新型蜂窩全預(yù)制免撐樓板研究*

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系之一，也是目前國內(nèi)推廣應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)體系之一。樓板作為結(jié)構(gòu)的重要組成部分，將樓層的恒荷載、活荷載傳遞給各抗側(cè)力構(gòu)件。預(yù)制樓板一般分為濕式樓蓋、干式樓蓋和混合式樓蓋，濕式樓蓋和混合式樓蓋因存在現(xiàn)澆式樓蓋的部分缺點，限制了預(yù)制混凝土技術(shù)的推廣與應(yīng)用[1]。干式樓蓋保留了預(yù)制式樓蓋的優(yōu)點，但干式樓蓋在連接方式和抗震設(shè)計方法方面缺乏成熟的理論，給其使用和推廣帶來困難[2]。本文研究并創(chuàng)新了一種免支撐免模高效樓蓋，在工程設(shè)計前期就考慮優(yōu)化預(yù)制構(gòu)件連接做法，盡量減少甚至免除支撐立桿數(shù)量，簡化支架搭設(shè)工藝，免除或減少濕作業(yè)模板，有利于降低構(gòu)件安裝成本和難度，提高構(gòu)件安裝質(zhì)量，縮短裝配式工程吊裝與施工時間，對于提高裝配式建筑品質(zhì)和質(zhì)量、推進裝配式建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有參考價值。

1 蜂窩型全預(yù)制樓板概述

蜂窩型全預(yù)制樓板在預(yù)制板中部設(shè)置了一定規(guī)則排布的混凝土支墩，支墩與上下板面形成空腔，空腔尺寸需滿足管線穿插布置要求，考慮多根管線并行及跨越，空腔尺寸為50mm×200mm，同時對蜂窩預(yù)制板下部板四周進行出挑，以滿足管線在后澆區(qū)轉(zhuǎn)折和鋼筋錨固要求，為便于生產(chǎn)加工，在保證板內(nèi)空腔和支墩尺寸不變的前提下，根據(jù)不同板跨對出挑長度進行可變調(diào)整，出挑長度控制在100～250mm，蜂窩全預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)及節(jié)點如圖1～5所示。

圖1 蜂窩型全預(yù)制樓板三維結(jié)構(gòu)剖面立面

圖2 蜂窩全預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)

圖3 密拼接縫（板底縱筋間接搭接）

圖4 中間梁支座連接構(gòu)造

圖5 邊支座連接構(gòu)造

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

針對蜂窩型全預(yù)制樓板施工工況及使用階段進行有限元分析，其中混凝土為C30，本構(gòu)模型采用損傷塑性模型[3]，鋼筋為HRB400，采用各向同性彈塑性材料模型。應(yīng)用“Embeded”命令將鋼筋單元嵌入混凝土單元以模擬混凝土與鋼筋的黏結(jié)。

施工階段分析板寬取1．8m，根據(jù)結(jié)構(gòu)自重不同進行荷載施加，施工荷載取值為1．5kN/m2，板支座端分別設(shè)置2個角鋼支撐件，支撐件與板底面和預(yù)制梁建立摩擦接觸關(guān)系，對支撐件螺栓孔進行完全固定約束，有限元荷載與邊界條件如圖6所示。

圖6 邊界條件與荷載條件

針對板厚150mm的蜂窩預(yù)制板在4．5m跨度進行使用階段的初步分析，并與同尺寸現(xiàn)澆板進行對比。荷載取值參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]中關(guān)于荷載組合的設(shè)計方法，確定可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值，其中，樓板恒荷載考慮樓板自重、裝修荷載及附加恒荷載，預(yù)制板寬取1．8m，經(jīng)計算蜂窩板的均布荷載取值9．75kN/m2；現(xiàn)澆板均布荷載取值10．58kN/m2。板端邊界定義為固端約束。

2.2 施工階段分析

圖7 150mm板厚4.5m跨蜂窩板有限元分析結(jié)果

1）150m m板厚在4．5m跨度下施工工況分析 有限元施工工況分析主要結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，結(jié)構(gòu)最大變形在板跨中位置，為沿豎向向下3．34mm＜11．25mm；混凝土沿z軸的最大拉應(yīng)力為1．71MPa＜2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），出現(xiàn)在板跨中區(qū)域，可見結(jié)構(gòu)受力和變形均滿足施工設(shè)計要求。

2）150m m板厚在4．5m跨度下剛度對比分析 結(jié)構(gòu)最大變形2．64mm；混凝土沿z軸的最大拉應(yīng)力為2．034MPa。對比蜂窩預(yù)制板與現(xiàn)澆板結(jié)果，蜂窩預(yù)制板的結(jié)構(gòu)變形相較于現(xiàn)澆板略有增大，但混凝土最大拉應(yīng)力比現(xiàn)澆板要小，是由于蜂窩預(yù)制板的空腔減小了結(jié)構(gòu)自重，荷載比現(xiàn)澆板小。根據(jù)分析得出的位移，采用簡支構(gòu)件撓度計算公式對結(jié)構(gòu)剛度進行簡化計算，蜂窩預(yù)制板抗彎剛度約為6．721×109N/mm，現(xiàn)澆板抗彎剛度約為10．611×109N/mm，即蜂窩預(yù)制板的剛度約為現(xiàn)澆板的63．3%。

