鋼筋桁架樓承板裂縫控制創新施工工藝的研究

許浩波，郭召旭

（云南工程建設總承包股份有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

鋼筋桁架樓承板是近幾年新興的一種樓板組合形式，相比傳統現澆板而言，它具有造價低廉、施工便捷和施工周期短等優點，在國內的建筑市場已逐漸得到普及。樓承板在施工過程中存在撓度變形過大、混凝土易開裂等問題。張莉莉[1]等提出了通過對樓承板拼縫工藝、標高控制、支撐方式和集中荷載等方面采取了有效措施，較好地控制了鋼筋桁架樓承板混凝土裂縫的產生。盧文浩[2]針對某實際工程中裝配式鋼筋桁架樓承板出現的各類裂縫，通過對相關工程質量的檢測，對裂縫形成的原因進行了分析。本文的創新之處在于以云南省民族文化宮建設項目為例，提出了數種創新性控制裂縫的施工方法，最終選擇并實施了拱架懸掛施工工藝，遠遠超過預期效果。該工藝的成功應用為超高空間、大跨度鋼結構廠房、劇場等提供了新的設計思路，降低建設成本，提高施工效率，保證了施工質量和安全。

1 工程概況

云南省民族文化宮建設項目建筑面積31 900m2，位于昆明市西山區滇池路1503 號云南民族博物館內，為三層群體公共建筑。層高范圍5.4～21m 不等，內部最大跨度61.5m。主體結構為常規鋼框架結構，普通鋼筋混凝土樓板，局部采用5mm厚花紋鋼板鋪底增加剛度，變更后所有樓板均采用TDB7-120-576 型鋼筋桁架樓承板，其底部鍍鋅鋼板厚度為0.5mm，鋼框架結構體系；建筑高度：20m；正負零標高：1 888.3m；抗震設防烈度：八度。

2 試驗方案與結果

2.1 影響開裂的原因初探

導致鋼筋桁架樓承板混凝土開裂的原因有很多，在試驗設計之前應初步探索開裂原因。為確保主要原因能被找到，通過探討，列舉主要原因如下：（1）施工荷載過于集中導致變形過大引起裂縫；（2）天氣炎熱養護收面不及時導致開裂；（3）混凝土配合比問題導致開裂；（4）澆筑方式采用泵送時泵管震動過大導致開裂；（5）樓承板使用跨度過大超過設計跨度導致變形過大后引起裂縫。

2.2 試驗設計

結合上述原因，天氣情況、澆筑方式、混凝土配合比問題較好控制，最難控制的是變形后引起裂縫。因此，設計試驗時可選擇具有結構跨度一致，且為減少試驗干擾盡量選擇同一樓層同一區域連續跨度的工況下進行現場對比試驗研究。試驗對比之前對樓承板變形大小并無數據支撐，則應提前考慮預堆載試驗，模擬混凝土澆筑過程，找到變形關鍵數據。

通過預堆載試驗找到變形最大處，方便下一步設計支撐體系減小變形，為支撐與不支撐兩種情況下的混凝土澆筑試驗提供依據。

2.3 試驗設計

根據項目情況，首先選取工況相同、試驗影響因素較小區域進行樓承板預堆載試驗。預堆載試驗完成后，選擇與預堆載試驗選取區域結構一致的部位（二層3-4/P-M 軸區域）進行支撐與不支撐（二層4-5/P-M 軸區域）兩種工況下澆筑混凝土對比試驗。其目的之一是為監測其撓曲變形情況和裂縫分布情況。試驗區域樓板為2 500mm、2 500mm、3 000mm 和4 000mm 跨度組成的四跨連續板，厚度為150mm。鋼筋桁架鋼筋規格尺寸見表1。

表1 鋼筋桁架尺寸規格

試驗將應力應變器焊接在樓承板桁架鋼筋上，以便實時記錄下上弦鋼筋及下弦鋼筋的變形及受力的變化過程，同時監測分布鋼筋變形及受力過程。將應力計固定埋置在混凝土內監測混凝土從初凝到強度100%過程中應力變化過程。對鋼主梁及次梁布置應變計監測期間變形。布置千分表在樓承板下方監測澆筑過程及澆筑完成后樓承板撓度大小變化。設計百分表對支撐部位立桿軸力變化監測以及鋼梁應變監測。

