裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中疊合板分離式拼縫構(gòu)造分析與優(yōu)化的探究

康兆光

（北京市石景山區(qū)建筑公司，北京 100043）

0 引 言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)較全現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染小、改善施工環(huán)境、利于質(zhì)量控制、可持續(xù)發(fā)展等戰(zhàn)略優(yōu)勢，越來越廣泛地得到應(yīng)用。但相比較之下，由于裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點存在初始的裂縫，其整體性和抗側(cè)剛度表現(xiàn)又存著先天不足，工程實踐中，仍存在諸多技術(shù)難點。其中，疊合板作為廣泛應(yīng)用的裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件，與全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)板相比，可節(jié)省材料、施工簡便、縮短工期，與全裝配結(jié)構(gòu)板相比，則抗震性能好，整體性強。然而，現(xiàn)澆疊合層和預(yù)制疊合板混凝土應(yīng)力應(yīng)變存在非線性變化，現(xiàn)澆混凝土的收縮應(yīng)力也對疊合板承載力產(chǎn)生較大的影響。在多種應(yīng)力條件的共同作用下，疊合板的拼縫部位受力條件復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)整體性可靠、有效，對疊合板拼縫構(gòu)造的改進和優(yōu)化具有現(xiàn)實的工程實踐意義。

1 疊合板拼縫形式

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)疊合板分為單向板和雙向板，根據(jù)接縫、支座構(gòu)造和長寬比等條件進行設(shè)計拆分［1］。長寬比≤3 且四邊支撐的疊合板，可按雙向板設(shè)計，宜采用整體式接縫或無接縫。按單向板設(shè)計宜采用分離式接縫設(shè)計［2］。圖1 為疊合板的預(yù)制底板布置形式示意圖。

圖1 疊合板的預(yù)制底板布置形式示意圖

如圖1（a）所示，分離式接縫無需設(shè)置后澆帶。圖1（b）方案需要設(shè)置板側(cè)整體式接縫，實現(xiàn)鋼筋與混凝土連續(xù)受力，但施工工序較復(fù)雜，現(xiàn)場支模、綁筋工作量大，未體現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。圖1（c）方案整體性好，但板塊拆分尺寸大，不利于加工生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計?？梢?，在預(yù)制疊合板底板處直接拼縫，安裝方便，施工速度快，與整體式接縫相比，施工工藝具有效率優(yōu)勢［3］。

2 分離式拼縫構(gòu)造分析

采用典型分離拼縫構(gòu)造，在荷載作用下，無附加鋼筋時，由于施工荷載出現(xiàn)裂縫，荷載不增加，裂縫仍將向上部發(fā)展，直至破壞。為避免接拼縫處發(fā)生破壞，控制裂縫發(fā)展，根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，在預(yù)制底板表面設(shè)置附加鋼筋，現(xiàn)澆層施工完成并達到設(shè)計強度值后，構(gòu)成疊合板，形成整體結(jié)構(gòu)［4］。

裝配式結(jié)構(gòu)的疊合板拼縫存在初始的裂縫，根據(jù)斷裂力學(xué)，裂縫尖端的應(yīng)力強度因子 K 是控制裂縫發(fā)展的重要參數(shù)。當(dāng)裂縫尖端的應(yīng)力強度因子達到界限值 Kc時，裂縫將會失穩(wěn)擴展，Kc為材料的斷裂韌性。裂縫失穩(wěn)擴展的臨界條件［5］如式（1）所示。

應(yīng)力強度因子 K（kN/mm）超過材料的斷裂韌性 Kc（kN/mm），裂縫將失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致構(gòu)件破壞。而附加鋼筋對裂縫發(fā)展起到約束作用，增大了裂縫發(fā)展的應(yīng)力強度因子。疊合板拼縫處裂縫尖端的應(yīng)力強度因子如式（2）所示。

附加鋼筋產(chǎn)生了阻止裂縫開展的反向應(yīng)力強度因子，使得裂縫尖端處應(yīng)力強度因子下降，當(dāng)值小于混凝土裂縫韌性時，裂縫不會發(fā)展。當(dāng)附加鋼筋產(chǎn)生的阻力逐漸增大，附加鋼筋產(chǎn)生的逆向應(yīng)力強度因子也隨之增大，裂縫應(yīng)力強度因子則趨于減小，限制裂紋發(fā)展。設(shè)置附加鋼筋的鋼筋混凝土疊合板其裂縫起始擴展角方向?qū)⒋怪庇谄纯p沿疊合面方向發(fā)展?；诓牧狭W(xué)垂直于接縫方向單位板寬抗彎剛度如式（3）所示。

