裝配式混凝土疊合板淺述

李金龍，吳欣禹，吳金國(guó)，董松員，李娜

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司；3.中國(guó)人民解放軍空軍研究院工程設(shè)計(jì)研究所沈陽(yáng)工程設(shè)計(jì)室）

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)因工業(yè)生產(chǎn)容易，環(huán)境和勞動(dòng)力等施工因素影響小而受到工程師的青睞。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，裝配式建筑體系主要使用各種預(yù)制或半預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其中，作為水平受力部件的樓板是預(yù)制裝配式建筑的主要研究對(duì)象之一。

疊合式樓板是由預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分相結(jié)合的一種構(gòu)件。預(yù)制部分安裝在底部，其上澆筑一層混凝土，而后兩部分混凝土形成整體受力的狀態(tài)。疊合式樓板兼具現(xiàn)澆和預(yù)制的特點(diǎn)，在裝配式建筑中發(fā)展前景良好[1]。鋼筋混凝土疊合式樓板的底板可以在工廠預(yù)制，機(jī)械化程度高，專業(yè)技術(shù)熟練，因此構(gòu)件的質(zhì)量高且具有良好的穩(wěn)定性。此外，疊合式樓板的底板在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢后可作為現(xiàn)澆混凝土層的模板，即使跨度較大，也可以靈活安裝支撐，與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，節(jié)省了工時(shí)和材料，有效提高了施工速度，施工周期也可以最大程度縮短[2]。

1 疊合板在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 疊合板在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外的疊合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用始于20世紀(jì)初。1920年最初適用于混凝土橋[5]。從1940年開始被用于住宅建設(shè)，但是在建筑用途上疊合結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步開發(fā)是在1950年以后。初期的混凝土疊合結(jié)構(gòu)分別被用于鋼梁和現(xiàn)場(chǎng)混凝土板的組合、木梁和現(xiàn)澆混凝土板的組合，中期逐漸發(fā)展成預(yù)制件和現(xiàn)澆混凝土層組合并以此為基礎(chǔ)采用了預(yù)壓應(yīng)力技術(shù)。國(guó)外在50年代用的較多的是一種預(yù)應(yīng)力棒，并在其上澆筑較低強(qiáng)度的混凝土稱其為綜合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 國(guó)外綜合結(jié)構(gòu)的截面形式

在國(guó)外，大型建筑構(gòu)件，如模板柱、屋頂梁和基礎(chǔ)，都是使用這種預(yù)應(yīng)力桿和薄板制造的。這種結(jié)構(gòu)重量輕、靈活、運(yùn)輸方便，曾被波蘭人稱作“萬(wàn)能構(gòu)件”。20世紀(jì)50～60年代期間，這種結(jié)構(gòu)形式被廣泛使用。另外，波蘭人還使用了被稱作DMSZ型疊合結(jié)構(gòu)的樓面，這是一種采用預(yù)應(yīng)力小梁作為承重構(gòu)件，預(yù)制裝配的粘土空心塊被配置在上面。最后，在上部現(xiàn)澆混凝土使三者聯(lián)合為一體，經(jīng)濟(jì)效果較好。在英國(guó)的學(xué)校、醫(yī)院、住宅中大多采用一種被稱作“什塔爾唐”系統(tǒng)的復(fù)合樓面，與施加了預(yù)壓應(yīng)力的粘土空心砌塊組成承載構(gòu)件，在其上放混凝土空心塊，最后再在其上澆筑混凝土。英國(guó)混凝土公司研制了一種“比藏”型預(yù)應(yīng)力板，該板在施工階段可被用作模板。其主要由一種“燕尾”型的凹槽來減小新舊混凝土層之間產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)[5]，如圖2所示。

