淺析建筑裝配式大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的研究與應(yīng)用

劉壯 陳一鳴 孫世鵬 李鵬斌

*通訊作者：劉壯，1983年7月，男，漢族，山東濰坊人，就職于中建八局第二建設(shè)有限公司，中級建筑師，本科。研究方向：建筑超高層。

摘? ? 要：我國近幾年主推裝配式建筑，裝配式建筑成為了建筑行業(yè)的主力軍。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場濕作業(yè)相對減少，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量保障程度得到提高，施工現(xiàn)場的污染，包括噪聲、揚(yáng)塵及水資源等，都有較顯著的降低。經(jīng)過施工現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，PK預(yù)應(yīng)力疊合板底有效減少了板底支撐的設(shè)置，部分小跨度樓板可無支撐。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力的存在使得PK預(yù)應(yīng)力疊合底板實(shí)現(xiàn)了自支撐效應(yīng)。這些特征使得該類型板的施工具有先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：裝配式;預(yù)應(yīng)力;鋼管桁架疊合板

Abstract： In recent years， China has mainly promoted prefabricated buildings， and prefabricated buildings have become the main force of the construction industry. The structural members are prefabricated in the factory， the wet operation on site is relatively reduced， the quality assurance degree of the structural members is improved， and the pollution on the construction site， including noise， dust and water resources， is significantly reduced. Through the construction site practice， it is found that PK prestressed laminated slab bottom effectively reduces the setting of slab bottom support， and some small-span floors can be unsupported. Through calculation， it is found that the existence of prestress makes the PK prestressed composite floor realize the self-supporting effect. These characteristics make the construction of this type of board advanced.

Keywords： Prefabricated; Prestress; Steel Pipe Truss Laminated Plate

一、引言

第二次世界大戰(zhàn)之后，由于歐洲大陸的建筑普遍受到戰(zhàn)爭的影響，遭受重創(chuàng)，無法提供正常的居住條件，且勞動(dòng)力資源短缺，此時(shí)急需一種建設(shè)速度快且勞動(dòng)力占用較少的新建造方式才能滿足短時(shí)間內(nèi)各國對住宅的需求，于是國外裝配式建筑開始萌生[1]。

從各個(gè)國家裝配式建筑發(fā)展來看，都有一條清晰的時(shí)間線，我國裝配式建筑雖然才剛剛起步，但是有著國外先進(jìn)的技術(shù)和成功的經(jīng)驗(yàn)，我們也可以少走彎路，大力促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展，這不僅是一條建筑方式的變革之路，也是一條綠色環(huán)保的長遠(yuǎn)發(fā)展之路。

（一）國家相關(guān)政策

為貫徹落實(shí)國辦發(fā)[2016]71號文件大力發(fā)展裝配式建筑的實(shí)施意見，裝配式建筑應(yīng)符合國家和山東省《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51129-2017）（DB37/T5127-2018）的基本規(guī)定，其中裝配式建筑單體裝配率要達(dá)到50%以上;本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)《裝配式建評分標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51129-2017）單體裝配率不低于50%。

（二）工程概況

本項(xiàng)目為歷城區(qū)市民中心項(xiàng)目綜合文化中心二期，位于山東省濟(jì)南市世紀(jì)大道以南，唐冶東路以西，總建筑面積8.4萬平方米。包含檔案庫房，方志及組織部庫房，區(qū)情展示，查檔大廳，老年活動(dòng)，婦女兒童活動(dòng)，培訓(xùn)，健身等。其中二層至屋面層為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板，為滿足使用要求跨度多為8.2米大跨度，面積約4萬平。

二、裝配式建筑常見的樓板對比分析

（一）主要類別

目前，國內(nèi)使用的裝配式樓板主要有鋼制樓承板、預(yù)制混凝土樓板、鋼筋混凝土桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板、PK預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板。

（二）優(yōu)劣勢對比

1. 鋼制樓承板對比

鋼制樓承板，優(yōu)點(diǎn)是自重輕（如圖1所示）、施工速度快，是鋼制樓承板的一大亮點(diǎn);缺點(diǎn)是剛度大，如果要在大跨度中應(yīng)用，需要增加波高，將造成鋼筋很難布置，混凝土用量增加;在民用建筑中由于底面是型鋼材質(zhì)，需要做吊頂處理[2]。在進(jìn)行混凝土澆筑的過程中容易漏漿，造成樓承板表面觀感差，在使用中還發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，鋼制樓承板的撓度增大，容易變形。

2. 預(yù)制混凝土樓板對比

預(yù)制混凝土樓板具有跨度大、剛度高、施工效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是鋼筋配筋單向化，冗余度差;支座適合鉸接形式，難以形成剛接;預(yù)制板厚、自重大，影響層高;整體性差（如圖2所示），抗震性能較弱。

3. 鋼筋混凝土桁架疊合板對比

鋼筋混凝土桁架疊合板，厚度較厚，規(guī)范規(guī)定厚度在60 mm以上，再加現(xiàn)澆層80 mm， 造成普通跨度（≤ 5米）房間疊合后整體厚度大于140 mm。目前國內(nèi)現(xiàn)澆板的厚度普遍在120 mm左右，直接造成結(jié)構(gòu)自重增加15%左右[3];現(xiàn)場架體布置，支撐普遍在1.2～1.5米左右（如圖3所示），相比于現(xiàn)澆板系統(tǒng)支撐體系不相上下。

