一种复合外墙结构及其设计方法

1.本发明涉及建筑结构技术领域，具体涉及一种复合外墙结构及其设计 方法。


背景技术：

2.从建筑学的角度来讲，围护建筑物，并使之形成室内、室外的分界构 件称为外墙。我国房屋建筑普遍采用表面薄抹灰，蒸压轻质混凝土板(alc) 或挤塑聚苯板(ecp)等作为保温材料的传统外墙结构。这种传统外墙结构 存在易产生裂缝、渗漏、空鼓、脱落等隐患，尤其体现在外层表面(即室 外表面)，一旦开裂，结构的保温、防水性能就会大大降低。为克服该缺 陷，复合外墙这种新型外墙结构就应时而生了。
3.现有复合外墙由内向外依次包括基层墙体、空腔龙骨以及外层墙体， 外层墙体固定在空腔龙骨上，空腔龙骨通过l型连接件与基层墙体的主体 结构梁相连。由于采用的l型连接件刚度和承载力相对较大，一般均在弹 性范围内，在风荷载或地震作用下，外墙的变形主要集中在外层墙体上， 导致外层墙体变形明显，容易发生鼓曲、脱落等危险，长期使用下保温和 防水性能也会大打折扣。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有复合外墙在风荷载或地 震作用下外层墙体易变形，导致保温防水性能下降的缺陷，从而提供一种 复合外墙结构及其设计方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的一种复合外墙结构，包括：
6.基层墙体，其内设有主体结构梁；
7.空腔龙骨；
8.z型连接件，所述z型连接件的两端分别与所述主体结构梁和所述空腔 龙骨固定连接；
9.外层墙体，所述外层墙体通过紧固件与空腔龙骨固定连接。
10.可选的，所述z型连接件包括：
11.两个固定板，相互平行且平移错位；
12.连接板，夹于两个所述固定板之间且与所述固定板垂直；
13.两个所述固定板与所述连接板共同形成z型结构且通过圆弧板过渡。
14.可选的，所述空腔龙骨包括横向龙骨和竖向龙骨，两个所述固定板分 别与所述竖向龙骨和所述主体结构梁固定连接。
15.可选的，所述固定板与所述竖向龙骨或主体结构梁通过螺栓或焊缝固 定连接。
16.可选的，所述基层墙体拼缝处采用uhpc填充，且在所述基层墙体的内 表面拼缝处覆盖有uhpc层，所述uhpc层与所述基层墙体的内表面其余部 分齐平。
17.可选的，所述紧固件为螺栓。
18.可选的，所述基层墙体采用alc条板、砌块、grc板。
19.可选的，所述外层墙体采用单层铝板、复合铝板、蜂窝铝板。
20.本发明提供的一种复合外墙结构的设计方法，包括：
21.z型连接件的承载能力大于在风荷载和小震作用效应组合下所受最大 力，且小于外层墙体在风荷载和中大震作用效应组合下所受最大力；
22.所述z型连接件承载能力采用如下公式进行计算：
23.拉压屈服承载力
24.剪切屈服承载力
25.其中，fy为z型连接件的屈服强度；b、t和h分别为z型连接件的宽度、 板厚和净高度，r为过渡处圆弧半径。
26.可选的，拼缝处uhpc层在结构最大层间位移角限值下的最大拉应力设 计值(σ
t,max
)应小于其弹性段抗拉强度(f
t，uhpc
)与结构重要性系数(γr) 的比值，即σ
t,max
《f
t,uhpc
/γr。
27.本发明技术方案，具有如下优点：
28.1.本发明提供的复合外墙结构，包括基层墙体、空腔龙骨、z型连接件、 外层墙体。本复合外墙结构的外层墙体可以保护建筑基础结构，缓冲由于 温度变化导致的墙体结构变形，从而大大提高墙体的防水性及气密性，进 而提高房屋使用寿命。本复合外墙结构采用的z型连接件，由于具有较强 的变形能力，可以保证在小震下外墙变形较小，中大震下z型连接件屈服， 变形主要集中在z型连接件处，提高外层墙体的抗变形性能，保证构件整 体保温和防水性能，提升经济性，同时加工方便，具有广泛的应用前景。
29.2.本发明提供的复合外墙结构，所采用的uhpc层，仅在基层墙体的内 表面拼缝处覆盖且与其余部分齐平设置，这样既可以保证基层墙体抗开裂 性能，又能大幅度节约成本，提升经济性效果。
30.3.本发明提供的复合外墙结构，紧固件采用螺栓。螺栓连接使安装省 时省力，所需安装设备简单、对施工工人的技能要求低。
