裝配式建筑疊合樓板設計中若干問題討論

湯偉濱 向光耀 柯劍陽 奚智聰 中國建筑第五工程局有限公司 湖南 長沙 410000

前言

裝配式建筑以其預制度高、建筑簡便、經濟效益好、對污染相對較少的優勢,在國內得到了普遍的使用。在預制裝配式建筑構件系統中,以樓板為基礎的建筑主體受力結構,具有承受負荷、輸送荷載的功能,通常包括預制裝配式建筑樓板、鋼筋現澆結構和整層裝配式樓板等三個類別。裝配式建筑模板雖然具有施工率大、工期短等優點,但其整體力學性能和抗震性能欠佳,不能直接用于高抗震地區。雖然水泥或現澆樓板的綜合性能和抗震性能都很好,但大面積現場澆筑混凝土的方式導致傳統裝配式施工的優點不能充分體現。組合樓板主要是由傳統裝配式建筑樓板技術與后澆筑樓板構成,融合了我國傳統裝配式建筑樓板技術與現代混凝土后現澆樓板技術的優勢,在近年來已獲得了廣泛應用。因此,這種樓板技術早已成為中國國內工程研發的熱門話題,并做出了巨大成績。

1 疊合板研究進展

1.1 無肋底板疊合板

帶肋復合板是國內首創的復合板。20世紀60年代,中國研制出“比倉”型預應力疊合板,并采用特殊的“燕尾”型槽將中國民族文化的混凝土與樓板材料結合起來。而我國已經研制出預應力槽型鋼復合板,俗稱PC 鋼,可以增加預制板的抗彎剛度,進而實現了施工時無支座、自承重的優勢。預應力層合板是中國最早使用的層合板之一。雖然板材形狀簡單,制造簡單,但通過雙向板的密縫與附加鋼板連接,但強度小,容易斷裂,所以使用較少。

1.2 鋼筋桁架疊合板

普通鋼縱桁交疊模板技術雖然最初出現在德國,但因為其工業化生產程度高,且構件自重低(底板厚度約60mm),目前已在歐洲、日本以及我國的裝配式建筑工程中廣泛應用。粗糙的重疊面通常擁有良好的粘合特性,因此可以確定復合板的整體承載能力。板的極限強度和實際使用上的剛性與撓度,均按照中華人民共和國GB50010-2010《混凝土結構設計技術規范》的有關公式方法表示。目前,我國已經出臺了有關的政策和標準圖集。

板連接是疊合板的專用工藝,它同時也是為了對疊合板受力、抗裂特性研究的重點,也因此越來越成為科研熱門。

1.3 預應力混凝土肋疊合板

根據鋼桁架在預制底板澆筑階段的抗彎強度偏小,在大跨越時無法實現自承載的特性,部分學者使用混凝土肋來提高其特性。

雙面板為整體式連接的預應力帶肋雙邊疊合板。后經熱力學測試證明,這種疊合板的力學特性類似于普通鋼筋混凝土雙面板結構,因此可根據一般雙面板設計理論進行設計。同時,通過添加孔徑67.5mm 的錐形聚苯乙烯泡沫帶,通過減重和保溫措施,研制出具有自承載能力和單向承載能力的預應力帶肋夾層復合板。開孔率較大的帶肋中空復合板。目前,這種疊層板和空心疊層板常用的在中國,俗稱FR板,和產生了兩種類型的標準化產品沒有剪切鋼筋和剪力鋼筋,其特點是:①板寬×板厚×肋距×寬:2000mm×42.6mm×330mm×170mm;②肋高3種規格:75mm、95mm、115mm;③板底配置?3.2mm 鍍鋅鋼絲網,肋底布置預應力鋼絞線。

由于開孔率的增加,層合面體積減少,而預應力帶肋空腔板層合面抗剪強度也較弱,因此必須特殊開發。通過實驗結果和有限元分析結論,指出疊合板需要設置剪切板的最粗表面積和孔徑,才能達到最大抗剪要求。

容易于穿插鋼筋混凝土的帶孔洞混凝土肋,生產出以雙向板密縫連接的PK 板,以適應較大跨度的結構(3～6.6m)。經系統測量、有限元研究后表明:該板存在著突出的正交異性板雙向受力特性,以及增強抗剪作用的交疊面與連鎖咬合作用。從而給出了PK 板的設計方案:①因肋間開口力減弱,預先準備底板建議使用調整后的等效剛度De,并根據0.85EDe值估計抗彎強度。②PK 板可通過標準正交異性板強度微分方程計算法以及標準等效各向同性板微分方程求解式法估計最大極限強度。③PK 板還能夠通過塑性鉸線法計算極限強度。但是,塑性鉸線方法并不同于一般混凝土板。目前,對PK 板的研究已形成了技術規程和規范圖集。

