鋼筋桁架疊合樓板若干問題研究

任 彧

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

疊合結構，一般分為工廠預制與現場澆筑兩部分。它是在預制構件上現場澆筑混凝土而形成的裝配整體式結構，應用在樓蓋結構上優點特別突出。最初為了解決大型異形預制構件的安裝和現澆結構高空支模等施工問題而產生的混凝土疊合結構，在經過長時間的研究和分析，最終發展成為構件預制和現澆工藝相結合的新型裝配整體式結構。

疊合樓板的優點是顯而易見的：

(1)預制構件在工廠進行生產，構件的質量更容易保證；

(2)生產用鋼?？梢匝h利用，預制樓板在施工現場可以作為現澆的底模，簡化了模板工程；

(3)預制樓板的體積小、重量輕、運輸和吊裝方便；

(4)相比于壓型鋼板組合樓板，裝配整體式疊合樓板的工程造價低，而且可以避免金屬構件的腐蝕問題。

目前，裝配式建筑的推廣已經成為我國的產業政策，疊合樓板作為裝配式樓蓋的重要組成部分得到了廣泛的應用。由于我國在該領域的工程實踐經驗尚不豐富，需要在安全性、經濟性和工藝性方面結合國情開展研究。

1 鋼筋桁架疊合樓板的發展

鋼筋桁架疊合樓板，起源于20世紀60年代的德國，采用在預制混凝土疊合底板中預置三角形鋼筋桁架，現場鋪設疊合樓板后澆筑現澆混凝土，形成整體受力的疊合樓蓋，如圖1所示。德國Filigran公司發明了鋼筋桁架，并聯合漢堡大學、德雷斯頓大學等科研單位，對鋼筋桁架疊合樓板進行了大量研究，解決了如何實現雙向疊合樓蓋、疊合板裂縫分析及對策等問題，最終形成德國的行業標準，對鋼筋桁架疊合板的全球應用產生了深遠的影響[1]。

圖1 鋼筋桁架疊合樓板

與我國傳統不帶桁架鋼筋的預制疊合平板相比，桁架鋼筋的引入增大了預制構件的剛度，在吊裝和施工階段，可以減少預制疊合底板的變形，提高了其承受施工荷載的能力，簡化作業工序，降低勞動強度，具有一定的技術優勢。

2 鋼筋桁架疊合板的拼縫形式

由于運輸條件的限制，尺寸較大的預制板塊需分割成若干塊板片在現場進行拼裝。根據中國行業標準JGJ1-2014的相關規定，疊合樓板可以使用圖2所示的3種預制方案[2]。

(a)密拼縫疊合板(b)整體式接縫疊合板(c)無接縫雙向板1-預制疊合板；2-梁或墻；3-板側分離式接縫；4-板端；5-板側；6-板側整體式接縫圖2 預制板布置形式示意圖

密拼縫疊合板的非出筋側的構造如圖3所示，由于板底鋼筋的非連續，如果現澆層厚度較小，可以偏安全地假定接縫處不能傳遞彎矩。但是應注意到，由于現澆混凝土面層的存在(國標要求不小于60mm)，使得拼縫兩側的預制板的撓度仍能保持一致。因此，在拼縫兩側的板片間可以變形協調，并實現共同受力。綜上所述，采用密拼縫的疊合樓板受力既不同于現澆雙向樓板，也不同于傳統單向傳力的預制空心樓板。

1-后澆混凝土疊合層；2-預制板；3-附加鋼筋；4-后澆層內鋼筋圖3 密拼縫疊合樓板構造示意圖

3 密拼縫疊合板的有限元分析

為研究密拼縫疊合樓板的受力特點，利用SAP2000建立有限元計算模型。計算條件如下：混凝土強度等級C30，板塊尺寸為4m、5m，板塊厚度為140mm，邊界條件為四邊簡支，均布加載。該算例涵蓋了在住宅項目中通常會出現的板塊尺寸。

分別計算了整體式板(A型)、單拼縫板(B型)，雙拼縫板(C型)等3種情況。接縫處采用SAP2000的束縛單元[3]，假定接縫兩側的平動位移一致，角位移獨立，以模擬接縫處的實際變形情況。

