預應力混凝土鋼管桁架疊合板現(xiàn)場實施應用

李 志 田 斌 邵志兵 葉文啟

中天建設集團有限公司 上海 201102

裝配式建筑指建筑物的全部或部分構件首先在工廠預制作完成，然后運送到施工現(xiàn)場，通過穩(wěn)定的連接手段，將構件組合為整體的混凝土結構類建筑[1]。裝配式建筑以其預制程度高、施工方便快捷、經(jīng)濟效應好、環(huán)境污染少等優(yōu)點在國內外得到了廣泛應用和發(fā)展。

疊合板是裝配式建筑最重要的部件，量大面廣，傳統(tǒng)疊合板下多采用滿堂支撐架，木工工作量大，工期增加，與裝配式建筑的初衷背道而馳。預應力混凝土鋼管桁架疊合板（PK板）的誕生，較好地解決了傳統(tǒng)疊合板自重大、易開裂、跨度小、支撐多、造價高等痛點。但對于大部分企業(yè)來說，PK板的應用仍處于起步階段，甚至還未涉及，在驗證體系可行性后，我們仍需對該體系的施工關鍵技術進行進一步探索與總結。

PK板落地實施于上海市西虹橋09-15地塊普通商品房項目，建筑結構形式為裝配整體式剪力墻結構，單體預制率達40%以上。其中，包含的預制構件類型有預制墻板、預制凸窗、預制樓梯、疊合板和PK板。

我公司缺乏PK板樓蓋體系施工經(jīng)驗，項目實施初期，對于PK板的免支模體系仍持懷疑態(tài)度。為保障安全，板底支撐方案擬采用保守的滿堂架進行搭設。因此，本文以PK板為研究對象，設計堆載試驗，并通過計算分析明確了PK板下臨時支撐的搭設原則，也為以后的同類項目提供參考。

1 預應力混凝土鋼管桁架疊合板

PK板通過先張法構造底板預應力鋼筋，然后澆筑混凝土，并配置由灌漿鋼管和兩側腹桿鋼筋焊接而成的桁架，最后于施工現(xiàn)場后澆疊合層的混凝土形成樓蓋體系。在疊合樓蓋體系施工時，首先鋪設和拼接底板，這也是“PK”名稱的由來，即為“拼塊”的漢語拼音的首字母。

本文研究分析的預應力混凝土鋼管桁架疊合板預制底板試件是基于山東省建筑標準圖集L18ZG401《預應力混凝土鋼管桁架疊合板》[2]進行設計，由三一集團在其工廠生產(chǎn)制作完成。本次試驗設計與計算依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[3]、GB/T 51231—2016《混凝土結構工程施工規(guī)范》[4]、JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》[5]、T/CECS 722—2020《預應力混凝土鋼管桁架疊合板技術規(guī)程》[6]，并在參照現(xiàn)有桁架鋼筋混凝土疊合板研究成果的基礎上進行。

2 現(xiàn)場試驗研究

2.1 試驗材料

本次現(xiàn)場堆載試驗在18號樓5層PKB12板上開展，構造配筋如圖1所示。構件尺寸：跨度×寬度×厚度＝3 360 mm×1 500 mm×35 mm；底板預應力鋼筋采用直徑為5 mm的消除應力螺旋肋鋼絲，底板橫向構造鋼筋采用屈服強度為300 MPa的熱軋光圓鋼筋；桁架上弦鋼管直徑28 mm，腹弦鋼筋同樣選擇了屈服強度為300 MPa的熱軋光圓鋼筋，且直徑不小于6 mm；預制底板面預應力筋保護層厚度為20 mm，采用C40細石混凝土，后澆混凝土疊合層強度等級為C30。

圖1 PK板構造示意

2.2 試驗方案

根據(jù)項目現(xiàn)場材料儲備情況，考慮堆載質量，試驗選用型號HRB400的鋼筋對PK板進行單調均布加載，鋼筋材料基本屬性：長度3 180 mm、直徑25 mm。為避免鋼筋直接堆積在鋼管桁架上造成應力集中，將鋼筋平行于桁架方向放置，且在鋼筋鋪設高度超過桁架高度后，再均勻地將鋼筋順序堆放于板面?，F(xiàn)場堆載試驗方案如圖2所示。

