SIP板式结构住宅体系.doc

SIP板式结构住宅体系新建巍全国中文核心期刊SIP板式结构住宅体系严帅,刘伟庆,陆伟东,杨会峰(南京工业大学先进工程复合材料研究中心,江苏南京210009)摘要:SIP板式结构住宅体系是以SIP承重墙板,楼板及屋面板等主要承重构件,并以钉子连接为主要节点构造连接方法而形成的一种装配整体式结构体系.该体系结构整体性强,抗震性能优越,并实现了承重,保温和隔声一体化,具有环保,经济效益优势,是一种较为先进的节能住宅形式.对该体系的性能及优越性,创新性进行了分析评价.关键词:SIP板;SIP板式结构体系:建筑节能;住宅产业中图分类号:TU53文献标识码:A文章编号:1001702X(2010)08003505StudyonSIPslabstructureresidentialsystemYANShuai,LIUWeiqing,LUWeidong,YANGltuifeng(AdvancedEngineeringCompositeMaterialsResearchCenter,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,Jiangsu,China)1SIP板的生产及性能特点StructuralInsulatedPanels,简称SIP,是由2层OSB(欧松板)等为面板和1层保温芯板叠合而成的复合板材,外层面板主要承受弯曲变形引起的正应力;中间芯材为夹层结构提供足够的截面惯性矩,主要承受剪应力.面板和芯材之间是胶接层,采用环氧树脂将两者粘接在一起,工作时主要承受剪应力.由于SIP的构造特点,使建筑物具有良好的隔热保温性能,提高了木材利用率,创造了比传统木结构形式更加先进的SIP住宅系统llI.1.1材料的选择及加工过程1.1.1面板的选择有多种材料可以作为SIP的面板,比如定向刨花板(OSB),胶合板,纤维板,金属板,水泥纤维板及石膏板等,另外,SIP两侧面板可以是同一种材质的板材,也可以是不同材质的板材.目前国外最常用的是内侧和外侧面板均采用定向刨花板做面板的构造形式.定向结构刨花板原料主要为软针,阔叶树材的小径木,速生问伐材如桉树,杉木,杨木间伐材等,内部构造一般是由3层相互垂直的木片组成,具有线膨胀系数小,稳定性好,材质基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578075)十一五国家科技支撑计划项目(2006BM04A0210)收稿日期:20100506作者简介:严帅,男,1983年生,江苏南京人,硕士研究生.地址:南京市浦口区浦珠南路30号南京工业大学江浦校区802032,电话E-nlail:.均匀,握螺钉力较高等优点.由于其刨片是按一定方向排列,它有纵向强度比横向强度大得多的显着特点.SIP板可以方便的进行锯,砂,刨,钻,钉,锉等加工,是建筑结构用的良好材料,所以制造商常把它用作SIP的面板.1.1.2芯材的选择按照ASTMC578中对SIP芯层材料的要求,经过对比不同密度的聚苯乙烯泡沫,聚氨酯泡沫塑料和其它一些轻质泡沫材料后,选择模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPs)作为SIP构件的芯材.聚苯乙烯泡沫塑料在国外是最常用的一种结构保温板芯材.它具有节能效果好,质量轻,价格低,易切割和生产工艺简单等优点,其中EPS的热稳定性最好,热变形量为0.5%左右,比XPS或聚氨酯泡沫都要小,可以选择100mm厚模塑聚苯乙烯泡沫(EPS)作为制备SIP的芯材.1.1.3胶粘剂的选择按照ASTMD2559pj的要求选择胶粘剂.国外SIP主要选用聚氨酯类胶粘剂,这种胶粘剂在使用时需蒸汽压力机热压后才能达到较好的粘结效果,考虑到适用条件,对于胶粘剂的选择定位在室温冷压即可达到粘结效果的胶粘剂上.通过对比试验和查阅资料最终选择双酚A环氧树脂作为制备SIP的胶粘剂,并且取得了较好的粘结效果.1.2结构保温板的制备1.2.1材料原材料:15mm厚杨木胶合板,15mm厚定向刨花板,双酚A环氧树脂.工具设备包括:各种木工加工机械,电阻丝,变压器,刷子,手套,拼板机等.NEWBUILDINGMATERIALS?35?