圖2 “比藏”型的疊合樓蓋

20世紀(jì)60年代初，前蘇聯(lián)主要以預(yù)應(yīng)力薄板作為復(fù)合樓蓋，僅依靠薄板上的人工粗糙表面而不使用凹槽來獲得附著力和摩擦力。試驗(yàn)認(rèn)證新舊混凝土層可協(xié)同工作，該結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于前蘇聯(lián)南部的抗震結(jié)構(gòu)中[3-4]。

德國(guó)和法國(guó)也大量利用該預(yù)應(yīng)力板來制作組合式混凝土樓板，并在疊合面上添加了抗剪筋，提出了具體設(shè)計(jì)規(guī)程[5]。日本熊谷組公司研發(fā)出了一種名為PC疊合板及半預(yù)制結(jié)構(gòu)的新體系，都實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的工程應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)成果。

近年來的開發(fā)動(dòng)向是鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)。這是在工字型鋼梁上設(shè)置剪切鉚釘，將鉚釘連接到波形輪廓鋼板上，在鋼板上澆筑混凝土而形成的鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)[5-8]。其形式如圖3、圖4所示。

圖3 鋼-混凝土組合樓板圖 圖4 鋼-混凝土疊合樓板剖面圖

疊合板最初應(yīng)用于橋梁，不斷更新和改進(jìn)，目前疊合板廣泛應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)形式。在其發(fā)展過程中，疊合板本身經(jīng)歷了一系列的技術(shù)變革。第一，在建筑形式上，疊合板由木梁、鋼梁和混凝土板組成，然后演變?yōu)殇摻罨炷令A(yù)制構(gòu)件、組合鋼板和預(yù)應(yīng)力混凝土板。第二，在材料的使用方面，預(yù)制底板已從非預(yù)應(yīng)力發(fā)展到預(yù)應(yīng)力，被動(dòng)鋼筋已從傳統(tǒng)的冷加工鋼筋發(fā)展到高強(qiáng)度、低松弛的拉絲鋼筋。第三，在受力形式上，很多房屋的建筑樓蓋都是雙向受力形式，而按單向受力形式設(shè)計(jì)的樓蓋，一個(gè)方向的鋼筋總是過多，另一個(gè)方向的承載力不足，因此，樓蓋已從單向負(fù)荷形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向負(fù)荷形式。這必將是一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)。第四，在適用范圍上，疊合板由工業(yè)建筑向民用建筑轉(zhuǎn)變，由多層建筑向高層建筑轉(zhuǎn)變[2]。

綜上所述，目前國(guó)外的疊合樓板的類型主要有木梁或型鋼梁加預(yù)制混凝土底板的疊合樓板、壓型鋼板和混凝土疊合樓板、預(yù)應(yīng)力混凝土疊合樓板及其他形式的永久模板做底板的疊合樓板。日本的PC板被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、公用建筑和多層及高層建筑。

1.2 疊合板在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來，在國(guó)內(nèi)大力倡導(dǎo)“綠色低碳”的背景下，裝配式建筑因其節(jié)省能源資源、降低施工污染、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢(shì)成為工程人員和科研學(xué)者重點(diǎn)研究對(duì)象。在建筑結(jié)構(gòu)中，樓板作為水平方向的支撐及聯(lián)系構(gòu)件而成為保證結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性不可或缺的部分。當(dāng)前，結(jié)合了現(xiàn)澆式和預(yù)制式特點(diǎn)的疊合式樓板備受工程師的青睞，它的出現(xiàn)促進(jìn)了建筑產(chǎn)業(yè)及建造方式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著國(guó)內(nèi)學(xué)者的不懈努力，疊合板應(yīng)用技術(shù)日趨成熟。疊合板按其組成形式及底板類型可分為：預(yù)應(yīng)力夾心疊合板、預(yù)應(yīng)力帶反肋疊合板、預(yù)應(yīng)力空心疊合板、自承式鋼桁架疊合板[9]。

