鋼筋桁架樓承板在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

劉 龍

(中鐵建恒誠實(shí)業(yè)有限公司 廣東珠海 519031)

1 引言

我國正在推進(jìn)建筑工業(yè)化的發(fā)展，裝配式部品部件的研發(fā)應(yīng)用是行業(yè)內(nèi)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。現(xiàn)階段裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中最為常見的裝配式部件是混凝土疊合樓板[1－2]。相對與裝配式陽臺板、裝配式剪力墻等裝配式構(gòu)件，混凝土疊合樓板具有加工簡單、運(yùn)輸方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時預(yù)制混凝土比例較高，可以很好地響應(yīng)國家對預(yù)制混凝土構(gòu)件的政策文件要求[3]。

鋼筋桁架樓承板是第3代壓型鋼板，由縱向鋼筋、桁架筋、鍍鋅鐵板組成。相比傳統(tǒng)的壓型鋼板，鋼筋桁架樓承板因其防火性能好、受力性能好等優(yōu)勢，在鋼結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有非常廣泛的應(yīng)用[4－7]，是一種技術(shù)比較成熟的工業(yè)產(chǎn)品。

然而鋼筋桁架樓承板在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還比較少，其主要原因是目前我國裝配式建筑發(fā)展仍然由政策主導(dǎo)，在裝配式建筑的評價指標(biāo)中，預(yù)制混凝土的體積是非常重要的評價指標(biāo)，因此誕生了混凝土疊合板這類的裝配式部品。而隨著我國對裝配式建筑認(rèn)識的不斷深入，裝配式建筑的評價指標(biāo)也逐漸由預(yù)制混凝土體積轉(zhuǎn)變?yōu)槊庵?、?jié)能、節(jié)材等方面[8－9]。

本文從結(jié)構(gòu)受力、施工運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)性等角度來比較鋼筋桁架樓承板和混凝土疊合板，以期推廣鋼筋桁架樓承板在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

2 鋼筋桁架樓承板

鋼筋桁架樓承板是第3代壓型鋼板，在第1代非組合壓型鋼板和第2代組合壓型鋼板的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。鋼筋桁架樓承板由縱向鋼筋、腹桿鋼筋以及鍍鋅鋼板組成，其中上下弦桿鋼筋可以作為使用階段樓板的受力縱筋使用。上下弦鋼筋呈三角形布置，上下弦桿鋼筋采用腹桿點(diǎn)焊連接在一起，上下弦桿鋼筋、腹桿鋼筋、鍍鋅鐵皮三者形成一個穩(wěn)定的空間三角桁架。這樣的空間桁架可以承擔(dān)部分荷載，通常情況下可以承擔(dān)施工階段的自重和施工活荷載。結(jié)合鍍鋅鋼板作為底模，鋼筋桁架樓承板可以免去施工階段的腳手架支撐。

鋼筋桁架樓承板可以在工廠完成加工，且已經(jīng)形成了自動化的生產(chǎn)流水線，需要的人工極少，可以根據(jù)項目情況定制鋼筋桁架樓承板的長度。鋼筋桁架樓承板有固定的寬度，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后只需根據(jù)項目的具體情況進(jìn)行排布，綁扎完面筋和垂直于桁架筋的分布筋之后就可以澆筑混凝土，施工十分便利[10]。

鋼筋桁架樓承板應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中時，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在造價比現(xiàn)澆板大幅度節(jié)省，現(xiàn)場鋼筋綁扎量相對較少且不需要臨時支撐，節(jié)省了大量的人工和施工措施費(fèi)用。同時鋼筋桁架樓承板因鋼筋桁架獨(dú)特的空間受力特性以及鍍鋅鐵皮的存在，使得最大無支撐板跨可達(dá)到4.8 m，若出于節(jié)省成本的考慮，也可以考慮在跨中增加支撐，進(jìn)一步減少工程造價。典型的鋼筋桁架樓承板如圖1所示。

