鋼筋桁架樓承板在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

劉 龍

(中鐵建恒誠(chéng)實(shí)業(yè)有限公司 廣東珠海 519031)

1 引言

我國(guó)正在推進(jìn)建筑工業(yè)化的發(fā)展，裝配式部品部件的研發(fā)應(yīng)用是行業(yè)內(nèi)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。現(xiàn)階段裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中最為常見的裝配式部件是混凝土疊合樓板[1－2]。相對(duì)與裝配式陽(yáng)臺(tái)板、裝配式剪力墻等裝配式構(gòu)件，混凝土疊合樓板具有加工簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)預(yù)制混凝土比例較高，可以很好地響應(yīng)國(guó)家對(duì)預(yù)制混凝土構(gòu)件的政策文件要求[3]。

鋼筋桁架樓承板是第3代壓型鋼板，由縱向鋼筋、桁架筋、鍍鋅鐵板組成。相比傳統(tǒng)的壓型鋼板，鋼筋桁架樓承板因其防火性能好、受力性能好等優(yōu)勢(shì)，在鋼結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有非常廣泛的應(yīng)用[4－7]，是一種技術(shù)比較成熟的工業(yè)產(chǎn)品。

然而鋼筋桁架樓承板在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還比較少，其主要原因是目前我國(guó)裝配式建筑發(fā)展仍然由政策主導(dǎo)，在裝配式建筑的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，預(yù)制混凝土的體積是非常重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此誕生了混凝土疊合板這類的裝配式部品。而隨著我國(guó)對(duì)裝配式建筑認(rèn)識(shí)的不斷深入，裝配式建筑的評(píng)價(jià)指標(biāo)也逐漸由預(yù)制混凝土體積轉(zhuǎn)變?yōu)槊庵！⒐?jié)能、節(jié)材等方面[8－9]。

本文從結(jié)構(gòu)受力、施工運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)性等角度來(lái)比較鋼筋桁架樓承板和混凝土疊合板，以期推廣鋼筋桁架樓承板在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

2 鋼筋桁架樓承板

鋼筋桁架樓承板是第3代壓型鋼板，在第1代非組合壓型鋼板和第2代組合壓型鋼板的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。鋼筋桁架樓承板由縱向鋼筋、腹桿鋼筋以及鍍鋅鋼板組成，其中上下弦桿鋼筋可以作為使用階段樓板的受力縱筋使用。上下弦鋼筋呈三角形布置，上下弦桿鋼筋采用腹桿點(diǎn)焊連接在一起，上下弦桿鋼筋、腹桿鋼筋、鍍鋅鐵皮三者形成一個(gè)穩(wěn)定的空間三角桁架。這樣的空間桁架可以承擔(dān)部分荷載，通常情況下可以承擔(dān)施工階段的自重和施工活荷載。結(jié)合鍍鋅鋼板作為底模，鋼筋桁架樓承板可以免去施工階段的腳手架支撐。

鋼筋桁架樓承板可以在工廠完成加工，且已經(jīng)形成了自動(dòng)化的生產(chǎn)流水線，需要的人工極少，可以根據(jù)項(xiàng)目情況定制鋼筋桁架樓承板的長(zhǎng)度。鋼筋桁架樓承板有固定的寬度，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后只需根據(jù)項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行排布，綁扎完面筋和垂直于桁架筋的分布筋之后就可以澆筑混凝土，施工十分便利[10]。

鋼筋桁架樓承板應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中時(shí)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在造價(jià)比現(xiàn)澆板大幅度節(jié)省，現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎量相對(duì)較少且不需要臨時(shí)支撐，節(jié)省了大量的人工和施工措施費(fèi)用。同時(shí)鋼筋桁架樓承板因鋼筋桁架獨(dú)特的空間受力特性以及鍍鋅鐵皮的存在，使得最大無(wú)支撐板跨可達(dá)到4.8 m，若出于節(jié)省成本的考慮，也可以考慮在跨中增加支撐，進(jìn)一步減少工程造價(jià)。典型的鋼筋桁架樓承板如圖1所示。

