工程配筋砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用SATWE軟件進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算，編制了基于SATwE結(jié)構(gòu)技術(shù)平臺上的配筋砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計的專用軟件包。由于SATWE結(jié)構(gòu)計算軟件采用殼元墻元模型理論，因此對于剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其計算結(jié)果比TAT采用薄壁柱理論的三維桿系結(jié)構(gòu)計算軟件更為合理。試點工程設(shè)計成大開間剪力墻做法的配筋砌體結(jié)構(gòu)采用空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析更貼近實際。從目前實際試點工程采用SATwE軟件進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算來看，計算結(jié)果比PM—TAT軟件計算(存在連梁配筋等較多參數(shù)輸入等問題設(shè)計較難處理)更加趨于合理。從已經(jīng)完成的試點工程的施工圖應(yīng)用SATwE軟件經(jīng)過驗證看，完善了安全設(shè)計的方法，采用CAD圖形輸入輸出，快速、便捷、正確、實用，與18層的配筋砌體計算分析所用時間相比，縮短10倍，設(shè)計效果相當(dāng)理想。3．5配筋砌體建筑工程施工根據(jù)混凝土小型空心砌塊配筋砌體房屋的設(shè)計特點，研究解決了不同強度等級的砌塊、砌筑砂漿和灌注芯柱混凝土材料配制、組合砌體強度匹配及施工工藝、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、施工組織和裂縫防治等成套技術(shù)問題。在完成試點工程施工實踐的基礎(chǔ)上，編制了《配筋砌體建筑工程施工驗收規(guī)程建議》和《配筋砌體建筑工程施工定額指標(biāo)建議》。3．5．1砌筑砂漿、灌芯混凝土級配驗證具有良好的保水性的砂漿和大流動性的灌芯混凝土是配筋砌體建筑施工工藝成功的重要保證。在試點工程砌體正式施工前，在現(xiàn)場做過幾次試砌模擬墻試驗。(1)砌筑砂漿配制：采用稠化粉代替石灰膏配制M20、MIO砂漿，實踐表明其保水性、和易性好，粘性足，操作方便，據(jù)統(tǒng)計強度滿足施工要求。(2)灌芯混凝土的配制：短肢墻配筋砌體灌芯混凝土標(biāo)號C30、C20，配制要求坍入度23±2達到大流動性混凝土。根據(jù)實踐經(jīng)驗，選用性能了解的水泥品種和適宜的外加劑是配制大流動性灌芯混凝土的關(guān)鍵。經(jīng)過采用不同品種水泥和高效減水劑多次試配比選，最終選用海螺牌水泥和ZK904高效減水劑配制的混凝土符合要求，其強度和坍入度比較穩(wěn)定。3．5．2配筋砌體砌筑方法本試點工程結(jié)構(gòu)采用短肢剪力墻配筋砌體作為承重墻，填充墻采用多層砌體作為非承重墻，施工時要考慮承重墻配筋砌體砌塊和填充墻多層砌體砌塊組砌方式，排列比較復(fù)雜。(1)配筋砌體組砌方式：根據(jù)墻肢短的特點，在編制砌塊排列圖時將每堵墻作為獨立排列單元，從轉(zhuǎn)角處開始排列，根據(jù)墻長和砌塊模數(shù)，按上下皮孔對孔，肋對肋，錯縫搭砌的原則，以確保灌芯混凝土澆灌暢通，并形成水平和豎向均貫通的混凝土芯柱。排列結(jié)果表明，六種砌塊塊型基本能滿足短肢剪力墻組砌需要，技術(shù)、經(jīng)濟均得到了滿足。(2)豎向灰縫處理：根據(jù)配筋砌體砌塊豎縫中也要充滿灌芯混凝土要求，豎縫采用在砌塊端頭壁上刮滿砂漿，再上墻砌筑，并隨砌隨用小工具將豎縫中多余砂漿清除，這樣，豎縫砌塊兩側(cè)壁上砂漿飽滿，而中間不留砂漿。實踐表明，砌筑質(zhì)量和灌芯混凝土質(zhì)量同時得到了保證。