為了提高PK 板的最大使用跨度(＞6.6m),在芯和側芯方向設置了兩塊中空的PK 板。根據剪切阻力問題的重疊表面鋼板,通過對不同位置的受力分析,給出了翼緣厚和肋寬限的計算結果方法,以確保重疊表面的剪切強度不能滿足鋼板的剪切強度。同時給出了模板的工程設計方法:空心PK 板斷裂前剛性和斷裂后剛性應分別根據GB50010—2010和JTGD62—2004《公路工程鋼筋及預應力混凝土結構橋涵工程設計技術規范》的有關數據估計;抗折彎強度可參照現澆板空心模板設計;抗剪強度則必須考慮預先的肋柱結構和透氣孔對空心部分的共同影響。

為了提高預制底板在縱肋方向的抗彎剛度和斷裂特性,雙向肋底板夾層復合板類似于倒置井子底板的結構。對新型復合板在施工荷載作用下的應力特征、裂縫發展規律及變形形式進行了深入研究。試驗結果表明,下墊結構具有良好的抗裂性、強度和承載力。對于一類適合于大跨度(6～12m),雙向剛性較強的預應力蜂窩孔肋復合板的承重結構,結果表明:(1)如果底層準備和疊合樓板,分別采用三通截面和I截面,并根據樓板分析硐室進行現澆的方法,作出抗彎強度和變形估算。②通過增加復合材料表面直徑和剪切跨橫肋數,可進一步提高復合材料表面強度。

目前,普通型配筋大直徑縱向桁架板的鋼桁架數量多且高,導致鋼耗量大,鋼板厚度厚,因此對剪力粘結層合鋼板進行了研究。通過鋪設有序的矩形混凝土抗剪粘結劑代替鋼桁架,發揮層合面抗剪作用。通過實驗研究和有限元分析,驗證了該方案的可行性。為了消除重疊層,并降低板厚,采取倒T 字形的寬肋外部預應力底板和在肋間后澆筑混凝土的方法,研制了單向受力、可自承重力的倒T 字形局部交疊板。經實驗結果顯示:交疊面的結合性能較好,且未提前破裂,并認為該板在計算截面承載力和配筋時可使用倒T 字形斷面,而不計對后澆部分的影響。

1.4 預制帶肋鋼筋桁架疊合板和預應力波紋鋼腹板疊合板

由于鋼筋肋生產成形過程較為復雜,因此使用了鋼筋肋,并根據鋼筋直徑桁架結構研制了新型疊合板,并探討了主要參數對鋼板短期強度的作用,結果指出,肋寬度、肋高、鋼筋桁架寬度和弦桿口徑對預制板的強度作用較明顯;桁架梁結構高度、下弦口徑對新疊合板強度的作用較大;腹桿的孔徑對短時強度影響較小,故也可構造考慮。并建議采用“平均剛度法”測算預制板的短時強度。

由于鋼架鋼筋預制底板抗彎剛度較差,因此鋼筋肋預先準備的底板技術也較為復雜,應用波紋鋼腹層肋以提高抗彎剛度,同時也在鋼腹層上安裝鋼筋翼緣以提高抗彎剛度,并研制出鋼筋澆筑的波紋鋼腹層肋交疊式底板。經測試證實:①該板總體機械性能優異,且無交疊面提前破裂現象。②該板的抗折彎強度、斷裂前、開裂后抗彎剛度均可根據GB50010—2010公式測算,但撓度應考慮鋼板整體扭曲變形與鋼板腹面剪切應變的共同影響。

1.5 空心底板疊合板

空心底板疊合板和帶中肋空心(空腔)疊合板比較,復合表面體積更大,抗剪性能更好,且開孔率也有減少。為此,選用技術成熟的預應力混凝土圓洞板為基底,研究單承載力預應力圓孔疊合板,簡稱為SYWT 板。實驗結果為:①經過粗糙表面處理后的疊層表面,可以達到對疊層表面抗剪能力的要求。(2)復合材料板的彈性隨著張拉控制應力和高跨比的增大而減小,隨著配筋直徑的增大而增大。然后,給出了板的基本設計方法和節點結構:①采用單面簡支板和連續板設計組合板。②為保證復合材料板具有較強的延性,應控制拉應力,最大極限約為0.6FPTK～0.7FPTK(FPTK 是預應力鋼筋的標記硬度);根據具體的設計方案,槽可以窄也可以寬。