圖1 鋼筋桁架樓承板典型斷面

3 混凝土疊合板

混凝土疊合板是隨著裝配式混凝土建筑的發(fā)展而得到大力推廣的一種工業(yè)部件，是將鋼筋桁架與混凝土底板澆筑成一體形成預(yù)制部分，現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，再澆筑疊合層混凝土形成整體受力的疊合樓板。混凝土疊合板，按照裝配率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以快速提高裝配式建筑的預(yù)制裝配率，在我們國(guó)家裝配式建筑推廣早期有極大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)因其制作簡(jiǎn)單、運(yùn)輸便捷、施工速度快、抗震性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)成為了裝配式建筑最常用的預(yù)制混凝土構(gòu)件[11－13]。 混凝土疊合板的典型構(gòu)造如圖2所示。

圖2 混凝土疊合板典型斷面

4 綜合性能比較及實(shí)例分析

4.1 施工難度

鋼筋桁架樓承板一般寬度不超過(guò)600 mm，重量比較輕，現(xiàn)場(chǎng)安裝和異形切割比較容易，徒手便可挪動(dòng)。混凝土疊合板截面大，比較重，全程依靠塔吊，安裝過(guò)程中對(duì)已綁扎的混凝土梁和墻鋼筋破壞比較大，需進(jìn)行二次校正。

同時(shí)，鋼筋桁架樓承板可以承擔(dān)施工階段的荷載，可為各工種作業(yè)提供寬敞的工作平臺(tái)，因此澆筑混凝土及其他工種作業(yè)均可多層立體作業(yè)，大大加快了施工速度。鋼筋桁架樓承板雖然可以承擔(dān)施工階段的荷載，但有一定的限值，對(duì)應(yīng)于各類型號(hào)的鋼筋桁架樓承板都有一個(gè)施工階段免支模的跨度，超過(guò)了這個(gè)跨度之后仍然需要在跨中增加臨時(shí)支撐。同時(shí)鋼筋桁架樓承板在施工過(guò)程中施工荷載沿平行于鋼筋桁架的方向傳遞，類似混凝土結(jié)構(gòu)中的單向板。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，本文建議在混凝土結(jié)構(gòu)中次梁的布置應(yīng)盡量將板格劃分為單向板，鋼筋桁架樓承板在施工階段的受力方向和使用過(guò)程中的受力方向基本一致，可以最大限度節(jié)省成本。

因采用傳統(tǒng)疊合樓板具有只能單層施工的局限性，使結(jié)構(gòu)整體施工進(jìn)度受到樓板施工進(jìn)度的極大限制，無(wú)法完全展現(xiàn)裝配式建筑施工速度快的優(yōu)勢(shì)，造成資源浪費(fèi)，這對(duì)規(guī)模較大的高層、超高層建筑尤其具有明顯影響。

鋼筋桁架樓承板的質(zhì)量通過(guò)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備來(lái)保證，鋼筋間距、樓板保護(hù)層厚度都可以完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高了樓板的成型質(zhì)量。鋼筋桁架樓承板需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)桁架方向最小搭接長(zhǎng)度為50 mm，分布筋方向最小搭接長(zhǎng)度為30 mm，確保支座受力合理和混凝土澆筑時(shí)不漏漿，以保證混凝土澆筑及成型質(zhì)量。

4.2 設(shè)備機(jī)具

鋼筋桁架樓承板重量比較輕，體積比較小，道路運(yùn)輸采用小型運(yùn)輸車便可滿足運(yùn)輸要求，采用傳統(tǒng)塔吊便可滿足吊裝要求。

混凝土疊合板比較重且寬度較大，需采用大型運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸，對(duì)道路及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地有較高要求，傳統(tǒng)塔吊無(wú)法滿足要求，需采用大型塔吊。

4.3 使用條件

鋼筋桁架樓承板對(duì)跨度要求比較嚴(yán)格，決定了結(jié)構(gòu)梁的布置間距，常規(guī)中可不設(shè)置臨時(shí)支撐，施工階段只設(shè)置結(jié)構(gòu)梁腳手架及模板，無(wú)需布置板底模板及支撐。當(dāng)板跨較大時(shí)，為降低樓板鋼筋用量，可在施工階段設(shè)臨時(shí)支撐。混凝土疊合板跨度較大，能滿足一般性要求，施工時(shí)需布置梁的腳手架和模板，在板底隔一定距離布置腳手架，疊合板接縫處布置腳手架和模板。