3）150m m板厚在4．5m跨度下結(jié)構(gòu)受力與變形有限元分析 結(jié)構(gòu)最大變形在板跨中位置，為沿豎向向下4．02mm＜13．50mm；混凝土沿z軸的最大拉應(yīng)力為1．95MPa＜2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），出現(xiàn)在板跨中區(qū)域，結(jié)構(gòu)受力和變形均可滿足施工設(shè)計要求。

4）200m m板厚在6．0m跨度下有限元分析 結(jié)構(gòu)最大變形在板跨中位置，為沿豎向向下4．77mm＜15．00mm；混凝土沿z軸的最大拉應(yīng)力為2．03MPa＞2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），出現(xiàn)在板跨中區(qū)域，同時跨中出現(xiàn)小范圍受拉損傷，數(shù)值較小，可認(rèn)定為裂縫較小，滿足設(shè)計要求。

對上述分析結(jié)果進行總結(jié)對比可初步得出，當(dāng)板的跨厚比不大于30時基本可實現(xiàn)蜂窩預(yù)制板的免支撐施工，對比情況如表1所示。

表1 蜂窩型全預(yù)制板初步選型分析結(jié)果對比

2.3 使用階段分析

由于蜂窩板為全預(yù)制樓板，對其使用狀態(tài)下的受力性能研究具有重要意義。針對板厚150mm蜂窩預(yù)制板在4．5m跨度免支撐的基礎(chǔ)上進行使用階段初步分析，并與同尺寸現(xiàn)澆板進行對比，研究蜂窩全預(yù)制板在使用階段的適用性。蜂窩預(yù)制板使用階段有限元分析主要結(jié)果如圖8所示。

圖8 150mm厚4.5m跨蜂窩板使用階段有限元分析結(jié)果

由圖8可看出，結(jié)構(gòu)最大變形為沿豎向向下2．90mm＜11．25mm；混凝土板底沿z軸的最大拉應(yīng)力為1．894MPa＜2．010MPa（混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），出現(xiàn)在板跨中區(qū)域；但板在端部約束部位混凝土出現(xiàn)受拉損傷，是由于板端完全約束且未配置相應(yīng)受拉鋼筋。

現(xiàn)澆板有限元分析主要結(jié)果：現(xiàn)澆板的結(jié)構(gòu)最大變形為沿豎向向下2．90mm＜11．25mm，混凝土板底沿z軸的最大拉應(yīng)力為1．91MPa＜2．01MPa（混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），出現(xiàn)在板跨中區(qū)域，同樣在板端部約束部位的混凝土出現(xiàn)受拉損傷。

可見蜂窩預(yù)制板與現(xiàn)澆板具有同樣的受力特性，變形差異較小，可見板內(nèi)空腔對結(jié)構(gòu)剛度消減作用較小，在板端固接條件下基本可做到跨厚比為30時構(gòu)件的正常使用。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 蜂窩預(yù)制板優(yōu)缺點分析

1）優(yōu)點 ①蜂窩板內(nèi)設(shè)置空腔，減小構(gòu)件重量，同時增大結(jié)構(gòu)剛度；②構(gòu)件施工時可不設(shè)支撐或少支撐，節(jié)約現(xiàn)場施工成本與時間；③全預(yù)制樓板可減少現(xiàn)場現(xiàn)澆工作，施工快捷且縮短工期；④減少污染，利于環(huán)保。

2）缺點 ①蜂窩樓板厚度增加，樓層凈高降低；②樓板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對生產(chǎn)工藝要求高，由于存在外伸錨固鋼筋，板邊模需開孔處理；③部分區(qū)域管線安裝困難，管線密集區(qū)域不適用，且管線多轉(zhuǎn)折，前期需進行管線協(xié)同設(shè)計，增加工作量與成本；④空腔或采用專用成型材料，增加生產(chǎn)成本。

3.2 工程應(yīng)用尚需解決的問題

3.2.1 生產(chǎn)工藝

蜂窩預(yù)制樓板由于板內(nèi)存在按一定規(guī)律排布的空腔，相較其他預(yù)制樓板生產(chǎn)工藝復(fù)雜，板支座與拼縫處需設(shè)外伸錨固鋼筋，需在板邊模進行開洞處理，如何保證質(zhì)量、降低成本并高效生產(chǎn)是需要思考和解決的問題。

空腔成形可采用一種薄殼塑料作為內(nèi)模，一次澆筑成形后，薄殼塑料留于板內(nèi)，不必脫出，這種生產(chǎn)方式速度快、簡單，但會增加一定成本；另外，可先生產(chǎn)蜂窩板帶支墩的頂板，支墩外伸插筋，在澆筑底板時將頂板插入，二次澆筑形成一體，但該生產(chǎn)工藝流程多、效率低。

