裝配式鋼筋混凝土部分疊合板的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

□ 趙培莉

1??引言

建筑產(chǎn)業(yè)化是未來建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，其核心之一是裝配式結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土疊合板是裝配式結(jié)構(gòu)的組成部分。許多學(xué)者已經(jīng)針對(duì)裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在剛度、變形、抗彎、抗剪、破壞形式以及疊合面黏結(jié)工作情況等性能方面進(jìn)行了大量研究[1-3]，這些研究表明，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性較好，可用于地震設(shè)防區(qū)[4]，充分體現(xiàn)了建筑工業(yè)化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等特征。鋼筋混凝土疊合板具有二階段受力特征，二階段截面受力存在“受拉區(qū)鋼筋應(yīng)力超前”“受壓區(qū)后澆混凝土應(yīng)變滯后”的特征。鑒于此，本文提出了新型的鋼筋混凝土部分疊合板，研究了單、雙向部分疊合板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以及在正常使用條件下的內(nèi)力變化，供工程設(shè)計(jì)參考使用。

2??疊合式受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)的一般規(guī)定

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）的有關(guān)規(guī)定[5]，結(jié)合現(xiàn)有施工技術(shù)水平和施工操作的可行性，本文提出了一種新型的部分疊合式鋼筋混凝土樓板，屬于疊合式受彎構(gòu)件。

疊合式受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)包括下列內(nèi)容：

（1）結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件尺寸；

（2）構(gòu)件連接形式；

（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面配筋驗(yàn)算；

（4）結(jié)構(gòu)構(gòu)件適用性；

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型的建筑物或構(gòu)筑物，應(yīng)使其滿足預(yù)定的安全性、耐久性、適用性功能要求。

3??裝配式鋼筋混凝土部分疊合板設(shè)計(jì)

3.1 單向部分疊合板尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型

就單向部分疊合板各項(xiàng)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)的取值，以及結(jié)構(gòu)截面形式，本文提出一些設(shè)計(jì)方法建議，以利在工廠生產(chǎn)本系列產(chǎn)型產(chǎn)品。新型單向部分疊合板，預(yù)制底板的設(shè)計(jì)形式如圖1所示。該單向部分疊合板，除在預(yù)制底板截面形式上較已有研究的疊合板截面形式不同，還設(shè)計(jì)了帶孔結(jié)構(gòu)。

圖1 單向部分疊合板示意圖

在現(xiàn)有疊合板的研究[6-7]中，預(yù)制底板的截面形式多采用常規(guī)的整體實(shí)心板、整體空心板，或是槽形、T形。本文提出局部預(yù)制全板厚與局部預(yù)制部分板厚的組合方式，以及進(jìn)一步以局部實(shí)心與局部空心組合的新形式。比較常規(guī)預(yù)制底板形式，增加了預(yù)制混凝土的施工工作量，提高了工廠生產(chǎn)的機(jī)械化，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量，從而提高勞動(dòng)力工效。

3.2 雙向部分疊合板尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型

與單向部分疊合板相似，雙向部分疊合板經(jīng)歷預(yù)制和疊合兩階段的施工拼接而成。本文提出的新型雙向部分疊合板，預(yù)制底板的設(shè)計(jì)形式如圖2所示，也設(shè)計(jì)了帶孔結(jié)構(gòu)。

圖2 雙向部分疊合板示意圖

3.3 裝配式鋼筋混凝土部分疊合板結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

通過靜力加載試驗(yàn)表明，新型部分疊合板結(jié)構(gòu)受力合理，疊合面沒有剪切破壞，能夠共同工作。鑒于試驗(yàn)結(jié)果，本文提出一些單、雙向鋼筋混凝土部分疊合板結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施，可供工程設(shè)計(jì)參考使用。

（1）板的幾何尺寸符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。單向板∶長(zhǎng)寬比≥3.0，即L∶B≥3.0。L經(jīng)濟(jì)取值為4m～6m，B經(jīng)濟(jì)取值為2m～3m。工程實(shí)施中，L一般取6m，B一般取2.2m。雙向板∶長(zhǎng)寬比≤2.0，即L∶B≤2.0。

（2）板厚h：如果不考慮開洞措施（實(shí)心），疊合板厚度最小值建議取80mm，即h≥80mm。如果考慮開洞措施，疊合板厚度最小值建議采用100mm，即h≥100mm。