31.4.本发明提供的复合外墙结构，基层墙体及外层墙体的材料选用面广， 可以采用市面上常用的各种材料，也可根据业主提出的装饰要求、整体设 计思路、经济性等影响因素来进行选择，具有很好的市场适应性和普遍性。
32.5.本发明提供的复合外墙结构，具有一定的通用性，可广泛应用于钢 结构、钢筋混凝土结构以及钢-混组合结构等不同结构体系，以及现浇、预 制装配式等不同类型结构的外墙体系，通过充分利用uhpc的抗拉强度，提 高基层墙体的抗裂性能，以及通过充分利用z型连接件的变形能力，提高 外层墙体的变形性能，保证构件整体保温和防水性能优越，经济性好，同 时加工方便，具有广泛的应用前景。
33.6.本发明提供的复合外墙结构的设计方法，使z型连接件的屈服承载 力大于风荷载和小震下z型连接件的受力，而小于中震或大震下z型连接 件的受力，以保证在小震下外墙变形较小，以此来保证复合外墙结构的使 用寿命。通过本设计方法提供的具体公式可以精确计算得出，z型连接件需 多大的承载能力才可以满足风荷载和地震作用效应组合下的
所受的最大 力，从而保证结构设计需要。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
35.图1为本发明实施例中的复合外墙外侧结构示意图；
36.图2为本发明实施例中的复合外墙内侧结构示意图；
37.图3为本发明实施例中的z型连接件左视图；
38.图4为本发明实施例中的z型连接件主视图；
39.附图标记说明：
40.1、基层墙体；2、竖向龙骨；3、横向龙骨；4、主体结构柱；5、z型 连接件；6、外层墙体；7、主体结构梁；8、uhpc层；9、固定板；10、连 接板；11、圆弧板。
具体实施方式
41.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术 语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的 连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。
43.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼 此之间未构成冲突就可以相互结合。
44.实施例一
45.结合图1所示，本实施例提供的复合外墙结构，包括：基层墙体1，其 内设有主体结构梁7；空腔龙骨；z型连接件5，z型连接件5的两端分别 与主体结构梁7和空腔龙骨固定连接；外层墙体6，外层墙体6通过紧固件 与空腔龙骨固定连接。本复合外墙结构的外层墙体6可以保护建筑基础结 构，缓冲由于温度变化导致的墙体结构变形，从而大大提高墙体的防水性 及气密性，进而提高房屋使用寿命。本复合外墙结构采用的z型连接件5， 对于现有的l型连接件而言，本身具有更强的变形能力，可以保证在小震 下外墙变形较小，中大震下z型连接件5屈服，变形主要集中在z型连接 件5处，充分利用z型连接件5的变形能力，提高外层墙体6的抗变形性 能，保证构件整体保温和防水性能，提升经济性，同时加工方便，具有广 泛的应用前景。
46.本实施例中，基层墙体1为alc板，通过uhpc层8与主体结构柱4连 接，通过卡件与主体结构梁7连接。在其他实施例中，基层墙体1可采用 砌块、grc板等其他墙体材料。本实
施例中，外层墙体6采用单层铝板。在 其他实施例中，外层墙体6可采用复合铝板、蜂窝铝板等其他外墙材料。 本实施例中的复合外墙结构，基层墙体1及外层墙体6的材料选用面广， 可以采用市面上常用的各种材料，也可根据业主提出的装饰要求、整体设 计思路、经济性等影响因素来进行选择，具有很好的市场适应性和普遍性。
47.具体的，本实施例中的空腔龙骨包括横向龙骨3和竖向龙骨2。
48.结合图3-4所示，本实施例中，z型连接件5包括：两个固定板9，相 互平行且平移错位；连接板10，夹于两个固定板9之间且与固定板9垂直； 两个固定板9与连接板10共同形成z型结构且通过圆弧板11过渡。这样 的z型结构变形能力更强，能更好的避免外墙变形。其他实施例中，z型连 接件5的连接板10也可与固定板9形成锐角或钝角结构，具体角度设置多 大根据所需承载能力而定。本实施例中的z型连接件5，为锻造一体成型， 其他实施例中也可以通过焊接方式将固定板9、连接板10、圆弧板11连接。