由圖4所示的計算結果可知，3種板塊的整體變形模式均為鍋底型，拼縫的存在使得樓板跨中的變形大約增加20%。

由圖5所示的計算結果可知，3種板塊在主受力方向的彎矩分布模式也極為相似，拼縫的存在使得跨中彎矩大約增大17%。

由圖6所示的計算結果可知，計算模型中拼縫處的豎直方向彎矩My均為零，反映了密拼縫構造的主要受力特點。各板塊在與拼縫垂直方向各自獨立受彎。

(a)無接縫板(b)單拼縫疊合板(c)雙拼縫疊合板圖4 SAP2000位移計算結果(單位:mm)

(a)無接縫板(b)單拼縫疊合板(c)雙拼縫疊合板圖5 SAP2000的Mx計算結果(單位:N-mm)

(a)無接縫板(b)單拼縫疊合板(c)雙拼縫疊合板圖6 SAP2000的 My計算結果(單位:N-mm)

4 密拼縫疊合板的簡化計算

通過對前述的有限元計算結果進行分析，不難發現，密拼縫疊合樓板為局部各向異性板，拼縫的數量及位置對于板塊的變形和內力均有影響。從工程應用的角度，在施工圖設計階段往往不能最終確定拼縫的數量。因此，需研究簡便可行的、符合工程精度要求的簡化算法?？紤]到接縫對于板塊性能的實際影響，可以將接縫垂直方向的樓板抗彎剛度折減為零，使得板塊在抗彎剛度上呈現出正交各向異性的性態。以下將符合該假定的板計算模型稱為正交異性板。

為研究簡化算法，按照前述的幾何和荷載條件，分別建立了單向板、正交各向異性板和雙向板的SAP2000模型，計算結果如下：

由圖7所示的計算結果可知，單向板的撓度最大，正交異性板次之，雙向板撓度最小，正交異性板的變形模式與雙向板相似。三者的最大位移比約為2∶1.5∶1。

由圖8所示的計算結果可知，單向板的彎矩最大，正交異性板次之，雙向板最小，正交異性板的內力模式與雙向板相似。三者的最大彎矩比也為2∶1.5∶1。

由圖9所示的計算結果可知，單向板和正交異性板豎直方向的彎矩My均為零，符合預期的性能。

圖10～圖11的結果顯示，正交異性板的計算位移和內力與各種拼縫的精確模型相比，分布模式相近，結果略偏于安全(撓度偏大約18%，內力偏大20%)。

綜上分析，可以得出結論：抗彎剛度正交異性板可以用于密拼縫疊合樓板的內力分析，結果略偏于安全。

(a)單向板(b)正交異性板(c)雙向板圖7 SAP2000位移計算結果(單位:mm)

(a)單向板(b)正交異性板(c)雙向板圖8 SAP2000的Mx計算結果(單位:N-mm)

(a)單向板(b)正交異性板(c)雙向板圖9 SAP2000的My計算結果(單位:N-mm)

(a)單拼縫疊合板(b)雙拼縫疊合板(c)正交異性板圖10 SAP2000的位移計算結果(單位:mm)

(a)單拼縫疊合板(b)雙拼縫疊合板(c)正交異性板圖11 SAP2000的Mx計算結果(單位:N-mm)

5 密拼縫疊合板的接縫變形討論

考慮到在現澆層內放置電氣管線的需要，目前我省應用的鋼筋桁架疊合板通常選擇70mm現澆層+70mm預制板的方案。密拼縫處的樓板厚度為樓板總厚度的一半。

根據現行國家規范的規定，住宅房間的使用活荷載標準值為2.0kN/m2，考慮室內裝修的附加恒荷載可取為1.5kN/m2。對于70+70的疊合樓板，豎向工況下的荷載設計值為8.8kN/m2。

70mm厚C30素混凝土板的抗剪強度為0.07fcbh0=60kN。按照最保守的簡支單向板計算，對應前述的載荷條件，板跨需達到60×2÷8.8≈13.6m時，樓板才會達到抗剪極限狀態。因此，在住宅工程中使用70+70的疊合樓板，可以確認：現澆區不會發生剪切破壞；在豎向荷載作用下,密拼縫兩側的疊合樓板不會發生垂直方向的位移差。

