鋼筋桁架樓承板裂縫控制創新施工工藝探討

茹幸，姬永鐵，李波，張聰

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100071）

1 引言

作為新型樓板組合的代表， 鋼筋桁架樓承板和現澆板存在明顯區別，前者具有施工難度小、成本低和速度快等優點，現已在建筑市場得到廣泛運用。 施工期間，樓承板有較大概率出現裂縫，影響最終效果，以往國內外學者針對鋼筋桁架所展開的研究多集中于鋼筋桁架特點、施工方案上，本文將目光聚焦于樓承板， 根據裂縫成因和試驗結果研發全新的施工技術——拱架懸掛施工技術，最終獲得遠超預期的理想效果。 將拱架懸掛施工用于大跨度、超高建筑施工，可使施工質量、安全及效率得到不同程度的提升，其現實意義有目共睹。

2 項目概況

某地政府計劃對博物館內文化宮進行改建， 項目建筑面積約為31 000 m2， 由3 層群體建筑組成， 主體建筑的層高為5~21 m，內部跨度最大能達60 m。 建筑結構均選用鋼框架，搭配鋼筋混凝土樓板，特殊區域增設厚度為5mm 的鋼板，以確保剛度達到設計要求。 隨著時間的推移，原有樓板出現多個裂縫，鑒于此，客戶方要求施工人員用鋼筋桁架樓承板替代原有樓板，且樓承板底部裝有0.5 mm 厚鍍鋅鋼板，另外，改建后，建筑結構的抗震設防烈度要求達到8 度。

3 樓承板開裂

3.1 常見原因

上弦、腹桿和下弦均為鋼筋的桁架為鋼筋桁架，該桁架通過電阻點焊的方式和底板相連所形成承重板，即為本文所討論的樓承板，該類樓承板屬于典型的無支撐壓型樓承板（見圖1）[1]。 其優點在于支持機械化生產，可保證鋼筋間距相等、保護層厚度相同，使樓板質量達到預期水平；拆裝連接件、模板的速度較快， 上述構件均能重復使用， 與當今社會所倡導的環保、節能要求相符；現場施工量明顯少于傳統工藝，可在保證施工安全的前提下縮短工期，達到文明施工的最終目的[2]。

圖1 鋼筋桁架樓承板

當然，該樓承板也存在明顯不足，即較易損壞。 樓承板出現裂縫的原因較多，常見原因包括：其一，施工荷載集中，使樓承板短時間內嚴重變形，出現裂縫；其二，施工用商品混凝土的配合比與現場情況不符；其三，樓承板實際施工跨度超出設計范圍允許的跨度上限，致使樓承板主體變形并開裂；其四，在溫度較高的夏季進行施工，未及時養護收面，使收面開裂；其五，通過泵送的方式澆筑，泵管頻繁震動，使樓承板開裂。 上述原因中，混凝土配合比、天氣和澆筑方式的控制難度較小，變形裂縫的控制難度極大。 鑒于此，在探究問題成因時，應選擇結構跨度完全一致的樓承板，在相同樓層、區域進行試驗，確定變形程度最為嚴重的部位后，再對支撐體系進行設計，以確保設計方案具有可行性。

3.2 探究方案

參與本次試驗的鋼筋桁架尺寸見表1。

表1 鋼筋桁架尺寸

通過焊接的方式，對樓承板、應力應變器進行連接，如實記錄鋼筋受力、變形情況。 在混凝土內設置應力計，經由應力計了解不同強度混凝土的應力。 利用應變計對主梁、次梁狀態和變形程度加以了解。 樓承板下方裝有千分表，其作用是顯示澆筑對樓承板撓度產生的影響。 百分表負責監測鋼梁應變、支撐立桿軸力值。

為準確掌握開裂原因， 施工方設置加撐組和不加撐組分別進行分析，任一跨板跨中均設有一排鋼管支撐，相鄰立桿之間的距離為1.2 m，另外，還在頂托表面增設了通長木枋[3]。 施工方嚴格按照設計方案提出的要求澆筑、 振搗并且養護混凝土，保護層平整度和厚度均符合規定。 待澆筑混凝土的環節告一段落，不加撐板跨中撓度在18 mm 左右，加撐的撓度在7 mm左右。 外在表現為： 不加撐的樓承板在短時間內出現多個裂縫，且裂縫沿鋼筋桁架走向延伸，縫寬最大能達1.0 mm 左右，而加撐樓承板并未出現裂縫。

4 控制工藝討論

經過分析可知， 導致樓承板出現裂縫的原因主要是其撓曲變形程度超出允許范圍，考慮到安裝腳手架存在速度慢、成本高等因素，且建筑層高偏高，難以保障施工人員安全，施工方應結合現場工況、 常規工藝和自身經驗， 對控制裂縫的工藝進行創新，放棄底部增設支撐的做法，改用懸掛拱架對撓曲變形程度加以控制，進而達到避免樓承板開裂的目的。 全新控制工藝如下。

4.1 設計方案

從結構力學的角度分析， 單拱結構的拱腳需要承受水平推力，除拱腳外的其他部位則需要承受壓力。 要想將拱結構作為受力結構， 關鍵要消除拱腳推力給鋼梁造成的影響， 鑒于此，對拱架懸掛體系進行設計時，可先利用彈性變形程度有限的塑鋼鋼筋，對各拱腳加以連接，再利用拱腳系桿對花籃螺栓（見圖2）進行連接，將鋼梁側面彎矩的概率降至最低。