圖2 PK板位移監(jiān)測點位布置示意

PK板采用簡支模型，兩端采用過梁作為支座，擱置長度180 mm，板凈跨長度l＝3 000 mm。試驗設置6個板撓度測試點（位移點1～6），分別位于構件跨中和距支座的1/3跨處。測試點布置于板底，且在板底兩側分別布置，距板邊200 mm。

本次試驗位移點監(jiān)測采用的是智能無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由終端控制儀、綜合分析儀和位移傳感器組成，其中的位移傳感器為拉繩式傳感器。加載前，傳感器安裝好后，用重物牽引下垂至地面、固定平穩(wěn)；然后運行電腦，打開自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)云平臺網(wǎng)頁版，在工程管理中設置好對應的試驗參數(shù)；最后，調試終端控制儀，使控制儀和位移傳感器完成連接。

本次PK板堆載試驗加載模式設計為逐級加載。試驗開始前先對構件進行預加載，預加載分3級進行，每級荷載為0.27 kN/m2（即120 kg），每級荷載加載后持續(xù)5 min。預加載結束后，卸去荷重塊并清零位移計，開始正式加載。構件開裂前每級施加荷載為0.55 kN/m2（即250 kg），開裂后減小至0.22 kN/m2（即100 kg），每級荷載維持15 min。根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[7]，并結合預應力混凝土鋼管桁架疊合板的構造特點：當?shù)装彘_裂或跨中彎曲撓度達到1/200，認定達到施工階段正常使用極限狀態(tài)；當跨中彎曲撓度超過l/50、裂縫寬度達到1.5 mm、預應力鋼筋拉斷或上弦鋼管屈曲，認定達到承載能力極限狀態(tài)。

2.3 結果分析

預加載階段主要是為了檢查支座是否平穩(wěn)，各類傳感器能否正常工作，確定試驗裝置各部分接觸良好。由于預應力的存在，預加載至0.81 kN/m2，構件并未發(fā)生可見變形。正式加載至3.85 kN/m2時，跨中和距支座1/6凈跨處撓度分別為13.28 mm和5.64 mm，構件無裂縫出現(xiàn)。此時，構件跨中撓度13.28 mm＜15.00 mm（l/200），為正常使用狀態(tài)。加載至4.40 kN/m2時，跨中撓度為15.02 mm，恰好超過15 mm。加載至5.12 kN/m2時，構件下表面產(chǎn)生一條裂縫，寬0.12 mm，位于左端支座右側59.28 cm處。加載達到5.78 kN/m2時，構件舊裂紋寬度增大，且未產(chǎn)生新裂縫。繼續(xù)增加荷載，當荷載為6.00 kN/m2時，構件破壞，撓度變化幅度較大，跨中和距支座1/6凈跨處撓度達到了76.35 mm和22.88 mm，構件下表面產(chǎn)生出現(xiàn)一條新裂縫，寬0.45 mm，位于右端支座左側61.91 cm處。此時，跨中撓度76.35 mm＞60.00 mm（l/50），停止加載。

圖3為施加荷載與撓度（q-f）曲線。由圖可以看出，正式加載階段，構件的變形可分為3個階段：第1階段（正常使用狀態(tài)），荷載從0 kN/m2增加到3.85 kN/m2時，構件跨中和距支座1/6凈跨的位移均為線性變化；第2階段（承載能力狀態(tài)），構件從正常使用狀態(tài)轉換為承載能力狀態(tài)，荷載從4.40 kN/m2增加到5.78 kN/m2時，構件跨中和距支座1/6凈跨的位移均為指數(shù)變化；第3階段（屈服破壞狀態(tài)），荷載為6.00 kN/m2時，構件破壞。