严帅,等-SIP板式结构住宅体系1.2.2制备过程(1)面板的加工.使用木工机械将面板加工至所需尺寸.为增加面板与芯材的粘结和使面板表面平整,在面板切割完成后采用砂光机对面板表面进行清理磨光.(2)芯材的加工.使用电阻丝切割器械将聚苯乙烯泡沫切割成所需尺寸,切割过程应匀速缓慢,电阻丝热度适中,保证芯材各平面平整,尺寸准确.(3)按比例将双酚A环氧树脂配合搅匀后,用刷子和刮胶板均匀涂刷在面板内侧,涂胶量为250g/m.(4)涂胶完成后,按构造方式将面板和芯材叠合并预压,达到一定粘结强度时,将叠合板放置于拼板机上静压,静压强度为30kPa,静压过程中环境温度为(235),静压时间为48h.1-3SIP板的优势SIP板是一种轻质复合板材,不仅可以满足建筑物屋面,墙面围护结构防风,防雨,保温隔热,防腐蚀,耐久的基本要求,而且具有良好的装饰性,与传统木结构形式相比,是一种非常理想的轻型建筑板材.SIP板的优势还体现在:(1)SIP板可用于承重墙体结构,强度高而质轻,隔声,保温性能好,具有良好的抗震性能.(2)SIP板便于现场拼装,且实现了标准规格,安装简捷:易于实现生产工业化,标准化和施工机械化,从而确保了工程质量;并且由于SIP安装简便,安装时不需要特殊的技术工人,比梁柱结构的木建筑降低安装成本;工期比传统木结构建筑短.(3)SIP板不含有毒气体,采用可循环再造,不污染环境的材料制成,有利于保护生态环境.2SIP板式结构体系SIP板式结构住宅体系是以SIP承重外墙板,SIP承重内墙板,SIP楼板,SIP屋面板为主要承重构件,并配以混凝土基础,采用面板钉连接,骨架钉连接等节点连接方法形成的一种装配整体式结构(见图1).图1SIP板式结构住宅体系?36?新型建筑材料2010.82.1SIP板式结构住宅墙体(1)非承重墙体采用集保温,隔声为一体的轻质非承重SIP板,墙内外可做装饰处理.(2)承重墙体SIP承重墙板是该体系的核心.该墙板由保温,隔声芯材以及外覆面板组成.其中保温,隔声材料采用不同厚度的聚苯乙烯泡沫板或高密度聚氨酯发泡板;外侧为18mm厚的OSB板采用环氧树脂双面粘接而成,从而形成整体承重墙板,板件连接处的竖向木龙骨实际上是复合墙板的边框,对墙板形成约束作用,以提高承载能力和整体性能_引.在北美,SIP木结构房屋非常普遍,其保温节能,环保,舒适,结构灵活性等方面有着传统结构不可比拟的优越性.木结构房屋最大的优越性在于其保温性好,另外,SIP结构房屋在抗强风,防火,防白蚁,隔声等方面都有技术上的保证.2.2SIP板式结构住宅建筑楼面SIP板可以直接作为住宅的楼板,但是厚度较外墙要稍厚,一般为200mm左右.由于OSB平面内强度较大,满足传递水平的要求;也可在底层SIP墙体上架设木格栅或木梁之后再铺设SIP楼板,使楼面可以承受更大的荷载.但实际工程中运用SIP作为楼板的并不多.据统计41,2006年美国新建工程中,SIP的使用达到了387万m,其中55%用于墙板,42%用于屋面,而用于楼板的只占3%.2.3SIP板式结构住宅建筑屋面屋面多采用坡屋顶做法151.在集承重和保温为一体的复合屋面板上做各种防水层,即形成屋面体系.SIP屋面板在结构设计上突出了其节能的特点,在继承以往夹芯板隔声,保温,轻质等优点的基础上,增加了中部聚苯乙烯芯板的厚度,提高了屋面板的保温性能.鉴于目前新的节能标准,SIP屋面板将会得到不断的推广和应用.2.4SIP板式结构体系的特点以国外的试验研究及工程应用看到,SIP板式结构住宅体系与其它建筑结构相比具有以下特点:2.4.1建筑设计优点(1)满足目前商品住宅市场化的要求能够满足住宅结构对开间,进深的要求,并且可以根据用户的要求进行房间的布置设计.当计算整面墙时,SIP的保温隔热优势更加明显,因为SIP本身具有承载能力,不需要梁柱作为结构件,所以不存在冷热桥16,其整体结构,热工,隔声,耐火等各项指标均能符合现行规范的要求.严帅,等:SIP板式结构住宅体系SIP墙板集承重,保温为一体,自重轻,墙体薄,而且室内不出现明柱,比其它墙体住宅增加使用面积约8.5%m.采用SIP技术的房屋楼板,水电管线可以在SIP内部安装,减少管道的构造厚度,增加了室内净高.