圖2 花籃螺栓

4.2 控制原理

本項目中，鋼拱架為主要受力構架，需要借鑒三鉸拱受力原理，利用拱腳系桿對水平推力進行消除。 花籃螺栓負責連接樓承板與吊桿，通過打造彈性支承的方式，對樓承板整體撓曲變形程度加以控制。 其中，吊桿的作用是向拱架傳遞混凝土自重、施工荷載、樓承板自重，在拱腳系桿、拱架的作用下，確保豎向荷載能夠經由臨時支座順利到達鋼框架梁內部。 澆筑商品混凝土期間，鋼結構、樓承板及拱架的變形程度始終保持一致，真正做到通過控制樓承板整體撓曲變形程度的方式，將混凝土裂縫數量、深度控制在允許范圍內。 普通懸掛拱架可以拆分成以下部分：半拱架、吊桿、吊耳、花籃螺栓、拱腳系桿、斜撐、拱頂拉桿、臨時支座[4]。 本項目所使用的拱架為加節拱架，整體結構如圖3 所示。

圖3 加節拱架結構圖

4.3 連接方式

4.3.1 懸掛拱架

鋼拱架由中間帶有支座的半拱架、邊緣帶有支座的半拱架組成，臨時支座通過螺栓與鋼梁、拱腳相連，拱頂同樣用螺栓加固，以上構件共同組成三鉸拱。 拱架與半拱架組成多跨、單跨拱架。 不同的半拱架可經由拱頂預設螺栓相連。 鋼框架梁與臨時支座的連接點通過焊接加固，臨時支座經由螺栓和拱腳相連。

4.3.2 其他構件

待安裝拱架主體的工作告一段落，盡快連接吊桿與吊耳、吊桿與樓承板，其中，吊桿上部與吊耳相連，下部經由花籃螺栓與樓承板的分布筋相連，通過緊固、擰松花籃螺栓的方式，對樓承板整體預拱度、撓度加以控制。

在本項目中，為消除拱腳推力所造成影響，設計人員決定將花籃螺栓、拱腳系桿相連，此時，拱腳只需承受豎向荷載即可，隨著豎向荷載經由鋼框架梁到達鋼柱內部，鋼框架梁受扭的問題迎刃而解。 計算吊點數量、相鄰吊點之間的距離時，應重點考慮拱架吊桿、樓承板共同受力的工況，根據吊桿作用點所能輻射的范圍，對荷載取值加以確定，正常情況下，取施工荷載、板自重的1/3，確保任一吊桿所分配荷載值相同，每個吊耳均有吊桿對應，吊耳、吊桿數量和距離完全相同。 斜撐、拱頂拉桿負責對拱架所具有外穩定性加以控制。 實際施工中，可以根據實際情況對連接方式加以選擇， 符合本項目要求的連接方式有扣件連接、焊接，另外，斜撐、拱頂拉桿的材料也并不唯一，常用材料包括角鋼和鋼管，同樣要視情況選擇。 需明確，若板跨度發生改變，應以現有三鉸拱為基礎，在拱頂增設相應的水平加節，通過對拱架跨度加以調節的方式，使拱架覆蓋范圍達到理想水平。 但增設水平加節會使拱架形態由三鉸拱改變成梯形拱架，鉸接點隨之變成四鉸梯形拱。 如果需要計算拱架受力，應將拱身視為梁，并根據其所承受彎矩大小和拱高對系桿拉力加以確定。

4.4 施工要點

作為一項全新的施工技術，拱架懸掛施工所適用拱架形式較多，包括但不限于桁架拱、鋼管拱及工字鋼拱，以拱架截面小、受力科學為依據，分別在樓承板主梁、次梁恰當位置增設永久性支座，對拱架進行可靠連接，同時利用吊桿對施工荷載、樓承板荷載加以傳遞，可確保荷載經由拱架到達主梁、次梁，使鋼結構、樓承板還有拱架成為整體，并為日后協同作業提供先決條件。 樓承板、吊桿連接處，需要提前設置直徑符合要求的短鋼筋，通過將短鋼筋接入吊桿吊鉤的方式，使吊桿所承受作用力平均分布到不同的桁架上，有效解決由于單點吊力超出構件所能承受范圍，導致鍍鋅盤焊點、桁架筋被破壞的情況。 事實證明，上述工藝具有施工速度快、支持獨立施工和工程量少等優點，可將樓承板開裂的概率降至最低，將其用于大跨度結構建筑的施工，能在保證施工質量的前提下縮短工期，施工結束后，可將拱架回收并應用在公路支護項目中，具有良好的經濟性。

5 結語

研究發現，與安裝腳手架的傳統工藝相比，拱架懸掛施工更加經濟且安全， 不僅能在極大程度上減少安裝腳手架的工程量，還可使施工速度始終維持在較為理想的水平，將其用于跨度較大、層高偏高的項目中，通常能取得事半功倍的效果。本文以實際項目為例，確定導致樓承板出現裂縫的原因后，從多個角度對控制撓度的工藝展開討論， 以拱橋施工所積累經驗為依據，最終決定改用拱架懸掛施工。 現階段，本項目已順利竣工并投入使用，實際效果表明，拱架懸掛施工既能夠縮短項目工期，又可將樓承板出現裂縫的概率降至最低，對日后大范圍推廣鋼結構樓板具有重要意義。