圖3 構件荷載-撓度曲線

綜合考慮施工時荷載情況，設定均布荷載4.38 kN/m2為檢驗荷載（見3.1節(jié)）。根據(jù)試驗結果可知，在檢驗荷載下，PK板凈跨l≤3 000 mm時，若不設支撐，此時構件亦能滿足施工條件，不僅安全可靠，而且減少了現(xiàn)場實施的作業(yè)量。對于凈跨3 000 mm的構件，其開裂荷載和極限荷載分別為5.12 kN/m2和6.00 kN/m2。

3 現(xiàn)場應用實施

3.1 臨時支撐設置

PK板吊裝前，需根據(jù)規(guī)范[3]設置臨時支撐，待吊裝結束，位置校核完成，方可澆筑疊合層混凝土，板下支撐應按規(guī)范[4]進行排布。PK板就位前，應設置好由豎向支撐和橫梁組成的臨時支撐，支撐與兩端距離支座外側距離不應大于500 mm（圖4）。

圖4 板底支座處支撐布置示意

跨內支撐布置原則為：取施工荷載的最不利組合，限制混凝土樓板的撓度不超過l/200。首先，由公式（1）計算PK板抗彎剛度Bs；然后，考慮荷載的標準組合，驗算預制構件的撓度和裂縫，由公式（2）得到均布荷載q；最后，由公式（3）根據(jù)PK板施工受力特點，等同簡支梁求出板跨中撓度。

其中，Bs為PK板抗彎剛度，βc＝0.85，為剛度折減系數(shù)，Econ為PK板組合彈性模量，I0為PK板組合慣性矩；q為板面所受均布荷載，G為恒荷載，Q為活荷載；f為板跨中撓度，l為板計算跨度。

在疊合樓板的預制部分樓板上進行現(xiàn)澆部分樓板施工，預制樓板需要承擔現(xiàn)澆樓板質量及施工荷載，其兩端與梁現(xiàn)澆錨固，受力形式等同簡支梁，取1 m單位寬度計算。根據(jù)設計材料性質和構件尺寸，由式（1）可得PK板抗彎剛度為3.65×1011N·mm2；施工過程中，基于公式（2）進行計算，PK板疊合層混凝土自重荷載為2.38 kN/m2，施工荷載綜合考慮取2.00 kN/m2，可得板面均布荷載共計4.38 kN/m2（檢驗荷載）；最后，通過公式（3）監(jiān)測不同跨度PK板的跨中撓度，結果如表1所示。根據(jù)規(guī)范[6]，結合表1，可總結出施工階段PK板下臨時支撐方案，如表2所示。通過計算對表2的工況進行驗證，結果均表明PK板在施工階段處于正常使用狀態(tài)，最大跨中撓度未超過l/200，這與2.3節(jié)的結論可相互佐證。因此，表2所述的臨時支撐方案安全可行。

表1 施工荷載下PK板跨中撓度值

表2 施工階段PK板下臨時支撐設置方法

3.2 施工注意事項

3.2.1 堆放和吊裝

構件堆放場地應為混凝土地坪，地面平整、堅實，排水性好。堆放時PK板與地面間保持一定距離，墊塊放置在桁架側邊，其長、寬、高均不宜小于100 mm。墊塊上下對齊、墊實，不得出現(xiàn)一角脫空的現(xiàn)象，墊塊擺放如圖5所示。

圖5 墊塊擺放示意

不同型號構件應分別堆放，嚴禁倒置，堆放高度不宜超過6層。構件堆放過程中，在預應力作用下，隨著時間的推延會產(chǎn)生徐變，致使構件翹曲或板厚不均勻。因此，要求堆放時間不宜多于2個月。其間還應采取合理的防潮、防雨、防邊角損傷措施。

構件在吊裝時，其底板混凝土強度應達到設計強度的100%，緩起慢落，避免碰撞。保證起重設備的吊鉤、吊具與構件中心在垂直方向重合，鋼絲繩與構件水平夾角不應小于45°，不宜大于60°。