式中：Ec為混凝土彈性模量，MPa；Iy為截面慣性矩，mm4；η 為垂直于接縫方向單位板寬抗彎剛度拆減系數(shù)；b 為單位板寬，mm；h 為疊合板總厚度，mm；

疊合板拼縫部位受力情況不符合平截面假設(shè)。在荷載作用下，接縫區(qū)域一定范圍出現(xiàn)零應(yīng)力，中性軸上移，抗彎截面減小，鋼筋應(yīng)變值變化平緩，拼縫結(jié)構(gòu)未能有效傳力，未充分發(fā)揮鋼筋抗拉性能，疊合板底板與現(xiàn)澆層不能有效實現(xiàn)整體受力、協(xié)同工作。由此可見，疊合板整體承載力取決于拼縫部位實際截面的承載能力。提高疊合板整體承載力必須合理構(gòu)建拼縫部位受力體系，優(yōu)化構(gòu)造節(jié)點作法，提高疊合板整體性能。

3 疊合板拼縫構(gòu)造節(jié)點優(yōu)化

附加鋼筋產(chǎn)生的阻裂機制，能夠改變疊合板拼縫處受力特征，疊合面與拼縫處的最大正應(yīng)力方向改變，最大正應(yīng)力方向?qū)②呄蛴谘丿B合面水平方向，即裂縫發(fā)展至疊合面后，改為垂直于拼縫方向發(fā)展，不形成貫通裂縫。但是按分離式接縫設(shè)計的疊合樓板，經(jīng)混凝土現(xiàn)澆層形成整體板塊后，受力模式具有明顯的雙向板受力特征［6］，簡單地按單向板受力模式設(shè)計拼縫節(jié)點，顯然存在不合理性。

疊合板底板面設(shè)置附加鋼筋對疊合板承載能力具有一定的貢獻，形成了阻裂機制，但是由于計算高度較小，相對于板面較薄弱，降低了疊合板的整體承載力，隨拼縫寬度的增大，影響愈加明顯，疊合板拼接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在預(yù)制板與后澆混凝土界面受彎承載力低、撓度較現(xiàn)澆板大，易發(fā)生開裂、破壞。

為提高正常使用狀態(tài)下的的開裂載荷值，對拼縫部位進行節(jié)點優(yōu)化，提高節(jié)點部位受力性能。疊合板底板上表面設(shè)置附加鋼筋，且具有足夠的錨固長度，使構(gòu)件不但具有足夠的承載力，同時具有足夠的抗裂能力。疊合板縱向長邊設(shè)置 40～60 mm 拼縫，與疊合層混凝土同時澆筑施工。拼縫底部設(shè)通長鋼筋，通過拉鉤與疊合層上鐵拉結(jié)，形成拼縫部位鋼筋桁架結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 拼縫部位節(jié)點優(yōu)化示意圖（單位：mm）

在設(shè)計的使用荷載條件下，疊合板拼縫部位不設(shè)置鋼筋桁架結(jié)構(gòu)，疊合板的承載力和變形能夠滿足要求，鋼筋屈服后將可能發(fā)生脆性破壞。設(shè)置鋼筋桁架結(jié)構(gòu)，有效傳遞剪力和彎矩，提高疊合板的延性，對疊合板的整體承載力有明顯貢獻。通過對單向疊合板拼縫部位節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計，改善了單向疊合板澆筑完成后形成的整體板塊的受力性能，提高了抗裂性和整體性。

4 工程實踐

本工程總建筑面積 128 316.32 m2，4 棟主體均為住宅樓，地上 28 層，層高 2.80 m，裝修標(biāo)準(zhǔn)為精裝修。建筑設(shè)計使用年限 50 年。抗震設(shè)防烈度為 8 度。建筑結(jié)構(gòu)形式為裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)?？照{(diào)板、樓梯梯段等為預(yù)制構(gòu)件，首層頂板至屋頂層地板為疊合樓板，其他樓板為鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，外墻為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，部分內(nèi)墻為預(yù)制墻板。符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的工業(yè)化建筑特征。