3.5.3配筋砌體鋼筋施工(1)豎向筋施工：為了便于施工和節(jié)約鋼筋，豎筋為一層一根，在墻體砌完后插入，每層搭接長度滿足48d，下部在砌塊內(nèi)進行搭接操作，綁扎連接垂直偏差調(diào)整較靈活，豎向的限位采用加焊定位筋固定每根豎筋水平間距來滿足設(shè)計和施工要求。(2)水平筋施工：與國內(nèi)其他地方配筋砌體設(shè)計不同，水平鋼筋不是放在灰縫中，而是放置在砌塊凹槽寬度范圍內(nèi)，握裹在墻體混凝土內(nèi)，大大改善受力效果，成為真正意義上的配筋砌體。按照要則制訂的方案，確定先放水平筋，后鋪砌筑砂漿。這樣保證了施工水平筋時不破壞砂漿，同時不因施工時間長影響砂漿保水性。3.5.4灌芯混凝土的施工一個樓層高度分兩個澆搗層進行澆搗，一、二澆搗層連續(xù)澆搗，以防出現(xiàn)冷縫。模擬墻灌芯混凝土試驗結(jié)果表明，灌芯混凝土工作性能良好，不需多振，否則，反而會使混凝土產(chǎn)生離析現(xiàn)象。實際試點工程的澆搗方法執(zhí)行原則：每孔上下來回振搗二次為宜，不得漏振。這樣，確保了灌芯混凝土澆灌密實，混凝土與砌塊之間粘結(jié)良好，無收縮裂縫。3．5．5配筋砌體裂縫防治措施由于混凝土小型空心砌塊配筋砌體建筑本身的構(gòu)造和砌塊原材料材性，決定其更易產(chǎn)生裂縫。因此，在試點工程應(yīng)用中從設(shè)計和施工兩個方面采取了防止墻體開裂的措施。(1)改進砌塊的設(shè)計制作，將砌塊兩端留有缺口成凹槽，將水平鋼筋由一般放置在灰縫內(nèi)改為放置于砌體內(nèi)，以增強墻體的整體性。(2)房屋頂上兩層因受溫度應(yīng)力影響大，全部采用MU15．0高層砌塊砌筑，砂漿強度等級也相應(yīng)提高為M20，并適當(dāng)增加水平配筋數(shù)量。(3)屋頂和墻體采用聚苯板保溫隔熱措施，保溫性能符合國家和上海市建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。(4)確保進場施工的砌塊必須滿足超過28d的自然養(yǎng)護期。(5)改進施工工藝，確保砌體在砌筑、支模等施工時不出現(xiàn)操作裂縫。(6)改進灌芯混凝土和砌筑砂漿的配合比，在確保強度等級的同時，改善混凝土的和易性和砂漿保水性能。墻體灌芯后經(jīng)無損探測和抽芯檢查，灌芯混凝土自身密實和砌塊結(jié)合緊密，全部達到設(shè)計要求。(7)標(biāo)準(zhǔn)層以上的承重墻和非承重墻整體同時砌筑，提高墻體整體性能，減少界面縫。(8)對內(nèi)隔墻、非承重墻與承重墻和樓板過梁的連接部位在做粉刷前采用加鋼絲網(wǎng)布聯(lián)接等措施。3，6配筋砌體建筑技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較分析(1)通過對試點工程技術(shù)經(jīng)濟分析證明，混凝土小型空心砌塊配筋砌體建筑不僅能滿足結(jié)構(gòu)承載能力的要求，其抗剪抗震的性能亦優(yōu)于鋼筋混凝土短肢剪力墻+填充墻結(jié)構(gòu)，因而安全性能良好。配筋砌體建筑施工方法簡便，工藝技術(shù)可行。(2)由于能充分發(fā)揮砌體的特性，在相同荷載作用下，結(jié)構(gòu)配筋量減少，墻體不使用模板，勞動強度降低(免去了墻體周轉(zhuǎn)材料的翻層工作量)。經(jīng)取芯和超聲波無損檢測證實，灌芯混凝土和砌塊間接觸緊密，結(jié)構(gòu)試驗證實砌塊與芯柱混凝土及芯柱內(nèi)鋼筋共同工作性能良好。(3)對試點工程經(jīng)濟分析顯示，與鋼筋混凝土短肢剪力墻+填充墻結(jié)構(gòu)相比，單位建筑面積鋼材節(jié)省33．3％，工日節(jié)省2．12％，工期基本持平。墻面平整度、垂直度優(yōu)于鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，外墻貼保溫材料時可不做外粉刷。但目前混凝土小型空心砌塊生產(chǎn)規(guī)模小，砌塊和灌芯混