2.4 預堆載試驗

將四跨連續板簡化為四跨連續梁，按最不利狀態布置施工活載。通過軟件模擬計算最大撓度的出現部位并布置百分表，總測點數17 個。根據《建筑結構荷載規范》和《建筑施工模板安全技術規范》的規定，施工活載取1.5kN/m2[5]，混凝土容重取25kN/m3，由于板厚為150mm，計算恒載為：25×0.15=3.75kN/m2，考慮加載后樓板下撓，厚度增加，故取恒載為4.0kN/m2。在參考《建筑結構試驗》[6]、《新型自承式鋼筋桁架樓承板體系施工階段力學性能研究》[7]等文獻資料后，按照加載材料產生的荷載應能夠以足夠的精度進行控制和測量，同時受力狀態應能與混凝土澆筑時的受力狀態接近。在比對多種加載材料后，選擇堆砂加載，砂的密度經多次測定修正后取值為1 340.5kg/m3。

加載方式為四級加載、三級卸載，各級加載的荷載值詳見表2。為方便操作和精確控制加載值，一級加載值取200kg/m2，砂厚度為150mm。四級加載時先加1、3 跨，如此能更好地體現施工活載在最不利布置狀態下樓承板的撓度差異，待百分表讀數穩定后再加2、4 跨。

表2 各加載級荷載值

四級加載完成后所有跨荷載值均達到550kg/m2，4 號測點絕對變形值為31.260mm；5 號測點（N 軸對應的次梁跨中）變形值為15.288mm，未超過規范允許值L0/200。

考慮最不利荷載位置時，四級加載僅加1、3 跨，3 號測點相對撓曲變形值達到24.199mm，超過規范允許值20mm 或L/180，且相對位移值大于4 號測點。

2.5 加撐與不加撐對比試驗

選擇與預堆載試驗區域（二層4-5/P-M 軸區域，不加支撐）相同跨度的緊鄰區域（二層3-4/P-M 軸區域，加支撐）進行混凝土澆筑對比試驗。每跨板跨中設鋼管支撐一排，立桿間距為1.3m，頂托上設置通長木枋。混凝土澆筑完成后不加支撐情況下，4m 板跨中在消除預堆載試驗非彈性變形后的最大撓度值為18.4mm，加支撐的4m 板跨中最大撓度為6.8mm。

試驗區域混凝土澆筑按照施工規范嚴格控制商品混凝土質量、鋼筋保護層厚度、平整度及振搗與養護等質量要求。在混凝土澆筑完成后，不加支撐樓板出現較大面積規則的網狀裂縫和不規則的其他裂縫，裂縫多為沿桁架鋼筋發展，最大縫寬為1.2mm，加支撐的樓板均未發現裂縫。通過本項對比試驗，證實樓板撓曲變形過大是鋼筋桁架樓承板產生裂縫的主要原因。

3 撓度控制工藝探究

在對上述樓板撓曲變形試驗數據綜合分析研究后，找到了主要原因。但因傳統鋼管腳手架支撐成本過高，施工速度較慢，加之層高過高（最高21m）安全保障性較差。因此通過探討研究結合傳統施工工藝與特殊工況下的相關施工經驗，本文摒棄底部支撐的工藝，提出在樓板上方架橋懸吊控制撓度變形進而控制混凝土開裂的想法。在《鋼筋桁架樓承板撓曲變形控制施工方法》中曾提出七種上部控制方法，通過可行性探究，最終選擇借鑒拱橋經驗，利用拱良好的受力條件來解決變形問題。

3.1 拱架受力及拱架懸掛體系設計

根據《結構力學》[8]知識，單拱結構在拱腳存在水平推力，其余部位均為壓力。要采用拱結構受力，需第一步解決在原有結構上因拱腳推力造成鋼梁側面彎矩，故而消除或極限減小推力便是難題。于是設計拱架懸掛體系時，可通過彈性變形較小的塑鋼鋼筋連接拱腳，通過拱腳系桿連接花籃螺栓后解決拱腳推力問題。單拱架側傾須有固定措施，懸掛桿件應精心設計。現詳細介紹如下：

3.1.1 懸掛式拱架裝置原理

本工法的鋼拱架為主要的承力構件，是利用三鉸拱的承力原理，通過拱腳系桿抵消或減小拱腳水平推力，僅傳遞豎向分力的懸掛施工方法。吊桿通過花籃螺栓與鋼筋桁架樓承板連接，形成多點彈性支承，起到控制樓承板撓度變形的作用。吊桿將鋼筋桁架樓承板、混凝土自重和施工荷載傳遞給拱架，再由拱架和拱腳系桿共同工作，將豎向荷載通過臨時支座傳遞給鋼框架梁。在混凝土澆筑過程中，鋼筋桁架樓承板、拱架、鋼結構體系的變形協調一致，達到了控制鋼筋桁架樓承板撓度變形及樓承板混凝土開裂目的。

懸掛式拱架裝置包括邊緣帶支座型半拱架（1），中間帶支座型半拱架（2），中間不帶支座型半拱架（3），吊桿（4），拱腳系桿（5），花籃螺栓（6），吊耳（7），拱頂拉桿（8），斜撐（9），臨時支座（10），加節拱架圖詳見圖1。