根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計節(jié)點詳圖，疊合板縱向拼縫為典型分離式接縫設(shè)計，疊合板底板板面設(shè)置Φ8@200 附加鋼筋，錨固長度 90 mm，2Φ8 通長鋼筋與附加鋼筋綁扎。優(yōu)化前預(yù)制疊合板拼縫構(gòu)造如圖3 所示。

圖3 單向板側(cè)拼縫節(jié)點一般做法（單位：mm）

圖3 為典型單向板側(cè)邊分離式拼縫節(jié)點做法，疊合板在現(xiàn)澆層澆筑前已經(jīng)存在初始裂縫?，F(xiàn)澆層澆筑完成后，拼縫部位較薄弱，傳力性能較差，在載荷作用下，易發(fā)生應(yīng)力集中，裂縫易在拼縫縫部位集中出現(xiàn)，破壞疊合板整體性能。

經(jīng)過分析與研究，對疊合板拼縫部位節(jié)點構(gòu)造進行優(yōu)化設(shè)計，疊合板縱向拼縫縫隙部位設(shè) 60 mm 寬現(xiàn)澆帶，疊合板底板板面設(shè)置Φ8@200 附加鋼筋，錨固長度 15 d（d 為鋼筋直徑），Φ8@250 通長鋼筋與附加鋼筋綁扎。后澆帶中設(shè) 1Φ8 縱向通長鋼筋與疊合板現(xiàn)澆層縱向鋼筋采用 Φ6@600 拉鉤形成桁架體系。優(yōu)化后預(yù)制疊合板拼縫構(gòu)造如圖4 所示。

圖4 單向板側(cè)拼縫節(jié)點優(yōu)化做法（單位：mm）

疊合板整體承載力受拼縫部位構(gòu)造影響顯著，取決于拼縫部位實際截面的承載能力值。疊合板拼縫部位設(shè)置鋼筋桁架體系后，鋼筋可有效傳力，附加鋼筋向疊合板底板受力鋼筋充分傳遞，發(fā)揮鋼筋抗拉性能，增強拼縫部位結(jié)構(gòu)可靠性，削弱剛度發(fā)展突變，提高抗剪承載力，更有效抑制裂縫的發(fā)生，從而避免脆性破壞。

通過工程實踐，疊合層澆筑完成后，板面未出現(xiàn)開裂，拼縫部位平整度偏差均≤1.5 mm，無裂縫出現(xiàn)，較傳統(tǒng)拼縫節(jié)點做法，疊合板采取鋼筋空間桁架構(gòu)造設(shè)計，改善了拼縫部位的受力性能，收到較好的實際效果。

5 結(jié) 論

疊合板按構(gòu)造可分為預(yù)制底板和現(xiàn)澆疊合層，在荷載作用下，預(yù)制底板與現(xiàn)澆疊合層應(yīng)力、應(yīng)變呈非線性變化。受拉鋼筋應(yīng)力超前，疊合層混凝土受壓應(yīng)變滯后。疊合層界面的相對滑移作用，二次受力、混凝土的收縮作用都對疊合板受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，受力情況復(fù)雜。為了能夠清晰了解疊合板在荷載作下的受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)整體性能，疊合板拼縫部位構(gòu)造應(yīng)做為疊合板的重要構(gòu)造組成深入進行分析和研究。通過對單向疊合板拼縫構(gòu)造的受力分析對拼縫構(gòu)造進行了優(yōu)化償試，并經(jīng)過工程實踐驗證，得出如下結(jié)論。

1）單向疊合板拼縫部位設(shè)置鋼筋網(wǎng)架的優(yōu)化措施，有效削除了相臨預(yù)制疊合板間由于尺寸偏差和安裝誤差引起的細微偏差，確保了結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，并為后期裝修工作提供較好的施工條件。

2）通過對單向疊合板拼縫部位的優(yōu)化設(shè)計，拼縫部位采取鋼筋桁架構(gòu)造措施，拼縫寬度宜設(shè)置在 40～60 mm，有效削弱剛度突變，實現(xiàn)拼縫部位對彎矩作用的傳遞，提高了單向疊合板的整體承載能力。

3）通過板縫節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化，疊合板現(xiàn)澆層施工完成后，形成整體板塊。由于疊合樓板整體受力模式在實際使用過程中具有雙向板受力特征，對于疊合板底板的拆分，建議板縫避開彎矩較大部位，更有利于結(jié)構(gòu)整體性能。