被动式低能耗建筑岩棉外保温系统在风荷载与地震作用下的安全性分析

1 引言

为响应国家节能减排的战略方针，被动式低能耗建筑成为我国建筑发展的一个重要方向。目前我国有不少被动式低能耗建筑的成功案例，这些案例中大多采用石墨聚苯板作为其主要保温材料，但以该种材料为主要保温材料的保温系统的防火性能难以达到《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）[1]的要求。而岩棉以其优良的防火保温性能成为高层被动式低能耗建筑外保温的优选材料。不可否认，岩棉也存在一些自身材料性能缺陷，比如其容重较高、单平米保温系统的重量较大，开孔的纤维类结构、板材没有足够的整体性和刚度、抗折和抗冲击性能较差等。这对于岩棉外保温系统用于高层建筑、抵抗风荷载及地震作用带来不利影响。本文就寒冷地区高层被动式低能耗建筑岩棉外保温系统在风荷载和地震作用下的安全性进行分析。

2 岩棉外保温系统的介绍

按照设计需求，寒冷地区被动式低能耗建筑的岩棉保温层厚度约250mm~300mm。国内研究表明（复合）岩棉条（带）或岩棉板应采用粘锚结合的方式进行固定[2]，该保温系统的构造图如图1所示。

图1 岩棉外保温系统构造

3 岩棉外保温系统的荷载分析

3.1 风荷载效应

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[3]，围护结构的风荷载可采用下式计算：

假定建筑所处地的地面粗糙度类别为B类，风荷载计算点高度为100m。相应的计算参数取值见表1。

表1 风荷载计算参数取值

各基本风压下维护结构的最大负风压见表2。

表2 岩棉外保温系统的风荷载标准值（kN/m2）

3.2 地震作用效应

《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）（2016年版）规定非结构构件的地震作用计算可采用等效侧力法，水平地震作用标准值宜按下列公式计算[4]：

表3 地震作用参数取值

水平地震作用影响系数的最大值αmax与当地的设防烈度有关，其取值见表4。

表4 水平地震作用影响系数最大值

注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。

岩棉外保温系统中岩棉的密度为125kg/m³~130kg/m³，厚度为300mm；外侧抹面层和饰面层的密度约1800kg/m³，总厚度约为8mm，则该系统每平米的重量约为534N，不同设防烈度下多遇地震对应的地震作用见表5。

表5 多遇地震下岩棉外保温系统的地震作用标准值（kN/㎡）

4 岩棉外保温系统的安全性评价

4.1 岩棉外保温系统的安全需求

欧洲技术认证准则ETAG 004《EXTERNAL THERMAL INSULATION COMPOSITE SYSTEMS(ETICS) WITH RENDERING》中规定，进行外保温系统的联结安全性核算时，以粘为主则不考虑锚栓锚固的作用。张昭瑞等在其文章[5]中指出以粘为主时外保温系统的安全系数取10左右，安全系数的影响因素包括施工、老化、材料受潮等。安全系数的计算方法见公式3，各参数取值见表6。

表6 以粘为主时外保温系统的安全系数取值

根据《建筑抗震设计规范》的相关规定，一般结构可不进行风荷载与地震作用效应的组合计算，因此取风荷载与地震作用效应的最大值进行分析。对比风荷载效应（见表2）和地震作用效应（见表5），该系统所承受的最大水平作用效应为4.2kN/m2，其在荷载作用下的安全需求为：

4.2 岩棉外保温系统的安全评价

本系统在水平荷载作用时，薄弱环节存在于以下部位：粘结层与基层墙体间的界面、粘结层与岩棉条（带）间的界面、岩棉条（带）自身、岩棉条（带）与找平层间的界面。

国内现行标准中对于各界面粘结强度及材料的自身抗拉强度的要求见表7。

表7 国内现行标准对各界面和材料自身强度性能指标的规定

粘结层与基层墙体的粘结强度及粘结层与岩棉条（带）的粘结强度应考虑实际粘结率的影响。实际工程当中满粘时粘结率不小于80%，按粘结率为80%考虑，粘结强度指标分别为：

上述分析表明在满粘情况下粘结层与基层墙体的粘结界面及粘结层与岩棉条（带）的粘结界面在考虑80%的粘结率后的粘结强度、岩棉条（带）自身的抗拉强度、岩棉条（带）与找平层的粘结强度均大于系统在风荷载和地震作用下的安全需求42kPa。而岩棉板自身抗拉强度较低，不宜用于外墙保温系统。

5 结论

（1）本文分析了被动式低能耗建筑岩棉外保温系统在风荷载和地震作用下的作用效应。

（2）对风荷载和地震作用下该系统的各界面及材料自身的安全性进行了分析。分析结果表明，该系统在水平荷载作用下粘结层与基层墙体的粘结界面考虑粘结率后的粘结强度、粘结层与岩棉条（带）的粘结界面考虑粘结率后的粘结强度、岩棉条（带）的自身抗拉强度及岩棉条（带）与找平层的粘结界面抗拉强度在材料质量和施工质量满足标准要求的情况下，均可满足安全性要求。

（3）岩棉板自身抗拉强度明显低于外保温系统在风荷载作用下的系统安全需求42kPa，不宜用于外墙外保温系统。

参考文献：

[1]GB50016-2014建筑设计防火规范[S].

[2]孙立新,周辉,冯金秋,等.粘结与锚固对岩棉板薄抹灰外墙外保温系统抗风荷载性能影响的试验研究与分析[J].建设科技,2016(11):18-20.

[3]GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].

[4]GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S].

[5]张昭瑞,谢锋,蔡倩,等.岩棉外墙外保温系统的联结安全性研究及工程实践[J].墙材革新与建筑节能,2015(10):62-65.

[6]JG/T483-2015岩棉薄抹灰外墙外保温系统材料[S].

[7]GB/T25975-2010建筑外墙外保温用岩棉制品[S].

作者

河北三楷深发科技股份有限公司 马国栋 刘立朋 陈占虎

山东省建筑科学研究院 曹杨

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