美國垂直保溫夾心牆板在非住宅建築中的應用 宗德林
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美國垂直保溫夾心牆板在非住宅建築中的應用
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預製/預應力混凝土夾心牆板利用硬性塑料絕緣材料隔開的兩個混凝土層組成。混凝土層之一，可能是一個標準的形狀，如實心板、空心板、雙T版或任何其他的混凝土建材。夾心牆板可以提供承受負載和絕緣的雙重功能。它們可以作裝飾外牆或可作為梁、承重牆、剪力牆。夾心牆板可以很容易地連接到任何類型的結構體系，包括鋼結構、鋼筋混凝土結構和一般預製/預應力混凝土結構。夾心牆板在預製混凝土廠製作，運到項目工地，用起重機豎立。夾心牆板一般是垂直使用，在基礎和樓板或屋頂間提供永久性的牆系統，但也可以在柱間水平放置。但在北美的工業建築大都是垂直使用，此報告也是以垂直使用為主，在北美是一種非常重要的預製材料，更是其他建築結構材料無法競爭的預製材料之一，它完全符合了中國現階段對新牆體及節能的要求。
1、產品及技術簡介
1.1 歷史
據了解，在北美已有超過50年生產夾心牆板的歷史，早期夾心牆板都採用非複合型由較厚的結構層，保溫層，和非結構層組成。複合夾心牆板在較後期才生產。
1.2 材料
夾心牆板生產中使用的材料是在預製/預應力混凝土廠的正常材料。其中包括結構混凝土、鋼筋、鋼筋網、預埋件、預應力鋼絞線。獨特的夾心牆板的材料是不同類型和不同材料的連接件。
1.3 優點
夾心牆板有正常的預製混凝土牆板的所有可取的特點，如耐久性、經濟性、防火性、大型垂直空間之間的支持，並可使用做剪力牆、承重牆和擋土牆。他們可以搬遷，以適應建設擴張。此外，與許多其他的牆系統相比較時保溫層提供卓越的節能性能和防潮保護。夾心牆板的混凝土內部和外部提供抗叉車破壞、盜竊破壞，如果需要，內外牆的表面不需要做任何處理。
1.4 夾心牆板類型的說明
1.4.1 非複合夾心牆板
非複合夾心牆板在分析、設計、深化設計和製造時，考慮兩個混凝土層是獨立的，一個是非結構層，一個是結構層，結構層一般較厚。
1.4.2 複合夾心牆板
複合夾心牆板在分析、設計、深化設計和製造時，考慮兩個混凝土層是共同受力的，整個牆板在抗彎時作為一個單元體考慮，層與層之間的剪力通過連接器來傳遞。
1.4.3 部分複合夾心牆板
部分複合夾心牆板有剪力連接器連結，但不提供完整的複合結點。這種夾心牆板的抗彎剛度和強度介於其他兩種牆版之間。因它仍有很多不容易控制的因素，在這報告中就不加討論。
1.5 工程應用
夾心牆板提供經濟的，有吸引力和高效節能的混凝土牆，幾乎在所有類型的結構，包括住宅、學校、寫字樓、低溫環境下建築、需要溫度控制的建築、商場、工業建築、司法設施、醫院等。最常見的用途是夾心板外牆，但他們已被用來作為內部隔牆，特別是圍繞溫度需要程控的房間。例如，高隔熱夾心牆板已在零度以下的冷凍庫使用。
通過1.5.a到1.5.n的照片，可以看到美國各地夾心牆板的應用。
2、一般設計信息 預製/預應力混凝土夾心牆板的設計是與其他預製/預應力混凝土構件相類似。一旦夾心牆板的類型選好了，慣性矩和載重決定以後。選擇好的牆版要分析從預應力、脫模、儲存、運輸和安裝產生的應力，同時按照設計規範在容許應力、撓度、極限強度上加以分析。
1.5.a 商場 1.5.b 家具店
1.5.c 學校體育館 1.15.d 學校體育館內部
1.5.e 學校
1.5.f 工業建築 1.5.g 法院
1.5.h 工業建築(雙T板外牆) 1.5.i 住宅
1.5.j 工業建築 1.5.k 旅館
2.1 混凝土層厚度和預應力鋼絞線的選擇
大多數夾心牆板要儘可能薄，但厚度一般是由夾心牆板類型和最終用途決定。例如，厚度可控制在指定的耐火要求或鋼筋所需的最低混凝土保護層，非複合夾心牆板，通常需要比具有相同負載和跨度條件下的複合夾心牆板厚。一般非複合夾心牆板的總厚度約相當於複合夾心牆板的1.5倍。
最大預應力鋼絞線直徑與混凝土厚度的關係。通常50毫米混凝土層使用9.5毫米預應力鋼絞線，12.7毫米預應力鋼絞線常用在75毫米或更厚的混凝土層。
1.5.l 商業樓 1.5.m住宅