由于密拼縫的存在，在豎向荷載作用下，接縫兩側的疊合板轉角是不連續的。但是，樓板在荷載作用下的角位移相對樓板的撓度是二階量，由角位移差引起的接縫兩側的水平變形在工程精度上可以忽略不計。以本文第3節中給出的單拼縫板為例，有限元計算顯示的接縫兩側的角差為7.3×10-4，以全板厚140mm計算，由于接縫角差造成的板縫水平變形為0.1mm。需要指出，以全板厚計算變形是相當偏于安全的處理；同時，有限元算例是完全忽略接縫處的抗彎剛度。因此，實際的板縫水平變形要顯著小于0.1mm。

綜上所述，在住宅工程中應用密拼縫疊合樓板，如果跨高比不超過1/30，無需擔心在使用階段由于加載引起的拼縫處裂縫開展。

6 密拼縫疊合板的接縫處理

由于拼縫的存在，可能使得溫度裂縫集中產生，需對安裝形成的板塊接縫進行封閉處理，以滿足裝飾方面的需求。因此，封閉處理后的拼縫構造應有足夠的延展性，以適應溫度變化引起的變形，避免裝飾層裂縫的出現。

密拼縫的板縫處理(圖12)分為兩個步驟：(1)疊合板安裝到位后，水電管線及鋼筋施工前進行板頂的板縫處理；(2)拆模后的板底板縫處理。

(1)板縫處理Ⅰ(板頂)

處理流程：①接縫寬度確認→②縫隙填塞泡棉條→③安裝附加鋼筋。

主要施工方法：

①接縫寬度確認

單向板板縫寬度，根據設計要求，應控制在5mm左右。

②縫隙填塞泡棉條

泡棉條采用圓形泡棉條，直徑為9mm(比板縫寬4mm左右)、采用三元乙丙橡膠發泡而成，耐候性、抗老化性能良好。施工時采用手工方式填塞泡棉條，以防止填縫砂漿漏漿。

③安裝附加鋼筋

在接縫處緊鄰預制板頂面處，設置垂直于板縫的附加鋼筋。

圖12 密拼縫的板縫構造示意圖

(2)板縫處理Ⅱ(板底)

處理流程：①基層處理→②彈性材料填縫→③第一道膩子施工并粘貼玻纖網格布→④后續膩子施工刮平。

上述工法在德國、法國、日本等國應用多年，獲得了很好的效果，是各國主流的預制樓蓋施工方法，如圖13所示。從2008年開始，密拼縫疊合樓板在我國也有廣泛的應用。圖14給出了2009年竣工的合肥濱湖保障房實驗樓多年使用后的實景照片，并未出現沿樓板拼縫處開裂的情況。

(a)德國疊合樓板現場圖(b)日本預制建筑協會指南配圖圖13 國外的疊合樓板

圖14 密拼縫疊合樓板竣工多年后的實景圖

困擾我國工程界多年的砌體墻與結構梁水平接縫的處理問題，在使用了以益膠泥為代表的水泥基防水粘結材料和以玻纖網格布為代表的加勁材料后，得到了很好的解決。密拼縫疊合樓板的接縫兩側是同種材料，而且位于溫度變化相對較小的室內，同時又無陽光直射造成的UV老化的顧慮，基本條件較外墻的水平接縫要有利得多。因此，在綜合應用現有的成熟的接縫處理技術后，密拼縫疊合樓板可以實現與全現澆樓板相同的使用性能。

采用四面出筋的“整體式接縫構造”拼縫做法，不但構件生產運輸難度大、現場安裝困難，而且由于后澆帶處經常出現漏漿，使得新舊混凝土結合面難以保證質量，大量工程的拼縫部位由于表面不平整，往往需要二次打磨，操作難度很大，如圖15所示。

7 結語

鋼筋桁架疊合樓板可以減少預制疊合底板的變形，提高了承受施工荷載的能力，可簡化作業工序，降低勞動強度，具有一定的技術優勢。密拼縫疊合樓板生產便捷，安裝方便，在采用合適的接縫處理技術后，可以實現與全現澆樓板相同的使用性能。具有一定厚度現澆層的密拼縫疊合樓板并非單向板，抗彎剛度正交異性板可以用于內力分析。

圖15 整體式接縫構造現場照片