圖1 鋼筋桁架樓承板典型斷面

3 混凝土疊合板

混凝土疊合板是隨著裝配式混凝土建筑的發(fā)展而得到大力推廣的一種工業(yè)部件，是將鋼筋桁架與混凝土底板澆筑成一體形成預(yù)制部分，現(xiàn)場安裝完成后，再澆筑疊合層混凝土形成整體受力的疊合樓板?；炷怜B合板，按照裝配率評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以快速提高裝配式建筑的預(yù)制裝配率，在我們國家裝配式建筑推廣早期有極大優(yōu)勢，同時因其制作簡單、運(yùn)輸便捷、施工速度快、抗震性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)成為了裝配式建筑最常用的預(yù)制混凝土構(gòu)件[11－13]。 混凝土疊合板的典型構(gòu)造如圖2所示。

圖2 混凝土疊合板典型斷面

4 綜合性能比較及實(shí)例分析

4.1 施工難度

鋼筋桁架樓承板一般寬度不超過600 mm，重量比較輕，現(xiàn)場安裝和異形切割比較容易，徒手便可挪動。混凝土疊合板截面大，比較重，全程依靠塔吊，安裝過程中對已綁扎的混凝土梁和墻鋼筋破壞比較大，需進(jìn)行二次校正。

同時，鋼筋桁架樓承板可以承擔(dān)施工階段的荷載，可為各工種作業(yè)提供寬敞的工作平臺，因此澆筑混凝土及其他工種作業(yè)均可多層立體作業(yè)，大大加快了施工速度。鋼筋桁架樓承板雖然可以承擔(dān)施工階段的荷載，但有一定的限值，對應(yīng)于各類型號的鋼筋桁架樓承板都有一個施工階段免支模的跨度，超過了這個跨度之后仍然需要在跨中增加臨時支撐。同時鋼筋桁架樓承板在施工過程中施工荷載沿平行于鋼筋桁架的方向傳遞，類似混凝土結(jié)構(gòu)中的單向板。根據(jù)這個特點(diǎn)，本文建議在混凝土結(jié)構(gòu)中次梁的布置應(yīng)盡量將板格劃分為單向板，鋼筋桁架樓承板在施工階段的受力方向和使用過程中的受力方向基本一致，可以最大限度節(jié)省成本。

因采用傳統(tǒng)疊合樓板具有只能單層施工的局限性，使結(jié)構(gòu)整體施工進(jìn)度受到樓板施工進(jìn)度的極大限制，無法完全展現(xiàn)裝配式建筑施工速度快的優(yōu)勢，造成資源浪費(fèi)，這對規(guī)模較大的高層、超高層建筑尤其具有明顯影響。

鋼筋桁架樓承板的質(zhì)量通過自動化機(jī)械設(shè)備來保證，鋼筋間距、樓板保護(hù)層厚度都可以完全達(dá)到設(shè)計要求，提高了樓板的成型質(zhì)量。鋼筋桁架樓承板需進(jìn)行現(xiàn)場鋪設(shè)，設(shè)計時桁架方向最小搭接長度為50 mm，分布筋方向最小搭接長度為30 mm，確保支座受力合理和混凝土澆筑時不漏漿，以保證混凝土澆筑及成型質(zhì)量。

4.2 設(shè)備機(jī)具

鋼筋桁架樓承板重量比較輕，體積比較小，道路運(yùn)輸采用小型運(yùn)輸車便可滿足運(yùn)輸要求，采用傳統(tǒng)塔吊便可滿足吊裝要求。

混凝土疊合板比較重且寬度較大，需采用大型運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸，對道路及現(xiàn)場場地有較高要求，傳統(tǒng)塔吊無法滿足要求，需采用大型塔吊。

4.3 使用條件

鋼筋桁架樓承板對跨度要求比較嚴(yán)格，決定了結(jié)構(gòu)梁的布置間距，常規(guī)中可不設(shè)置臨時支撐，施工階段只設(shè)置結(jié)構(gòu)梁腳手架及模板，無需布置板底模板及支撐。當(dāng)板跨較大時，為降低樓板鋼筋用量，可在施工階段設(shè)臨時支撐?；炷怜B合板跨度較大，能滿足一般性要求，施工時需布置梁的腳手架和模板，在板底隔一定距離布置腳手架，疊合板接縫處布置腳手架和模板。

