裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制疊合板桁架鋼筋布置方向研究

陽 旭

(中鐵二十三局集團(tuán)建筑設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610031)

近年來，裝配式建筑在各方面政策推動下掀起了應(yīng)用熱潮。中國的預(yù)制裝配式建筑起步較晚，對裝配式建筑的研究較少，裝配整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計采用與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行分析。疊合板因其受力形式簡單，制作方便等優(yōu)勢應(yīng)用較廣。

《規(guī)程》第6.6.2條規(guī)定，跨度大于3 m的疊合板，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板[1]；第6.6.7條規(guī)定，桁架鋼筋應(yīng)沿主要受力方向布置[1]?！兑?guī)程》約定的主受力方向是考慮施工過程中的主受力方向，與傳統(tǒng)的單向板、雙向板主要受力方向概念不同。本文基于疊合板受力特征，分析疊合面抗剪能力和桁架鋼筋在疊合面抗剪所起作用，從而對單向板中桁架鋼筋布置方向提出建議，希望對裝配式建筑設(shè)計人員的工作有所幫助。

1 單/雙向板主要受力方向桁架鋼筋布置方向

(a)雙向板桁架鋼筋布置方向

(b)單向板桁架鋼筋布置方向圖1 單/雙向板主要受力方向桁架鋼筋布置方向

2 疊合板疊合面抗剪計算

依據(jù)我國GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，對不配箍筋的疊合板，當(dāng)符合規(guī)范疊合界面粗糙度的構(gòu)造規(guī)定時[3]，其疊合面的受剪強(qiáng)度應(yīng)符合下列公式的要求：

V≤0.4bh0

(1)

美國規(guī)范ACI 318，對不配置箍筋粗糙的疊合面，其受剪承載能力需滿足式(2)的規(guī)定：

V≤φVn=0.55φbh0=0.47bh0

(2)

由(1)、(2)可見，我國規(guī)范GB 50010-2010和美國規(guī)范ACI 318對疊合面的處理手法類似，均沒考慮混凝土強(qiáng)度等級影響，但我國規(guī)范的要求略嚴(yán)于美國規(guī)范。

疊合板受剪作用最大的截面為支座附近，板端(簡支或連續(xù))的剪力設(shè)計值為：

V=β{γG[γC(h01+h02)+gk]+γQqk}bl

(3)

式中：β為剪力系數(shù)，簡支板取0.5，連續(xù)板取0.6[2]；γG為持久荷載分項系數(shù)，取1.2；γC為鋼筋混凝容重，取26 kN/m3；γQ為活荷載分項系數(shù),取1.4；qk為活荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；b板寬度、l長度(m)；h01、h02分別為底板厚度、疊合層厚度(m)；gk建筑面層、吊頂恒載，住宅一般取1.5 kN/m2。

《規(guī)程》第6.6.2條規(guī)定桁架鋼筋混凝土疊合板底板厚度(h01)不宜小于60 mm；后澆混凝土疊合層厚度(h02)不應(yīng)小于60 mm[1]。在實際項目中，考慮水電管線預(yù)埋在疊合層內(nèi)，后澆板厚度60 mm很難滿足要求，實際項目中疊合層厚度(h02)一般取70 mm。

住宅建筑的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值通常為2～4 kN/m2，由式(1),(3)得到活荷載與跨度、后澆混凝土厚度的關(guān)系,詳表1。

隨著教學(xué)改革的深入和電子信息技術(shù)的發(fā)展，多媒體與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)尤其是慕課、微課[28]的快速出現(xiàn)，使得教學(xué)形式的選擇更加多樣化，為理想教學(xué)環(huán)境和教學(xué)模式改革提供了強(qiáng)大的物質(zhì)支持。微課不僅是一種新型的教學(xué)資源[29-30]，更是基于某些知識點的簡單但完整的教學(xué)過程。翻轉(zhuǎn)課堂又稱反轉(zhuǎn)課堂，其可以理解為將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式“翻轉(zhuǎn)”過來。學(xué)生可以在家或者寢室看視頻以替代教師的課堂講解;在課堂上，教師和學(xué)生則把精力集中在探討學(xué)生自學(xué)有困難的內(nèi)容上，并同時完成練習(xí)，還可以加強(qiáng)學(xué)生與教師和學(xué)伴的互動交流。這種課堂形式最大的優(yōu)點在于學(xué)生對學(xué)習(xí)的安排和選擇可以更加自主[31]。

表1 樓板荷載與跨度、疊合層厚度的關(guān)系

由表1可知樓板活荷載不大于4.0 kN/m2，跨度不大于6 m時，設(shè)置粗糙面即可抵抗疊合層的剪力，而不需要設(shè)置桁架鋼筋。

3 單向板桁架鋼筋布置方向

3.1 單向板在施工階段和運營階段的受力模

單向板長寬比較大，在脫模、吊裝驗算時，構(gòu)件長度方向會因剛度不足而產(chǎn)生變形破壞，此時桁架鋼筋應(yīng)沿構(gòu)件長度方向布置，提高預(yù)制板的整體剛度，保證構(gòu)件脫模、吊裝過程不破壞。