3.2.2 端部鋼筋構造

PK板平行于鋼管桁架方向采用預應力鋼筋，若生產(chǎn)時預留胡子筋，對構件生產(chǎn)效率無明顯影響；若安裝構件時未預留胡子筋，其支座處易發(fā)生開裂，故宜在板端預留胡子筋。當支撐梁或剪力墻現(xiàn)澆時，兩端均預留胡子筋會影響鋪板施工，因此可優(yōu)化為其中一端預留胡子筋，伸出長度（L1）≥15倍鋼筋直徑且伸過支座中心線。另一端設置端部連接鋼筋代替胡子筋，端部連接鋼筋一端伸入支座，一端錨入底板（圖6）。伸入板端支座長度（L2）與L1要求相同，錨入板內長度（L3）不應小于1.6倍的受拉鋼筋錨固長度。此外，連接鋼筋直徑不宜小于5 mm，間距不宜大于250 mm。

圖6 PK板端部連接鋼筋做法

在設計生產(chǎn)時應明確PK板的安裝方向，并在構件生產(chǎn)完成后噴漆標明，施工前對相關作業(yè)人員做好交底，吊裝完成后及時校核。

3.2.3 拼縫構造

PK板拼縫的處理應按圖7施工。沿鋼管方向為密拼式安裝，因預制底板生產(chǎn)安裝時存在誤差，底板之間難免會存在縫隙，但施工時應控制縫隙不超過10 mm。對于施工縫的處理可先采用膩子填充，再鋪貼一層耐堿網(wǎng)布，最后再用膩子磨平。

圖7 板縫后處理做法

3.3 現(xiàn)場實施效果

基于3.1節(jié)臨時支撐設置原則，本工程僅在現(xiàn)澆梁下方和凈跨大于3 m（最大板跨為4.12 m）的構件跨中進行支模架加固，而對凈跨不超過3 m的構件均未設置臨時支撐。樓板混凝土澆筑時，嚴格做好板下?lián)隙缺O(jiān)測工作，結果均在計算值范圍之內。說明本方案安全可靠，樓板成形效果良好。

4 結語

本文通過現(xiàn)場堆載試驗和計算研究分析，明確了PK板下臨時支撐的搭設規(guī)則，提供了具體的數(shù)據(jù)參考，并結合現(xiàn)場施工情況，解決了一些PK板施工中常見的問題，得出如下結論：

1）施工階段，構件q-f曲線可分為正常使用、承載能力和屈服破壞狀態(tài)3個階段。不同階段構件撓度變化也不盡相同，分別為線性變化、指數(shù)變化和破壞變化。構件裂紋產(chǎn)生常見于其計算跨度的1/5處附近。

2）通過計算分析，給出PK板下臨時支撐設置原則：底板跨度≤3 000 mm，板底可不設支撐；底板跨度＞3 000～6 600 mm，應于板底跨中設置1道支撐；底板跨度＞6 600～9 000 mm，需在1/3板跨處各設1道支撐；與試驗結果一致。

3）PK板兩端應分別設置預留胡子筋和端部連接鋼筋，相鄰板的設置應交錯組合。其中，預留胡子筋和端部連接鋼筋伸入支座長度不小于15倍鋼筋直徑且伸過支座中心線。端部連接鋼筋錨入板內長度不應小于1.6倍的受拉鋼筋錨固長度。

4）相較于普通疊合板，PK板的受彎性能和抗裂能力均有明顯提升，且減少了現(xiàn)場模架搭設工作，縮短了建筑施工周期。以本工程為例，可節(jié)約60%左右的支模材料、45%左右的人工，提高施工速度1.5倍以上。

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，諸如商辦大樓、學校、醫(yī)院等大規(guī)模項目建造需求與日俱增，預應力混凝土鋼管桁架疊合板的應用勢在必行[8]。本工程的試運行證實PK板的可行性高、施工方便、安全可靠，與裝配式建筑的初衷不謀而合，對PK板的推廣應用具有一定的指導意義，。