同时对于安装管线开槽后的修补也很方便,采用粘结剂粘结EPS小块板和OSB板即可,也可以采用发泡剂填充.实现了住宅产业现代化.预制构件产品的生产工业化,产品标准化,系列化,施工装配化,确保了施工工期比传统砌筑节省57%Is.(2)可满足低层住宅的功能要求厨房,卫生间的做法与普通砖住宅的做法相似,卫生间结构层在本层内降低300mm,便于维修.(3)可满足建筑设计的外檐要求SIP墙板的板型能够满足建筑造型设计的需要.外檐可根据建筑设计的不同要求进行装修.2.4.2结构设计优点SIP板式结构住宅体系,将预制的SIP板构件结合成一整体装配式结构.用于民用住宅建筑物以外,还被广泛应用到许多其它建筑形式,在各种荷载作用下能保证结构安全可靠.模型分析表明,其结构整体性和抗震性能比较优越,由SIP板式构件和设计连接节点构成的板式结构房屋,具有整体性好,可靠度高,质轻,抗震性能优越,节能环保和高舒适度等特点.3SIP板式结构住宅体系的研究现状为了使SIP板式结构住宅体系能够在我国推广,必须对其各项性能进行研究,对其结构形式,构造做法进行改进.目前结构保温板技术已经在北美,日本等国家和地区得到大量应用.在美国,由于1970年的能源危机,SIP技术得到了迅猛的发展,但直到1990年SIP技术才被接受和广泛应用于民用建筑.因此,关于SIP的试验数据和研究工作多是近20年内完成的.3.1SIP力学性能研究在力学性能上,SIP属于复合材料夹层结构,这种结构形式的概念最早于1820年由Delau提出,其工程应用起源于20世纪40年代,最初以桃花心木为面板,轻木为芯材,用作飞机的机翼,后来又出现了各种面板和芯材的夹层结构,主要用于航天业和造船业.从结构保温板力学研究的进展来看,美国木业联合会(APA)于1990年通过试验研究发表了他们对于SIP墙板的研究成果,介绍了木基结构SIP板的基本设计方法.StevenBTaylort】于1997年进行SIP构件的试验研究,建立了定向刨花板面板,聚氨酯泡沫板和聚苯乙烯泡沫板芯的SIP的受弯蠕变模型,推导了SIP受弯构件挠度随时间变化的公式.EdwardLkeith,PE【21于2006年制备了4种厚度的SIP试件,并做了抗弯,轴压,剪切和侧压试验,在APA发表了关于SIP标准化测试的报告,规定了对于SIP面板,芯材和胶粘剂的要求指标.TamamiKawasakiI于2006年利用胶合板和密度板作为面板,聚氨酯泡沫作为芯材制备了6种不同密度的SIP受弯构件,并通过试验研究对面板和芯材给出了优化选择方法.AbdyKermani于2006年对采用定向刨花板作为面板的SIP进行了一系列的研究,包括抗弯试验,轴压试验,压弯试验和抗侧试验,并总结了高度对轴向承载力的影响和开洞率对结构保温板抗侧力的影响,并将他的试验结果与按照欧洲木结构规范推导出的理论结果进行了对比.目前南京工业大学一直致力于该结构体系的研究,包括SIP的抗弯,抗剪性能,并根据试验结果分析总结了SIP的相关力学性能.主要工作如下:(1)对SIP的保温特性进行了专门研究,测试表明其热阻较大,能够达到良好的保温效果.并推导了基于节能保温要求的最佳芯层厚度,为SIP的选用提供了参考数据.(2)通过对SIP抗弯试件进行的4点弯曲试验,揭示了这类构件的破坏形态,并对其受力性能,破坏机理进行了探讨.在此基础上,推导了SIP受弯构件的强度和刚度计算方法.同时,将成品价格设为优化目标,以弯曲刚度为控制条件,给出了受弯构件面板和芯材的最佳厚度.(3)对SIP试件进行了轴压试验,推导了SIP最大轴向承载力,最大竖向位移的计算方法,确定了杨木胶合板作为SIP轴压构件面板的可行性.(4)通过对SIP抗侧试件进行的试验研究,揭示sIP在承受侧向力时的破坏形态.试验研究表明,当采用杨木胶合板作为SIP面板时,最大侧向承载力要大于定向刨花板,但当层间位移小于H/150时,后者刚度要高于前者.3.2SIP板式结构抗震性能研究目前国外对SIP板式结构的抗震性能却少有研究涉及,而国内对此研究仍处于空白状态.