新型蜂窩全預制免撐樓板研究*

預制裝配式混凝土結構是建筑工業化結構體系之一，也是目前國內推廣應用最廣泛的結構體系之一。樓板作為結構的重要組成部分，將樓層的恒荷載、活荷載傳遞給各抗側力構件。預制樓板一般分為濕式樓蓋、干式樓蓋和混合式樓蓋，濕式樓蓋和混合式樓蓋因存在現澆式樓蓋的部分缺點，限制了預制混凝土技術的推廣與應用[1]。干式樓蓋保留了預制式樓蓋的優點，但干式樓蓋在連接方式和抗震設計方法方面缺乏成熟的理論，給其使用和推廣帶來困難[2]。本文研究并創新了一種免支撐免模高效樓蓋，在工程設計前期就考慮優化預制構件連接做法，盡量減少甚至免除支撐立桿數量，簡化支架搭設工藝，免除或減少濕作業模板，有利于降低構件安裝成本和難度，提高構件安裝質量，縮短裝配式工程吊裝與施工時間，對于提高裝配式建筑品質和質量、推進裝配式建筑行業可持續發展具有參考價值。

1 蜂窩型全預制樓板概述

蜂窩型全預制樓板在預制板中部設置了一定規則排布的混凝土支墩，支墩與上下板面形成空腔，空腔尺寸需滿足管線穿插布置要求，考慮多根管線并行及跨越，空腔尺寸為50mm×200mm，同時對蜂窩預制板下部板四周進行出挑，以滿足管線在后澆區轉折和鋼筋錨固要求，為便于生產加工，在保證板內空腔和支墩尺寸不變的前提下，根據不同板跨對出挑長度進行可變調整，出挑長度控制在100～250mm，蜂窩全預制樓板結構及節點如圖1～5所示。

圖1 蜂窩型全預制樓板三維結構剖面立面

圖2 蜂窩全預制樓板結構

圖3 密拼接縫（板底縱筋間接搭接）

圖4 中間梁支座連接構造

圖5 邊支座連接構造

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

針對蜂窩型全預制樓板施工工況及使用階段進行有限元分析，其中混凝土為C30，本構模型采用損傷塑性模型[3]，鋼筋為HRB400，采用各向同性彈塑性材料模型。應用“Embeded”命令將鋼筋單元嵌入混凝土單元以模擬混凝土與鋼筋的黏結。

施工階段分析板寬取1．8m，根據結構自重不同進行荷載施加，施工荷載取值為1．5kN/m2，板支座端分別設置2個角鋼支撐件，支撐件與板底面和預制梁建立摩擦接觸關系，對支撐件螺栓孔進行完全固定約束，有限元荷載與邊界條件如圖6所示。

圖6 邊界條件與荷載條件

針對板厚150mm的蜂窩預制板在4．5m跨度進行使用階段的初步分析，并與同尺寸現澆板進行對比。荷載取值參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[4]中關于荷載組合的設計方法，確定可變荷載控制的效應設計值，其中，樓板恒荷載考慮樓板自重、裝修荷載及附加恒荷載，預制板寬取1．8m，經計算蜂窩板的均布荷載取值9．75kN/m2；現澆板均布荷載取值10．58kN/m2。板端邊界定義為固端約束。

2.2 施工階段分析

圖7 150mm板厚4.5m跨蜂窩板有限元分析結果

1）150m m板厚在4．5m跨度下施工工況分析 有限元施工工況分析主要結果如圖7所示。由圖7可看出，結構最大變形在板跨中位置，為沿豎向向下3．34mm＜11．25mm；混凝土沿z軸的最大拉應力為1．71MPa＜2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標準值），出現在板跨中區域，可見結構受力和變形均滿足施工設計要求。