在荷載作用下，構(gòu)件撓度采用下式進(jìn)行計算：

(4)

式中：Mq為荷載準(zhǔn)永久組合下彎矩；l0為構(gòu)件計算跨度；E為構(gòu)件彈性模量；I0為構(gòu)件慣性矩。

桁架鋼筋作用下預(yù)制板慣性矩為：

(5)

式中：B為預(yù)制板有效寬度(圖2)；tPCF預(yù)制底板厚度。

圖2 有效寬度示意

3.2 桁架筋對單向板剛度的影響分析

中性軸距離y0：

(6)

慣性矩I0：

I0=ACαI(h-y0)2+{[y0-(h-h1)]2A1+

(7)

式中：Ac為上弦筋面積(mm2)；As為下弦筋面積(mm2)；A1為板寬B范圍內(nèi)與疊合筋平行的板內(nèi)分布鋼筋配筋面積；h1為與疊合筋平行的板內(nèi)分布鋼筋形心到上弦筋形心的距離(mm)；hs為下弦筋和上弦筋的形心距離(mm)；tPCF為預(yù)制疊合板板厚(mm)；h為預(yù)制疊合板斷面板底至到上弦筋形心的距離(mm)；B為預(yù)制疊合板有效板寬(mm)；αE為鋼筋與混凝土的彈性模量之比；ES為鋼筋的彈性模量(N/mm2)；EC為混凝土的彈性模量(N/mm2)。

采用常規(guī)疊合板厚度(預(yù)制底板60 mm、現(xiàn)澆層70 mm)，混凝土強(qiáng)度等級為C30(彈性模量EC=3.0×104MPa)，鋼筋采用三級鋼(HRB400，彈性模量ES=2.0×105MPa)，預(yù)制底板配筋為φ8@200雙向布置，桁架鋼筋布置如圖3、圖4所示，計算對比無桁架鋼筋和有桁架鋼筋時，預(yù)制疊合板底板慣性矩。

(a) 下弦筋在疊合筋垂直方向的分布筋下面

(b) 下弦筋在疊合筋垂直方向的分布筋上面圖3 桁架鋼筋尺寸簡圖

圖4 桁架鋼筋布置簡圖

假定B=600mm，tPCF=60mm，AC、As=50mm2(直徑8 mm鋼筋)，h1=hs=77mm，A1=150mm2，h=100mm。

無桁架鋼筋時預(yù)制底板慣性矩為：

(8)

有桁架鋼筋時預(yù)制底板慣性矩為：

(9)

(10)

由綜上可知，有桁架筋時疊合板底板沿長度方向的慣性增大6倍，大大提高預(yù)制底板剛度，保證構(gòu)件脫模、吊裝時過程不破壞。故，單向預(yù)制疊合板底板桁架鋼筋應(yīng)沿構(gòu)件長度方向布置，如圖5所示。

圖5 單向板桁架鋼筋沿構(gòu)件長度方向布置

4 工程實例

某四川省成都市住宅項目工程，高層住宅均為剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計時均按政府要求設(shè)計為裝配式建筑，且需滿足裝配率不小于20 %，預(yù)制率不小于15 %。通過計算，最終確定預(yù)制構(gòu)件種類有三種：預(yù)制底板、預(yù)制樓梯、預(yù)制灰渣混凝土空心隔墻板。其中1號樓陽臺板為單向板(圖6)，板長寬比為2.84，按《規(guī)程》要求，單向板桁架鋼筋布置方向為主受力方向(短向)，在脫模、吊裝過程中發(fā)現(xiàn)，預(yù)制底板在長度方向擾度較大，最終導(dǎo)致板開裂，甚至出現(xiàn)斷板情況(圖7)，將桁架鋼筋方向更改為沿板長度方向以后，再未出現(xiàn)擾度過大而斷板情況。

(a)陽臺板(單向板)平面布置

(b)桁架鋼筋沿主受力方向布置圖6 工程實例陽臺板布置

(a)桁架鋼筋沿短向布置吊裝情況

(b)桁架鋼筋沿長方向布置吊裝情況圖7 桁架鋼筋不同方向布置吊裝情況

5 結(jié)論

本文通過計算、實例對比得出以下結(jié)論：

(1)通過比較和分析不同跨度和不同活荷載下疊合面抗剪承載能力，對于一般民用建筑，設(shè)置粗糙面即可抵抗疊合層的剪力，桁架筋的設(shè)置并非抵抗疊合面的剪力。桁架鋼筋的作用更多表現(xiàn)為：增加構(gòu)件剛度、作為施工“馬鐙”、作用“吊鉤”等。

(2)當(dāng)疊合板為單向板時，預(yù)制底板桁架鋼筋的布置方向應(yīng)沿構(gòu)件長度方向布置，增加結(jié)構(gòu)整體剛度，防止脫模、條狀破壞。

(3)對“《規(guī)程》第6.6.7條規(guī)定：桁架鋼筋應(yīng)沿主受力方向布置”的理解應(yīng)為“桁架鋼筋應(yīng)沿桁架鋼筋起作用的方向布置”，而非簡單理解為構(gòu)件的主受力方向。