4.4 結(jié)構(gòu)受力

普通鋼筋混凝土樓板由于在施工階段底部有模板，因而幾乎不產(chǎn)生撓度，但是當(dāng)混凝土凝結(jié)硬化達(dá)到一定強(qiáng)度拆去模板后，樓板會(huì)在自重作用下，在板底產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而拉裂混凝土。與普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板相比，鋼筋桁架樓承板的受力特性更加優(yōu)越。不設(shè)臨時(shí)支撐時(shí)，在混凝土硬化前，樓板的強(qiáng)度和剛度即鋼筋桁架的強(qiáng)度和剛度，混凝土硬化在鋼筋桁架模板變形下進(jìn)行，所以樓板自重不會(huì)使板底混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。在使用階段，鋼筋桁架樓承板中的鋼筋與混凝土一起承受荷載作用，受拉鋼筋與普通鋼筋混凝土樓板中的承載力相同。

鋼筋桁架混凝土樓板與普通現(xiàn)澆混凝土設(shè)計(jì)理論等同，而其鋼筋桁架受力模式更為合理，能提供更大的剛度，且雙向剛度一致，具有良好的抗震性能。鋼筋桁架樓承板底部鋼模板平整，雙向剛度相近，鋼筋桁架腹桿筋改善了樓板的受力性能，抗震性能最好。而且鋼筋桁架樓承板可設(shè)計(jì)成雙向板，鋼筋桁架樓承板下表面平整，桁架空間大，在不增加樓板結(jié)構(gòu)層厚度的情況下，可以方便施工下層鋼筋。

鋼筋桁架樓承板板厚需綜合考慮設(shè)計(jì)階段和施工階段驗(yàn)算，一般取值為110～160 mm，混凝土為一體整澆成形，結(jié)構(gòu)整體性更好。而混凝土疊合板一般疊合層的混凝土厚度為60 mm，為了確保管線可以在樓板內(nèi)布置，現(xiàn)澆層的厚度一般不低于70 mm，總厚度一般不低于130 mm，結(jié)構(gòu)受力介于單向板和雙向板之間，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常要求按單向受力和雙向受力包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4.5 工程實(shí)例

本文經(jīng)濟(jì)性對(duì)比基于南京軟件園光電研發(fā)中心項(xiàng)目展開。項(xiàng)目位于南京市江北高新區(qū)，辦公樓地上22層，建筑面積29 918 m2，為鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑功能為科研辦公。原設(shè)計(jì)采用混凝土疊合板，板厚140 mm。疊合板應(yīng)用范圍是標(biāo)準(zhǔn)化程度比較高的板跨，其中屋面、衛(wèi)生間已懸挑部位仍采用普通的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，板厚120 mm。后經(jīng)征求業(yè)主及產(chǎn)業(yè)辦許可，該項(xiàng)目樓板調(diào)整為鋼筋桁架樓承板，板厚根據(jù)次梁間距調(diào)整為110 mm，應(yīng)用范圍為除了核心筒范圍以外所有的樓板，包含衛(wèi)生間以及屋面。

本次成本對(duì)比以2020年3月份建筑材料信息價(jià)格為依據(jù)，其中需要特別說(shuō)明的是，隨著混凝土疊合板生產(chǎn)線的不斷投產(chǎn)，疊合板價(jià)格已經(jīng)由年初的3 300元/m3降低至2 300元/m3，雖然會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)性比較的量化數(shù)據(jù)有所影響，但是對(duì)最終的結(jié)論并無(wú)本質(zhì)改變。

單位面積疊合板建造成本見表1。單位面積鋼筋桁架樓承板建造成本見表2。

表1 疊合板單位面積造價(jià)

表2 鋼筋桁架樓承板單位面積造價(jià)

由表1、表2可以看出，采用了鋼筋桁架樓承板之后樓板單位面積的造價(jià)由309.65元降低至235.55元，節(jié)省了原來(lái)造價(jià)的23.9%，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，且該結(jié)果是在沒有考慮運(yùn)輸成本的情況下計(jì)算得出。值得一提的是，上述經(jīng)濟(jì)效益是在保證質(zhì)量的同時(shí)并沒有降低建筑預(yù)制率比例的情況下實(shí)現(xiàn)的，有非常好的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。

5 結(jié)論

(1)鋼筋桁架樓承板做為一種成熟的工業(yè)部品，已經(jīng)在鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)成熟、工藝可靠，目前在混凝土結(jié)構(gòu)中還應(yīng)用較少。

(2)鋼筋桁架樓承板相比混凝土疊合板在施工便捷性、結(jié)構(gòu)受力、工程成本等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)，是值得大力推廣的新型技術(shù)。