2）150m m板厚在4．5m跨度下剛度對比分析 結構最大變形2．64mm；混凝土沿z軸的最大拉應力為2．034MPa。對比蜂窩預制板與現澆板結果，蜂窩預制板的結構變形相較于現澆板略有增大，但混凝土最大拉應力比現澆板要小，是由于蜂窩預制板的空腔減小了結構自重，荷載比現澆板小。根據分析得出的位移，采用簡支構件撓度計算公式對結構剛度進行簡化計算，蜂窩預制板抗彎剛度約為6．721×109N/mm，現澆板抗彎剛度約為10．611×109N/mm，即蜂窩預制板的剛度約為現澆板的63．3%。

3）150m m板厚在4．5m跨度下結構受力與變形有限元分析 結構最大變形在板跨中位置，為沿豎向向下4．02mm＜13．50mm；混凝土沿z軸的最大拉應力為1．95MPa＜2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標準值），出現在板跨中區域，結構受力和變形均可滿足施工設計要求。

4）200m m板厚在6．0m跨度下有限元分析 結構最大變形在板跨中位置，為沿豎向向下4．77mm＜15．00mm；混凝土沿z軸的最大拉應力為2．03MPa＞2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標準值），出現在板跨中區域，同時跨中出現小范圍受拉損傷，數值較小，可認定為裂縫較小，滿足設計要求。

對上述分析結果進行總結對比可初步得出，當板的跨厚比不大于30時基本可實現蜂窩預制板的免支撐施工，對比情況如表1所示。

表1 蜂窩型全預制板初步選型分析結果對比

2.3 使用階段分析

由于蜂窩板為全預制樓板，對其使用狀態下的受力性能研究具有重要意義。針對板厚150mm蜂窩預制板在4．5m跨度免支撐的基礎上進行使用階段初步分析，并與同尺寸現澆板進行對比，研究蜂窩全預制板在使用階段的適用性。蜂窩預制板使用階段有限元分析主要結果如圖8所示。

圖8 150mm厚4.5m跨蜂窩板使用階段有限元分析結果

由圖8可看出，結構最大變形為沿豎向向下2．90mm＜11．25mm；混凝土板底沿z軸的最大拉應力為1．894MPa＜2．010MPa（混凝土軸心抗拉強度標準值），出現在板跨中區域；但板在端部約束部位混凝土出現受拉損傷，是由于板端完全約束且未配置相應受拉鋼筋。

現澆板有限元分析主要結果：現澆板的結構最大變形為沿豎向向下2．90mm＜11．25mm，混凝土板底沿z軸的最大拉應力為1．91MPa＜2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標準值），出現在板跨中區域，同樣在板端部約束部位的混凝土出現受拉損傷。

可見蜂窩預制板與現澆板具有同樣的受力特性，變形差異較小，可見板內空腔對結構剛度消減作用較小，在板端固接條件下基本可做到跨厚比為30時構件的正常使用。

3 工程應用分析

3.1 蜂窩預制板優缺點分析

1）優點 ①蜂窩板內設置空腔，減小構件重量，同時增大結構剛度；②構件施工時可不設支撐或少支撐，節約現場施工成本與時間；③全預制樓板可減少現場現澆工作，施工快捷且縮短工期；④減少污染，利于環保。

2）缺點 ①蜂窩樓板厚度增加，樓層凈高降低；②樓板結構復雜，對生產工藝要求高，由于存在外伸錨固鋼筋，板邊模需開孔處理；③部分區域管線安裝困難，管線密集區域不適用，且管線多轉折，前期需進行管線協同設計，增加工作量與成本；④空腔或采用專用成型材料，增加生產成本。

3.2 工程應用尚需解決的問題

3.2.1 生產工藝

蜂窩預制樓板由于板內存在按一定規律排布的空腔，相較其他預制樓板生產工藝復雜，板支座與拼縫處需設外伸錨固鋼筋，需在板邊模進行開洞處理，如何保證質量、降低成本并高效生產是需要思考和解決的問題。