（3）預(yù)制底板板厚h1與疊合區(qū)疊合厚度h2：綜合考慮自重、施工荷載、預(yù)制底板開洞措施的要求，h1、h2取值建議：當(dāng)h＜100mm時(shí)，取h1=50mm，h2=h-50mm；當(dāng)h≥100時(shí)，取h1=h2=h/2。

（4）孔徑D：?jiǎn)蜗蜾摻罨炷敛糠织B合板帶孔結(jié)構(gòu)對(duì)疊合面受力性能影響較小，可有效減少預(yù)制底板的自重。因此，孔洞的直徑不宜太小，取值范圍可為40mm～50mm。單向板洞口沿長(zhǎng)邊方向預(yù)埋布置，雙向板洞口沿短邊方向預(yù)埋布置。

（5）孔洞細(xì)部處理：孔洞圓心間距可取80mm、100mm?？锥丛诏B合施工前應(yīng)必須嚴(yán)密封堵，封堵材料可采用泡沫膨脹劑。

（6）部分疊合長(zhǎng)度L1、疊合寬度B1：疊合式構(gòu)件疊合面的現(xiàn)澆混凝土施工，為疊合構(gòu)件現(xiàn)澆部分與預(yù)制部分的結(jié)合，即新舊混凝土的連接。為了避免施工縫的產(chǎn)生以及有利布置板面構(gòu)造鋼筋，部分疊合長(zhǎng)度L1、疊合寬度B1取值范圍建議如下。

單向板：若單向板兩邊簡(jiǎn)支在鋼筋混凝土梁邊或鋼筋混凝土墻邊，則部分疊合長(zhǎng)度L1不宜小于L/4，即L1≥L/4；若單向板兩邊簡(jiǎn)支在砌體墻邊，則部分疊合長(zhǎng)度L1不宜小于L/7，即L1≥L/7。雙向板∶部分疊合長(zhǎng)度L1不宜小于B/4，即L1≥B/4；部分疊合寬度B1不宜小于B/4，即B1≥B/4。

（7）疊合面處理：為確保疊合板在疊合后能正常工作，避免疊合面發(fā)生剪切破壞，疊合面進(jìn)行粗糙面拉毛處理，并刷一道1∶1的砂漿。預(yù)制底板的帶孔結(jié)構(gòu)制作使疊合面形成自然的凹凸面，進(jìn)一步加強(qiáng)疊合面結(jié)合強(qiáng)度。

（8）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：預(yù)制底板制作和疊合現(xiàn)澆混凝土，強(qiáng)度等級(jí)取值范圍可為C25～C40。

（9）鋼筋：鑒于本單、雙向部分疊合板結(jié)構(gòu)特征，鋼筋直徑取值不宜小于8mm，間距取值不宜大于200mm，可采用HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400鋼筋。

4??單向部分疊合板結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)單向板結(jié)構(gòu)布置規(guī)律，單向鋼筋混凝土部分疊合板的水平結(jié)構(gòu)由主梁、次梁、單向板組成，由柱或墻組成豎向支承結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

單向部分疊合板與梁（疊合梁）連接方式主要有三種，如圖3（c）、（d）、（e）所示。邊跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區(qū)板面負(fù)筋根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋；中間跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區(qū)板面分布鋼筋根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算確定配筋。預(yù)制板底筋至少伸過梁（疊合梁）中心線。

圖3 單向部分疊合板結(jié)構(gòu)布置

5??單向部分疊合板內(nèi)力計(jì)算方法

為保證鋼筋混凝土部分疊合板結(jié)構(gòu)安全可靠的工作，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)控制截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算和內(nèi)力分析。根據(jù)單向部分疊合板試驗(yàn)研究，提出下述有關(guān)單向部分疊合板內(nèi)力計(jì)算方法的建議，研究其在正常使用條件下的內(nèi)力變化。

正常使用條件下，單向部分疊合板承受均布荷載作用，且為二階段受力過程。第一階段，即預(yù)制底板階段，構(gòu)件屬于簡(jiǎn)支承載。第二階段，即雙拼疊合連接成型階段，構(gòu)件是連續(xù)跨承載。兩階段構(gòu)件的計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩圖，如圖4（a）、（b）所示。

圖4 單向部分疊合板計(jì)算簡(jiǎn)圖及彎矩圖（均布荷載）

依據(jù)施工階段無須支撐條件下，疊合式受彎構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算公式（H.0.2-1～H.0.2-3）[5]，以及結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，分別計(jì)算單向部分疊合板在預(yù)制和疊合兩階段的受彎承載力。兩個(gè)階段中，預(yù)制階段構(gòu)件除了承重自重荷載以外，還承受著施工荷載等活荷載，疊合施工階段自重荷載發(fā)生了變化，同時(shí)構(gòu)件承受使用荷載（如表1所示）。