圖1 加水平加節后的四鉸梯形拱架示意圖

3.1.2 懸掛式拱架裝置連接

每個鋼拱架分為兩段，邊緣帶支座型半拱架（1）與中間帶支座型半拱架（2）相連，或者邊緣帶支座型半拱架（1）與中間不帶支座型半拱架（3）相連。拱腳與鋼梁上焊接的臨時支座（10）采用螺栓連接；拱頂采用螺栓連接，形成三鉸拱體系。拱架主體通過邊緣帶支座型半拱架（1）、中間帶支座型半拱架（2）和中間不帶支座型半拱架（3）交替組合成單跨拱架，或者連續多跨拱架。（1）與（2）和（3）之間通過拱頂螺栓連接；（2）和（3）之間通過（2）所帶的拱腳支座的預留螺栓孔螺栓連接。所有拱腳部分均通過螺栓與臨時支座（10）連接；臨時支座（10）則焊接于鋼框架梁上。

3.1.3 吊桿及拱腳系桿連接

拱架主體安裝完成后，將吊桿（4）上端安裝于吊耳（7）上；下端通過花籃螺栓（6）連接于鋼筋桁架樓承板的上部分布筋上。通過花籃螺栓（6）的擰緊程度控制樓承板的撓度和預拱度。

為消除或減小拱腳水平推力，設置拱腳系桿（5）與花籃螺栓連接并擰緊。則拱腳部位僅剩下集中的豎向荷載，通過鋼框架梁傳遞給鋼柱，以確保鋼框架梁不存在受扭情況。吊點的間距和數量應通過計算確定。計算時應考慮鋼筋桁架樓承板和拱架吊桿共同承力。吊桿荷載取值以吊桿作用點的影響范圍而定，一般可按照1/3 板自重及施工荷載的組合值，平均分配到每根吊桿上。一個吊耳對應一根吊桿，數量與間距均應保持一致。

拱架平面外穩定性通過設置拱頂拉桿（8）和斜撐（9）控制。拉桿和斜撐采用電焊固定方式或扣件連接等方式，根據現場實際情況選擇。材質可選擇鋼管、角鋼等材料。

如上是針對三鉸拱固定跨度情況下拱架懸掛施工的工藝原理。當板跨度改變時，可在原有三鉸拱的拱頂增加水平加節，作為調節拱架跨度的桿件，以擴大拱架的使用范圍。該方式將三鉸拱變為梯形拱架，拱架鉸接點變為四鉸梯形拱。拱架在受力計算時將拱身等效于梁，截面法應力計算拱身受力情況。系桿的拉力計算可通過拱身承受的彎矩除以拱高獲得。

3.2 拱架懸掛施工

拱架懸掛施工是一種創新的施工方法，可以采用鋼管拱、工字鋼拱、桁架拱等多種拱架形式。利用拱架受力合理和截面較小的特點，在鋼筋桁架樓承板兩側主梁或次梁上設置永久支座，連接固定拱架，再采用吊桿將鋼筋桁架樓承板永久荷載和施工荷載傳遞給拱架，通過拱架傳遞給次梁或主梁，使得鋼筋桁架樓承板、拱架體系、鋼結構體系能夠較好地協同工作。吊桿與鋼筋桁架樓承板相連的部位，應提前在上弦筋下部預設短鋼筋（直徑不宜過小），并與吊桿吊鉤可靠連接，以使吊桿的作用力均勻分散到各片桁架上，起到分散集中力、避免單點吊力過大破壞桁架筋與鍍鋅板焊點。

該施工工藝具有層層獨立施工，提高施工速度，節約工期，節省支撐腳手架搭設工程量，大面積甚至全面解決樓承板開裂問題，是難能的創新工藝，尤其是在超高空間大跨度鋼結構廠房、歌劇院等結構推廣應用價值更高。拱架可回收再加工后用到公路隧道初支護中，重復利用率較高。拱架懸掛施工比搭設腳手架支撐更安全、經濟。在層高高，跨度大的工程中推廣價值較高，為鋼結構體系樓板施工提供一種新的思路和方法。

4 結論

本文以云南省民族文化宮建設項目為例，科學地進行實驗設計，首先選取工況相同、試驗影響因素較小區域進行樓承板預堆載試驗以及加撐與不加撐對比試驗，從而得出影響鋼筋桁架樓承板開裂的主要原因。相關人員在對撓度控制工藝進行深入研究，最終選擇借鑒拱橋經驗，全面分析拱架受力及拱架懸掛體系設計，提出了拱架懸掛施工這種創新的施工方法，不僅節約了工期，還很好地解決了樓承板大面積開裂的問題，推動了鋼筋桁架樓承板的推廣和發展。