空腔成形可采用一種薄殼塑料作為內模，一次澆筑成形后，薄殼塑料留于板內，不必脫出，這種生產方式速度快、簡單，但會增加一定成本；另外，可先生產蜂窩板帶支墩的頂板，支墩外伸插筋，在澆筑底板時將頂板插入，二次澆筑形成一體，但該生產工藝流程多、效率低。

3.2.2 電力管線布置

某項目對蜂窩全預制樓板進行預制構件拆分設計，考慮電力管線在板內空腔布置，構件拆分及管線布置如圖9所示。通過對蜂窩預制板拆分及管線布置分析，發現蜂窩預制板在實際工程應用中尚存在以下問題。

1）預制大板區域 水平管線與垂直管線不方便現場施工，需在大板內預留安裝空間才能進行管線連接。如圖10所示，需留2處安裝空間，容易出錯，不易標準化，需定制。

圖9 蜂窩全預制樓板布置

圖10 管線水平與垂直連接問題

2）部分區域管線密集，敷設空間不夠 如圖11所示，該區域有PC直徑32mm管1根，PC直徑25mm管3根，PC直徑20mm管5根。強弱電管線并排敷設時還需考慮二者之間的間距，防止強電線路對弱電信號的干擾。故對管線密集區域建議現澆。

3）管線彎頭多，不方便施工穿線，增加施工成本及材料費用 主要原因是管材不能在預制板空腔內轉彎，需在現澆區域進行管路路由方向調整。

4）管材與預制板中間處接線盒（主要是燈具接線盒）的連接有問題，需設置接線空間。管線施工完畢需封堵接線空間。

5）墻體部位設備定位與預制窩蜂板排布相關，墻體處設備與預制板空腔若不在同一垂直面，則存在管線轉彎情況，對于精裝修項目影響較大。

6）全預制樓板+結合處現澆，管線無法進行二次更換。一旦小業主進行裝修，需調整管路，勢必對預制樓板造成破壞，影響結構安全。目前現澆樓板約有50mm墊層，二次裝修時，基本采用在墊層內開槽進行管線預埋。

7）公共部位管線多，無法在空腔內敷設，涉及管材無法轉彎事宜。若公共部位管線明敷，套內暗敷，存在連接問題，故公共部位建議現澆。

全預制窩蜂樓板的應用可大幅減少現場濕作業，機電管線利用預制窩蜂板內的空腔及窩蜂板連接處的現澆區域進行敷設。通過合理設計，各專業協同，機電管線可在全預制窩蜂板內一次安裝施工。此外，業主二次裝修時的管線敷設問題仍需研究。

3.2.3 設計應用

一項新結構產品的應用需便于結構人員設計，配以相關的計算原則與流程，進而進行合理的結構選型與布置，這就需要對預制蜂窩板進行進一步理論公式推導，結合試驗對計算分析進行驗證并逐步完善，同時，需進一步研究蜂窩板支座及拼縫等節點構造。

圖11 管線密集，敷設空間不足

4 總結及進一步研究方向

由以上分析可知，全預制蜂窩樓板在滿足板跨厚比不大于30時基本可實現免撐施工，同時其使用階段的受力分析表明，在同樣跨厚比且板端固接時，結構可滿足設計要求。通過對蜂窩預制板拆分及電力管線布置分析表明，蜂窩樓板在實際項目中具備一定的可行性和適用性。為使全預制蜂窩樓板具備工程應用條件，尚需進行進一步研究。

1）針對蜂窩樓板生產工藝進行研究，應采用簡單化、標準化生產方式。

2）針對蜂窩樓板空腔進行優化，解決管線不易轉向、安裝連接空間不足的問題。

3）針對蜂窩板使用階段進行分析，考察多種工況并進行抗震性能分析，推導理論計算公式以指導實際工程設計。

4）在模擬分析基礎上進行實體試驗研究，研究結構受力性能并與模擬分析結果進行對比分析，完善分析模型。