4.4 結(jié)構(gòu)受力

普通鋼筋混凝土樓板由于在施工階段底部有模板，因而幾乎不產(chǎn)生撓度，但是當(dāng)混凝土凝結(jié)硬化達(dá)到一定強(qiáng)度拆去模板后，樓板會在自重作用下，在板底產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而拉裂混凝土。與普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板相比，鋼筋桁架樓承板的受力特性更加優(yōu)越。不設(shè)臨時支撐時，在混凝土硬化前，樓板的強(qiáng)度和剛度即鋼筋桁架的強(qiáng)度和剛度，混凝土硬化在鋼筋桁架模板變形下進(jìn)行，所以樓板自重不會使板底混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。在使用階段，鋼筋桁架樓承板中的鋼筋與混凝土一起承受荷載作用，受拉鋼筋與普通鋼筋混凝土樓板中的承載力相同。

鋼筋桁架混凝土樓板與普通現(xiàn)澆混凝土設(shè)計理論等同，而其鋼筋桁架受力模式更為合理，能提供更大的剛度，且雙向剛度一致，具有良好的抗震性能。鋼筋桁架樓承板底部鋼模板平整，雙向剛度相近，鋼筋桁架腹桿筋改善了樓板的受力性能，抗震性能最好。而且鋼筋桁架樓承板可設(shè)計成雙向板，鋼筋桁架樓承板下表面平整，桁架空間大，在不增加樓板結(jié)構(gòu)層厚度的情況下，可以方便施工下層鋼筋。

鋼筋桁架樓承板板厚需綜合考慮設(shè)計階段和施工階段驗(yàn)算，一般取值為110～160 mm，混凝土為一體整澆成形，結(jié)構(gòu)整體性更好。而混凝土疊合板一般疊合層的混凝土厚度為60 mm，為了確保管線可以在樓板內(nèi)布置，現(xiàn)澆層的厚度一般不低于70 mm，總厚度一般不低于130 mm，結(jié)構(gòu)受力介于單向板和雙向板之間，結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常要求按單向受力和雙向受力包絡(luò)設(shè)計。

4.5 工程實(shí)例

本文經(jīng)濟(jì)性對比基于南京軟件園光電研發(fā)中心項目展開。項目位于南京市江北高新區(qū)，辦公樓地上22層，建筑面積29 918 m2，為鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑功能為科研辦公。原設(shè)計采用混凝土疊合板，板厚140 mm。疊合板應(yīng)用范圍是標(biāo)準(zhǔn)化程度比較高的板跨，其中屋面、衛(wèi)生間已懸挑部位仍采用普通的現(xiàn)澆鋼筋混凝土，板厚120 mm。后經(jīng)征求業(yè)主及產(chǎn)業(yè)辦許可，該項目樓板調(diào)整為鋼筋桁架樓承板，板厚根據(jù)次梁間距調(diào)整為110 mm，應(yīng)用范圍為除了核心筒范圍以外所有的樓板，包含衛(wèi)生間以及屋面。

本次成本對比以2020年3月份建筑材料信息價格為依據(jù)，其中需要特別說明的是，隨著混凝土疊合板生產(chǎn)線的不斷投產(chǎn)，疊合板價格已經(jīng)由年初的3 300元/m3降低至2 300元/m3，雖然會對經(jīng)濟(jì)性比較的量化數(shù)據(jù)有所影響，但是對最終的結(jié)論并無本質(zhì)改變。

單位面積疊合板建造成本見表1。單位面積鋼筋桁架樓承板建造成本見表2。

表1 疊合板單位面積造價

表2 鋼筋桁架樓承板單位面積造價

由表1、表2可以看出，采用了鋼筋桁架樓承板之后樓板單位面積的造價由309.65元降低至235.55元，節(jié)省了原來造價的23.9%，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，且該結(jié)果是在沒有考慮運(yùn)輸成本的情況下計算得出。值得一提的是，上述經(jīng)濟(jì)效益是在保證質(zhì)量的同時并沒有降低建筑預(yù)制率比例的情況下實(shí)現(xiàn)的，有非常好的市場前景和推廣價值。

5 結(jié)論

(1)鋼筋桁架樓承板做為一種成熟的工業(yè)部品，已經(jīng)在鋼結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)成熟、工藝可靠，目前在混凝土結(jié)構(gòu)中還應(yīng)用較少。

(2)鋼筋桁架樓承板相比混凝土疊合板在施工便捷性、結(jié)構(gòu)受力、工程成本等方面均有明顯的優(yōu)勢，是值得大力推廣的新型技術(shù)。