板縫多、現(xiàn)澆帶多。根據(jù)規(guī)范，鋼筋混凝土疊合板必須進(jìn)行拉縫才能形成雙向板。而且板縫不能位于跨中，從而使每個(gè)房間的板縫多于兩條[4]。若進(jìn)行并縫密拼處理，后澆層厚度須大于2 h/3，從而又增加了結(jié)構(gòu)自重。拼接縫寬度在200～300 mm，在進(jìn)行現(xiàn)澆段施工時(shí)，要進(jìn)行吊?；蛘咴黾幽０逯?。當(dāng)遇到橫梁時(shí)被迫截?cái)啵簝蓚?cè)的標(biāo)高很難控制。

4. 預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板對比

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板，優(yōu)點(diǎn)是厚度小，一般厚度在40 mm左右（如圖4所示），結(jié)構(gòu)自重輕，板無現(xiàn)澆帶，減少漏漿情況。缺點(diǎn)是跨度小，所能承受的承載力較小。

5. PK預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板優(yōu)勢

PK預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板（如表1），厚度35 mm左右，疊合后110 mm～125 mm左右，極大減輕結(jié)構(gòu)自重;支撐少，支撐間距可達(dá)4米;沒有補(bǔ)空板，主受力方向鋼筋為預(yù)應(yīng)力鋼筋，橫向鋼筋施工時(shí)后穿，形成雙向板;一面出胡子筋，安裝方便[5];剛度可調(diào)節(jié)，不開裂。

由于采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，上部受壓區(qū)采用鋼管桁架（如圖5所示），鋼管內(nèi)注入砂漿，保證了在用鋼量最小的情況下有足夠的剛度，剛度好、可懸挑;板幅大、自重小，最大可做到3×12平方米，容重僅為85千克/平方米左右，極大地提高了生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝效率。

經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，pk板中存在預(yù)應(yīng)力短邊無胡子筋，可以減少或者取消現(xiàn)澆帶，減少漏漿的情況，方便施工。因?yàn)镻K預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板附加預(yù)應(yīng)力，所以自重減輕，減少支撐，增加結(jié)構(gòu)安全性。

（三）試驗(yàn)對比

經(jīng)過有限元計(jì)算模型板底受拉損傷分析，在預(yù)制底板上形成了明顯的塑性鉸線，是典型的雙向受力（如圖6所示）。

受力雙向性與有限元分析如下所述。

1. 預(yù)應(yīng)力底板+普通鋼筋桁架，板尺寸3.3×1 m，板厚40 mm，10根φ5預(yù)應(yīng)力筋，桁架上弦鋼筋為φ8三級鋼，混凝土采用C40，在中間不設(shè)支撐狀態(tài)下，加載至1 KN/m2無開裂，跨中總撓度L/279加載至1.5 KN/m2板下?lián)隙葒?yán)重，跨中上弦鋼筋彎曲，失去承載力，無法滿足施工要求。

2. 預(yù)應(yīng)力底板+矩形鋼管桁架（管內(nèi)填微膨脹高強(qiáng)砂漿），板尺寸3.9×1 m，板厚30 mm，10根φ5預(yù)應(yīng)力筋，桁架上弦為50 mm×100 mm矩形鋼管內(nèi)填砂漿，混凝土C40。中間不設(shè)支撐狀態(tài)下，加載至3 KN/m2時(shí)出現(xiàn)裂縫，跨中撓度15 mm（即1/250 L），加載至6 KN/m2時(shí)，撓度加大，跨中上弦鋼管鼓曲，鋼管桁架腹筋與混凝土底板錨固良好，未有拔出現(xiàn)象，滿足施工要求，但制作成本高。

3. 預(yù)應(yīng)力底板+鋼管桁架（管內(nèi)填微膨脹高強(qiáng)砂漿）板長3.600 m，板寬1 m，平均板厚35 mm，預(yù)應(yīng)力筋面積157 mm2，混凝土采用C40，外加荷載，2.5 KN/m2底板跨中位移值14 mm（即1/250 L），外加荷載，2.5 KN/m2底板跨中位移值14 mm（即1/250 L），加載至5.45 KN/m2時(shí)，撓度加大，跨中鋼管鼓曲，鋼管桁架腹筋與混凝土底板錨固良好（如圖7所示），未有拔出現(xiàn)象，滿足施工要求，制作成本下降。

4. 板尺寸4.55×2.1 m，板厚35 mm，34根φ5預(yù)應(yīng)力筋，混凝土C40，當(dāng)中間不設(shè)支撐時(shí)：撓度18 mm（即1/250 L）時(shí)，加載為2.10 kN/m2，當(dāng)中間增設(shè)1道支撐：繼續(xù)加載至7.67 kN/m2（1.3倍承載力荷載值）時(shí)，第一跨撓度下降1 mm，第二跨撓度下降2 mm，無裂縫。

5. 板尺寸8.020×1.0 m，板厚40 mm，30根φ5預(yù)應(yīng)力筋，混凝土C50，本次試驗(yàn)最大撓度4 mm時(shí)，加載為13.36 kN/m2，撓度下降3.22，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過試驗(yàn)與有限元分析對比，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板厚度小，制作成本低。同等條件下施加荷載，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棍桁架疊合板撓度變形更低，更不易破壞。所以預(yù)應(yīng)力鋼管桁架疊合板更符合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工要求。

三、結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板制作成本低，同條件下承載力高，能在大跨度結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)其超常規(guī)的特性。

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板雙面出筋，減低運(yùn)輸成本，減少物料堆放場地。在施工過程中，由于現(xiàn)澆截面的減少，減少了水泥漿的滲漏。提前施加預(yù)應(yīng)力，避免在運(yùn)輸以及吊裝的過程中出現(xiàn)裂縫，在安裝的過程中，可以減少或取消下部支撐，降低施工難度，減低施工工期從而降低施工成本。能更有效地助推建筑業(yè)的發(fā)展。

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