表1 單向部分疊合板彎矩設(shè)計(jì)值

綜上所述，預(yù)制階段，單向鋼筋混凝土部分疊合板構(gòu)件簡(jiǎn)支承載，雙拼疊合后，連續(xù)跨承載，受彎承載力發(fā)生了變化，形成內(nèi)力重分布現(xiàn)象。

6??雙向部分疊合板內(nèi)力計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)布置

實(shí)際工程項(xiàng)目運(yùn)用雙向板施工比較普遍，雙向板較多采用彈性理論方法計(jì)算內(nèi)力。本文研究的新型雙向部分疊合板制作流程與全現(xiàn)澆雙向板不同，但疊合成型后設(shè)計(jì)的受力性能與全現(xiàn)澆雙向板近似，其內(nèi)力計(jì)算近似常規(guī)雙向板采用彈性理論方法。

對(duì)于單區(qū)格雙向部分疊合板而言，通常在四邊簡(jiǎn)支邊界條件下，按照構(gòu)造配置板面負(fù)筋。當(dāng)梁尺寸較大，按四邊固定邊界條件考慮，固定端有彎矩，按照有關(guān)計(jì)算確定配筋。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 雙向部分疊合板計(jì)算簡(jiǎn)圖

多區(qū)格雙向部分疊合板的內(nèi)力計(jì)算比單區(qū)格雙向板復(fù)雜，可采用近似的計(jì)算方法，將多區(qū)格雙向部分疊合板的內(nèi)力分析，轉(zhuǎn)化成單區(qū)格雙向板計(jì)算內(nèi)力。雙向鋼筋混凝土部分疊合板的水平結(jié)構(gòu)由梁、板組成，豎向支承結(jié)構(gòu)由柱或墻組成，如圖6所示。

雙向部分疊合板與梁（疊合梁）連接方式主要有兩種，如圖6（c）、（d）所示。邊跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區(qū)板面負(fù)筋根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋；中間跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區(qū)板面分布鋼筋根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算確定配筋。預(yù)制板底筋至少伸過梁（疊合梁）中心線。

圖6 雙向部分疊合板結(jié)構(gòu)布置

正常使用條件下，雙向鋼筋混凝土部分疊合板承受均布荷載作用，且為二階段受力過程。第一階段為預(yù)制底板階段，構(gòu)件簡(jiǎn)支承載。第二階段為雙拼疊合連接成型階段，構(gòu)件連續(xù)跨承載。受力過程與單向部分疊合板相似，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，符合內(nèi)力重分布規(guī)律。預(yù)制階段構(gòu)件除了承重自重荷載以外，還承受著施工荷載等活荷載，疊合施工階段自重荷載發(fā)生了變化，同時(shí)構(gòu)件承受使用荷載。

與單向部分疊合板內(nèi)力計(jì)算方法相似，雙向部分疊合板依據(jù)施工階段無須支撐條件下，疊合式受彎構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算公式[6]，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，通過查表獲取有關(guān)規(guī)范取值、系數(shù)等，根據(jù)結(jié)構(gòu)最不利內(nèi)力組合，計(jì)算彎矩值。

6??結(jié)語

裝配式單、雙向鋼筋混凝土部分疊合板制作過程雖為預(yù)制和疊合兩階段，設(shè)計(jì)內(nèi)容仍主要以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）的有關(guān)規(guī)定為依據(jù)[8]，力求使部分疊合板構(gòu)件達(dá)到全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等同的使用功能效果。

結(jié)合單、雙向部分疊合板結(jié)構(gòu)布置方案，以及在預(yù)制和疊合兩個(gè)階段的計(jì)算簡(jiǎn)圖，本文提出了有關(guān)單、雙向部分疊合板的內(nèi)力計(jì)算方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，進(jìn)行內(nèi)力分析。分析表明，新型的單向部分疊合板二階段受力，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，一定程度上緩減了全疊合板的“跨中應(yīng)力超前”現(xiàn)象，對(duì)內(nèi)力重分布有利，具有在工廠生產(chǎn)本系列產(chǎn)型產(chǎn)品的推廣價(jià)值，可供工程設(shè)計(jì)參考使用。實(shí)際工程的建造，以雙向板居多，雙向部分疊合板的設(shè)計(jì)突出其適用性。