49.本实施例中，z型连接件5的两个固定板9分别通过螺栓或焊缝固定在 竖向龙骨2或主体结构梁7上。具体的，本实施例中的主体结构梁7为工 字钢结构，且在腹部一侧设有多个横向加筋肋，固定板9通过螺栓或焊缝 固定在横向加劲肋上。
50.优选的，本实施例中的紧固件为螺栓，外层墙体6的边缘分别通过螺 栓固定在横向龙骨3和竖向龙骨2上。采用螺栓连接使安装省时省力，所 需安装设备简单、对施工工人的技能要求低。在其他实施例中紧固件可以 为螺钉、卡扣、铆钉等本领域常用的形式。
51.结合图2所示，在上述实施方式的基础上，基层墙体1拼缝处采用uhpc 填充，且在基层墙体1的内表面拼缝处覆盖有uhpc层8，uhpc层8与基 层墙体1的内表面其余部分齐平。本实施例中，拼缝处的uhpc厚度不小于 40mm，在拼缝两侧基层墙体1上的uhpc层8的宽度皆不小于150mm。所采 用的uhpc层8仅在基层墙体1的内表面拼缝处覆盖且与其余部分齐平设置， 这样既可以保证基层墙体1抗开裂性能，又能大幅度节约成本，提升经济 性效果。
52.实施例二
53.本实施例提供一种复合外墙结构的设计方法，z型连接件5的承载能力 大于在风荷载和小震作用效应组合下所受最大力，且小于外层墙体6在风 荷载和中大震作用效应组合下所受最大力，z型连接件承载能力采用如下公 式进行计算：
54.拉压屈服承载力
55.剪切屈服承载力
56.其中，如图3-4所示，fy为z型连接件5的屈服强度；b、t和h分别为 z型连接件5的宽度、板厚和净高度，r为过渡处圆弧半径。
57.通过上述公式(1)和(2)分别计算出z型连接件5的抗压屈服承载 力和剪切屈服承载力，将两个承载力进行比较，使其中较小者大于在风荷 载和小震作用效应组合下所受最大力，使其中较大者小于外层墙体在风荷 载和中大震作用效应组合下所受最大力。
58.容易理解的，所述小震为超越概率为63.2％、重现期为50年的地震动。 所述大震为超越概率为10％、重现期为475年的地震动。所述大震为超越概 率为2％、重现期为2000年的地震动。
59.进一步的，拼缝处uhpc层8在结构最大层间位移角限值下的最大拉应 力设计值σ
t,max
应小于其弹性段抗拉强度f
t，uhpc
与结构重要性系数γr的比值， 即σ
t,max
《f
t,uhpc
/γr。
60.本实施例中，部件在风荷载和地震作用效应组合下所受力为本领域人 员容易设计的，例如螺栓所受力通过如下公式进行计算：
61.风荷载下n
t,max,w
＝aωk/n,ωk＝βzμsμzω062.地震作用下n
t,max,e
＝aqk/n，qk＝5α
maxgk
/a
63.效应组合n
t,max
＝ψeγen
t,max,e
ψwγ
wnt,max,w
64.其中，a为某一高度某一区格外层墙体的表面积；n为该区域内螺栓的 个数；βz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化 系数；ω0为基本风压；gk为该区格外层墙体的重量；α
max
为地震影响系数；ψe和ψw分别为风荷载和地震作用效应的组合系数；γe和γw分别为风荷载和地 震作用的荷载分项系数。
65.本实施例中，螺栓根据其抗拉承载力应大于外层墙体6在风荷 载和地震作用效应组合下该螺栓受到的最大拉力设计值(n
t,max
)与结构重要 性系数(γr)的乘积，即
66.本复合外墙结构的设计方法，使z型连接件5的屈服承载力大于风荷 载和小震下z型连接件5的受力，而小于中震或大震下z型连接件5的受 力，以保证在小震下外墙变形较小，以此来保证复合外墙结构的使用寿命。 通过本设计方法提供的具体公式可以精确计算得出，z型连接件5应需多大 的承载能力才可以满足风荷载和地震作用效应组合下的所受的最大力，从 而保证结构设计需要。
67.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予 以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保 护范围之中。