1.5.n 醫院
2.2 混凝土層連接器
混凝土層的連接器可以提供多種功能，在牆版水平位置脫膜時，必須抵制下層混凝土的重量加上任何形式作用於下層的吸力所造成的拉力，這些連接器還必須抵制從平面吸風力和地震力產生的拉力。複合板，連接器必須抗拒由於牆版彎曲所造成的剪力。
2.2.1 剪力連接件
剪力連接件用來傳送兩層混凝土之間的水平剪力。夾心牆板通常被設計為單向結構，用於在剪力連接件夾心牆板縱向彎曲產生的剪力。此外，剪力連接件可用於把非結構層的重量轉移到結構層。
設計是承受單一方向，而在另一個柔性的剪力連接件被稱為單向剪力連接件（2.2.1.a）。
另一種剪力連接至少在兩個垂直方向轉移縱向和橫向的水平剪力（2.2.1.b）。
非複合連接器通常被認為只是能夠傳輸層之間的張力。它們被用在非複合夾心牆板之間的垂直力和複合夾心牆板的剪力連接件間距過大時作為板與板之間的垂直力的輔助連接件（2.2.1.c）。
2.2.1.a
2.2.1.b
2.2.1.c
2.2.1.d 玻璃纖維桁架連接器
2.2.1.e 鋼筋桁架連接器
2.2.1.f 預留混凝土孔
2.2.1.g 玻璃纖維連接器
2.2.1.h 不鏽鋼連接器(M型)
2.2.1.i 不鏽鋼連接器(C型)
從照片2.2.1.d到2.2.1.m可以看到各種連接器在工廠實際施工的情形，2.2.1.d與2.2.1.e顯示單向剪力連接件；2.2.1.f顯示雙向連合法；2.2.1.g到2.2.1.i顯示非複合連接器；2.2.1.j和2.2.1.k顯示傳統有預應力能力的生產線，優點是可以隨客戶的需要而生產不同寬度和長度的牆版；2.2.1.l是使用機器（SP）的生產線，2.2.1.m是SP機器生產牆版的成品。
2.2.1.j預應力生產模台 2.2.1.k預應力生產模台
2.2.1.l SP機器(SP)連續生產床 2.2.2.1.m
2.3 夾心牆板寬度，厚度和跨度
夾心牆板幾乎能生產所有實心牆板相同的形狀和大小。在一般情況下，較大的牆板，有更大的經濟力，因為有較少的牆板需要生產、裝載、運輸、吊裝、並連接。構件最大尺寸的選擇應綜合考慮生產車間、運輸、安裝設備的限制，以及各種工況下的施工應力限制。
在北美夾心牆板已生產過，寬4.6米，高23米。整體厚度從130毫米到500毫米夾心牆板，保溫層厚度一般從25毫米至150毫米不等，預應力技術的使用是達到這些尺寸的關鍵。
2.4 弓形彎曲（Bowing）
弓形彎曲是由於混凝土夾心牆板兩個面之間的尺寸變化不同產生的，其原因可能是混凝土收縮差異，預應力偏心或者是兩層混凝土溫差變形不一致等等。複合保溫外牆比非複合保溫外牆有非常明顯的變化，設計時要特別注意，弓形彎曲通常並不會造成結構問題。但如不考慮增加局部牆版的連結件，往往會造成板縫間防水材料失效而產生滲水的問題。
弓形彎曲是一個複雜的話題，這份報告將無法討論細節，它與預測預應力反拱一樣無法有非常精確的預測，了解弓形彎曲的特性和適當結點的處理是夾心牆板成功的主要因素。
3、施工方法 3.1.a到3.1.c顯示一般混凝土在生產線上使用模具的施工法，先安裝第一層的預力筋然後澆灌混凝土（3.1.a），馬上安裝連接器（3.1.b），最後在安裝第二層的預力筋及澆灌混凝土（3.1.c）。
3.1.d、3.1.e顯示使使用一般混凝土及機器生產的保溫牆版，3.1.f 是使用乾性混凝土及機器生產的保溫牆版。
3.1.f是利用雙T版的模具生產的保溫牆版。
4、連接
因為篇幅的限制，在此只提出一般的連結的示意圖和現場施工的照片以供參考。
4.1 非承重牆
4.2 承重牆(角鋼) 4.3 承重牆(凹槽)
4.4 承重牆(大梁) 4.5 承重牆(雙T板)
4.6 基礎連結件 4.7 板與連接件(預防弓形彎曲不均)
4.8板與板連接件(預防弓形彎曲開口) 4.9大型開口
4.10 4.11
4.12 4.13
4.14 4.15
4.16 4.17
4.18
結論
牆體的節能改造是影響未來國家能源重要的主角，而預製/預應力混凝土夾心牆板在使用傳統混凝土再加上預力筋的應用，發展出一種非常有經濟效益，耐久性及競爭力的新牆體。將承重牆、剪力牆、帷幕牆合而為一，是值得預製業發展的新產品。[1]
作者簡介
宗德林，美國PCI資深會員。。