美國SPANCRETE機械制造有限公司開發了預應力空心板,稱為SP 板,它是由干燥、堅硬的混凝土經過沖孔、擠壓而成。SP板因其良好的孔隙工程設計和雙側鎖鎖匙道而被全球數十個國家和地區政府所選用,達到了結構應力特征好、制造(無需蒸汽)、施工(總支撐少)、構造簡便等優勢。在原有SP板的基礎上添加了一層疊合層,以構成SPD模板。早在1993年,中國引進了生產線的機器設備以及相應的工程師和科研人員,并進行了大量的實驗開發,編制標準圖紙和設計手冊,并已用于作戰支持培訓和實驗仿真中心和其他關鍵項目(使用SPD 板)。SPD 一般采用簡支疊加結構設計。

為降低復合板的厚度,研制了預應力中空復合板。該板材為一種鋼筋混凝土預制中空鋼板,一側的溝槽供混凝土配筋,在溝槽中澆注混凝土時由二端受力產生的整體疊合板。經過單板和雙片試驗表明,各向異性板的局部積分重疊面具備優異的抗剪特性,并得到了各向異性板兩側較明顯的內部應力特征。所以,一般認為可以根據正交各向異性板的內部彈性設計方法的板,垂直穿孔方向的內部剛性可以超過垂直穿孔方向剛性的一半。

1.6 預應力雙T 底板疊合板

HarryEdwards公司開發了雙T 板,是一種先張法預應力混凝土樓板一體構件,由受壓翼緣板和二個腹梁所組成。雙T 板雖然承重特性好、架設速度快,但直徑高度卻偏大(350～700mm),一般用作大跨越(通常跨度9～18m)、高重負荷的工程建筑,特別是在裝配式車房中的應用。而我國雙T 板的研制與應用則起步于20世紀60年代初期,并在長春一汽轎車股份有限公司研究中心客運汽車所裝配式建筑立體預制停車大廈等建筑中,獲得廣泛應用。同時為了提高對雙T 板進行修改穩定性,可在雙T板的后澆交疊處,重新構成雙T 鋼板疊合片。

目前,雙T 板連接主要包括干式連接、疊合連接和復合連接三類。干式連接主要由金屬連接件焊接組成,由預制板和金屬焊接件來抵消樓蓋水平負載;疊合層連接由疊合層抵消樓蓋水平負荷,而連接件 則僅僅為了便于施工;組合連接中的后澆層則與預制板一同起到隔板功能。目前在國內,干式連接通常用作低抗震烈性區設防,而后二者則用作中、高度抗震烈性區設防。

在樓蓋系統研究方面,Fleischman、Farrow 等人圍繞樓蓋布置方式和細部結構措施,給出了耐震工程設計意見。而Neil、Cleland等人圍繞“干式”樓蓋,指出了在高耐震強度設防區使用“干式”連接樓蓋的可能性。2002年,國家外部預應力聯合會進行了DSDM 的重點研究:①連接件測試前文已述。②翼緣節點與樓蓋的pushover有限元分析方法。③模型振動臺測試,研究結果顯示,連接件的性能取得了預期效果;樓蓋的破壞模型也與預期一致。干式連接樓蓋抗震特性研究,結果顯示,只有設計合理,干式連接樓蓋將具備優異的抗震特性。

1.7 雙向密肋空腔疊合板

雙向低密肋腔室疊合板是柱、板式的一體樓蓋,融合了雙向低密肋樓蓋與疊合板的優勢。

使用了無上蓋預制式底板,但并未使用二次預應力工藝,并研制了預應力雙向密肋夾心疊合板。經過實驗與理論研討,確定:①因該鋼板按一次性受力疊合板方式設置,故需設置固定支撐。②和后澆肋截面直徑一致,所以對該疊合鋼板板應采用各向同性板的彈性設計方式進行內力分析。會議最后,還提出了該鋼板的標準設計圖,以便于推廣應用。

結語

裝配式疊合樓板結構是目前較為普遍的裝配式建筑結構形式,其發展趨勢適應綠色環保的需求。但在裝配式施工建筑中交疊樓板制造和施工過程的質量管理體系仍不健全,在生產和建造的過程中仍面臨安全耐久性等相關問題。期待今后我國可以完善相關產業標準化建設,使產品規范化;健全施工制度,使施工流程安全化。