美国木业协会对SIP进行了动力性能的试验研究,取得一定的研究成果,于2007年发表了SIP动力性能分析的白皮书,总结了高度对承载力的影响以及开洞率对SIP墙体承载力的影响,并提出了面板与芯材的应力计算公式.JaredBernardJamison61于1997年进行了23片足尺SIP剪力墙的低周反复荷载试验,剪力墙采用了4种不同的构造NEWBUILDINGMATERIALS?37?严帅,等:SIP板式结构住宅体系设置,通过试验来研究SIP在低周反复荷载下的结构性能,并把结果与轻型木结构墙体作了对比.研究表明,SIP剪力墙在承受较大的荷载下变形比轻木结构胶合板剪力墙小50%.同时还发现不同类型的面板在剪力墙的变形和强度方面起着重要的作用.因此,对于SIP板式结构住宅体系还有许多有待解决的问题,对墙板以及结构的抗震性能和破坏特征需要进行深入的分析和研究.南京工业大学拟进行SIP板式结构在低周反复荷载作用下的试验,研究其在地震作用下的破坏形态,延性性能,耗能能力,求得结构的刚度和承载力退化等参数,分析研究结构构件的破坏形态和破坏机理.具体有以下几个方面:(1)构件的承载力包括单调荷载墙体的屈服,极限承载力,循环荷载下承载力的退化;(2)滞回耗能特性包括滞回环的形状,滞回环的面积及刚度退化;(3)构件的破坏,主要是钉子的破坏形式,变形能力以及恢复力特性等受力特性.连接引起的面板与墙骨问摩擦力对抗震性能的影响【l8l.4.1.2加载装置及加载制度本次试验采用的加载装置见图2.水平加载为作动器控制,而竖向荷载采用悬挂质量块的方式来真实有效的模拟木结构墙体的实际受力情况.水平荷载作用在墙项部钢梁上,然后通过钢梁把力传至剪力墙项梁板,然后再逐级传递.本次试验采用的加载程序是ISO一16670位移控制加载程序.试验取用单向荷载试验所确定的极限位移作为控制位移,先采用峰值位移为控制位移的1.25%,2.5%,5%,l0%三角形波依次各进行1次循环,再采用峰值位移为控制位移的20%,40%,60%,80%,100%和120%三角形波依次进行3次循环后终止试验,位移速率为5mm/s.(4)根据SIP墙体的受力特性,建立其简化计算模型,对SIP墙体进行非线性有限元分析,结合有限元计算结果分析该类墙板的承载力特点,评价SIP板式结构住宅抗震性能的优劣./1,4SIP剪力墙的抗震性能试验研究.4.1试验概况4.1.1试件设计本次试验的试件参照美国ASTM标准及木结构设计规范进行设计,考虑墙体高宽比和开洞率的不同组合,按照ASIME564规定,用于试验的构件应该与实际工程中的构件,尽量一致.因此,试验中使用的材料和制造工艺均参考国内最普遍的工程做法(见表1).表1剪力墙试件编号编号WlW2W3W4W50剪力墙尺寸,m1.8x1.21.2x1.21.2x1.2x1.2高宽比2:31:13:22:31:1注:开O.6mx1.05m洞I21;开0.6mxO.6m洞口.本次试验中所有剪力墙试件均为无墙脚锚栓试件.此外,由于竖向荷载对于墙体侧向承载力是有利的旧,因此,本批试验未计算活荷载,偏于保守地仅取用恒荷载作为竖向荷载.竖向恒载取用2.5kN/m,该荷载约相当于传统木结构房屋底层墙体所承担的恒载值.所有的剪力墙试件在加工好以后,均在常温下放置于室内一个月后开始进行试验,以消除钉子?38?新型建筑材料200.8图2试验装置试验结果及分析主要试验结果见表2.表2墙体低周反复荷载试验主要结果由表2司知:(1)墙体W1的最大承载力较W2提高l01.9%,较W3提高162.2%;墙体W2的最大承载力较W3提高29.9%.说明墙体高宽比越小则墙体的最大承载力越大.相对的有无开洞墙钵最大承载力对比中,反复荷载下wl墙体极限荷载较W4提高124.7%,W2较w5提高4.1%.这也说明了洞口会较大地影响墙体的承载能力.(2)剪力墙wl的极限位移较W2,W3小,而剪力墙W3的极限位移最大,而有洞口的墙体(W4,W5)的极限位移也相对较大.门洞尺寸影响墙体极限位移的原因在于墙肢长细比严帅,等:SIP板式结构住宅体系A(A=H/L)的变化(不开洞,开孔洞试件的长细比依次为0.67,1.0,1.5,1.0,2.0).墙肢的长细比越大,墙肢变形越趋向于弯曲型变形,其极限位移也越大.反之,则墙肢趋向于剪切变形,墙体的极限位移就越小.相比W2及W1,剪力墙W3大大提高了试件的极限位移,分别提高了15.8%和23.0%.