3.2.2 電力管線布置

某項目對蜂窩全預(yù)制樓板進行預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計，考慮電力管線在板內(nèi)空腔布置，構(gòu)件拆分及管線布置如圖9所示。通過對蜂窩預(yù)制板拆分及管線布置分析，發(fā)現(xiàn)蜂窩預(yù)制板在實際工程應(yīng)用中尚存在以下問題。

1）預(yù)制大板區(qū)域 水平管線與垂直管線不方便現(xiàn)場施工，需在大板內(nèi)預(yù)留安裝空間才能進行管線連接。如圖10所示，需留2處安裝空間，容易出錯，不易標(biāo)準(zhǔn)化，需定制。

圖9 蜂窩全預(yù)制樓板布置

圖10 管線水平與垂直連接問題

2）部分區(qū)域管線密集，敷設(shè)空間不夠 如圖11所示，該區(qū)域有PC直徑32mm管1根，PC直徑25mm管3根，PC直徑20mm管5根。強弱電管線并排敷設(shè)時還需考慮二者之間的間距，防止強電線路對弱電信號的干擾。故對管線密集區(qū)域建議現(xiàn)澆。

3）管線彎頭多，不方便施工穿線，增加施工成本及材料費用 主要原因是管材不能在預(yù)制板空腔內(nèi)轉(zhuǎn)彎，需在現(xiàn)澆區(qū)域進行管路路由方向調(diào)整。

4）管材與預(yù)制板中間處接線盒（主要是燈具接線盒）的連接有問題，需設(shè)置接線空間。管線施工完畢需封堵接線空間。

5）墻體部位設(shè)備定位與預(yù)制窩蜂板排布相關(guān)，墻體處設(shè)備與預(yù)制板空腔若不在同一垂直面，則存在管線轉(zhuǎn)彎情況，對于精裝修項目影響較大。

6）全預(yù)制樓板+結(jié)合處現(xiàn)澆，管線無法進行二次更換。一旦小業(yè)主進行裝修，需調(diào)整管路，勢必對預(yù)制樓板造成破壞，影響結(jié)構(gòu)安全。目前現(xiàn)澆樓板約有50mm墊層，二次裝修時，基本采用在墊層內(nèi)開槽進行管線預(yù)埋。

7）公共部位管線多，無法在空腔內(nèi)敷設(shè)，涉及管材無法轉(zhuǎn)彎事宜。若公共部位管線明敷，套內(nèi)暗敷，存在連接問題，故公共部位建議現(xiàn)澆。

全預(yù)制窩蜂樓板的應(yīng)用可大幅減少現(xiàn)場濕作業(yè)，機電管線利用預(yù)制窩蜂板內(nèi)的空腔及窩蜂板連接處的現(xiàn)澆區(qū)域進行敷設(shè)。通過合理設(shè)計，各專業(yè)協(xié)同，機電管線可在全預(yù)制窩蜂板內(nèi)一次安裝施工。此外，業(yè)主二次裝修時的管線敷設(shè)問題仍需研究。

3.2.3 設(shè)計應(yīng)用

一項新結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的應(yīng)用需便于結(jié)構(gòu)人員設(shè)計，配以相關(guān)的計算原則與流程，進而進行合理的結(jié)構(gòu)選型與布置，這就需要對預(yù)制蜂窩板進行進一步理論公式推導(dǎo)，結(jié)合試驗對計算分析進行驗證并逐步完善，同時，需進一步研究蜂窩板支座及拼縫等節(jié)點構(gòu)造。

圖11 管線密集，敷設(shè)空間不足

4 總結(jié)及進一步研究方向

由以上分析可知，全預(yù)制蜂窩樓板在滿足板跨厚比不大于30時基本可實現(xiàn)免撐施工，同時其使用階段的受力分析表明，在同樣跨厚比且板端固接時，結(jié)構(gòu)可滿足設(shè)計要求。通過對蜂窩預(yù)制板拆分及電力管線布置分析表明，蜂窩樓板在實際項目中具備一定的可行性和適用性。為使全預(yù)制蜂窩樓板具備工程應(yīng)用條件，尚需進行進一步研究。

1）針對蜂窩樓板生產(chǎn)工藝進行研究，應(yīng)采用簡單化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方式。

2）針對蜂窩樓板空腔進行優(yōu)化，解決管線不易轉(zhuǎn)向、安裝連接空間不足的問題。

3）針對蜂窩板使用階段進行分析，考察多種工況并進行抗震性能分析，推導(dǎo)理論計算公式以指導(dǎo)實際工程設(shè)計。

4）在模擬分析基礎(chǔ)上進行實體試驗研究，研究結(jié)構(gòu)受力性能并與模擬分析結(jié)果進行對比分析，完善分析模型。