这表明墙体的极限位移与高宽比成正比关系,高宽比越大其极限位移越大.5SIP板式结构的发展展望SIP产品在欧美等地被广泛用于住宅和商业建筑物的墙壁,地板,屋顶等,是一种正在兴起的建筑潮流.2002年,北美以及环太平洋有80多个国家和地区的SIPS制造商汇集一堂,研讨,交流消费者的需求和行业发展.如今,国际SIP组织SIPA已经在美国成立,SIP的应用和推广得到进一步普及,正成为住宅,商用房屋,活动房屋等建筑的一大流行趋势.SIP建筑不需要框架,建设速度快,保温性能好,被称为未来的建筑方式.SIP板式结构住宅体系整套构件和结构的试验研究及理论分析,实现了承重,保温,隔热,隔声一体化和构件产品工厂化,标准化,系列化生产,装配化施工,具有创新性.通过进一步工程试验,进行静力测试,动力测试和物理性能测试,总结和完善SIP板住宅体系,并编制出设计与施工规程,SIP板会不断地得到推广和应用.SIP板的主要发展应用方向包括:(1)采用承重型SIP墙板和屋面板,楼板构成全SIP板承重的新型建筑体系,替代传统的砖混结构,建造住宅,办公楼,度假村精致小屋,移动组合式别墅,楼顶建筑等.(2)SIP墙板还可用于轻钢结构建筑体系中,采用承重,非承重型SIP板替代各种砌块墙及现浇混凝土楼板,屋面板构成节能型新型框轻体系,并在楼房加层改造及外墙,阳台节能改造方面具有独特的优势.随着我国墙体材料改革的发展,SIP墙板以其优良的节能特性,具有很高的推广价值和广阔的应用前景.参考文献:【1】MihhaelMorley.Buildingwithstructuralinsulatedpanels【M.American,2000.2】ASTMD2559,Standardspecificationforadhesivesforstructurallaminatedwoodproductsforuseunderexterior(wetuse)exposureconditionsS.3】AbdyKermani,RobeHairstans.RackingperformanceofstructuralinsulatedpanelsJ_J.Struct.Engrg.,2006(132):1806.【4】BorjenYeh,ThomasWilliamson,EdwardKeith.DevelopmentofstructuralinsulatedpanelstandardsG.Structures,2008:CrossingB0rders.5】加拿大木业协会.中国轻型木结构房屋建筑施工指南【M,2004.【6】MarioAMedina,JenniferBKing,MengZhang.Ontheheattransferratereductionofstructuralinsulatedpanels(SIPs)outfittedwithphasechangematerials(PCMs)们.Energy,2008,33(4):667678.【7】MichaelAMullens,MohammedArif.Structuralinsulatedpanels:impactontheresidentialconstructionprocessJ.JournalofConstruetionEngineeringandManagement,2006,132(7):786-794.【8】Burwell,Jerry.BuildingsystemforlowcosthousingJ】.ProceedingsoftheSPIAnnualTechnical/MarketingConference,1984:207213.【9】Rainer,JH,KaracabeyliE.Performanceofwood-framebuildingconstructioninearthquakesG.Canada,1999.【10】GB5001120o1,建筑抗震设计规范【S.【11】StevenBTaylor.Modelingstructuralinsulatedpanels(SIP)flexuratcreepdeflectionm.JournalofStructur