首先，對(duì)于預(yù)應(yīng)力夾心疊合板，其主要分為兩種：一種是以帶有倒T型肋的預(yù)制板為底板，其上放泡沫條作為夾心，最后現(xiàn)澆一層混凝土保證構(gòu)件整體穩(wěn)定性，如圖5。這種帶夾心的疊合板構(gòu)件與現(xiàn)澆板相比，在保證了整體剛度的前提下，更節(jié)省了混凝土用量。另一種則是由帶翼緣和橫肋槽的空心條形板為底板，內(nèi)部填充輕質(zhì)塊，當(dāng)多個(gè)底板拼裝后，翼緣與橫肋形成雙向密肋，最后與其上澆筑的混凝土形成疊合樓蓋，如圖6。該板可以實(shí)現(xiàn)雙向受力。朱茂存等[10]以帶有四根泡沫條的夾心疊合板試件為例，對(duì)其承載力進(jìn)行了計(jì)算研究。周友香等[11]考慮了混凝土密肋樓蓋的線彈性計(jì)算，對(duì)雙向密肋夾心疊合板的計(jì)算進(jìn)行了方法分析，并比較了其經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 帶倒T型肋夾芯板 圖6 雙向密肋夾心板

其次，對(duì)于預(yù)應(yīng)力帶肋疊合板，底板可分為倒T形板和帶肋薄板兩種形式。前者是在多個(gè)倒 T形底板拼接后形成的凹槽中澆筑混凝土，以此形成矩形肋，如圖7。后者是以帶預(yù)制矩形或T形肋薄板為底板，肋上預(yù)留有可穿越橫向鋼筋的孔，多個(gè)底板拼接后，在拼縫位置處附加蛇形抗裂鋼筋，如圖8。對(duì)于帶肋疊合板，肋的存在不僅可以提高底板的抗彎剛度使其在運(yùn)輸時(shí)不易損壞，而且還可以增強(qiáng)底板與現(xiàn)澆層之間的粘結(jié)力，使整體性更好。岳建偉等[12]對(duì)施加預(yù)應(yīng)力的帶肋疊合板開展試驗(yàn)研究，并結(jié)合工程應(yīng)用表明：帶肋預(yù)應(yīng)力底板剛度大，抗裂性能好，且在工程應(yīng)用中能達(dá)到免支撐。吳方伯等[13]分別對(duì)帶T形肋和矩形肋的薄板進(jìn)行靜載試驗(yàn)，結(jié)合理論分析，建立了均布荷載作用下兩端簡(jiǎn)支預(yù)制薄板的等效剛度公式。

圖7 倒T形底板 圖8 帶肋薄板底板

再次，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板，主要分為三種，第一種是簡(jiǎn)單地在施加了預(yù)壓應(yīng)力的空心預(yù)制底板上現(xiàn)澆混凝土，但兩者結(jié)合不良好，其截面形式如圖9。第二種是以預(yù)應(yīng)力帶肋板為底板，上部澆筑混凝土而在肋間形成空腹部分，其截面為帶空腹?fàn)钊鐖D10。第三種是由以配置了預(yù)應(yīng)力筋的WFB空心預(yù)制板為底板，其板兩側(cè)帶有凹陷，多塊底板拼接后只需在凹槽中澆筑混凝土形成肋，有效減少混凝土用量（圖11）。

圖9 空心底板截面 圖10 空腹疊合板截面

圖11 WFB預(yù)應(yīng)力空心預(yù)制板

對(duì)于空心疊合板，劉成才等[14-15]對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心底板及現(xiàn)澆50mm厚混凝土的疊合板進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)兩者抗裂性能、破壞性質(zhì)、極限承載力進(jìn)行對(duì)比分析。并給出工程建議：當(dāng)跨度小于 4. 2m 時(shí)，此類疊合板跨中可免支撐。

而對(duì)于空腹疊合板，趙成文等[16]研制了該類疊合板，并通過對(duì)跨度為7170mm的足尺空腹疊合板進(jìn)行試驗(yàn)，分析荷載撓度曲線，得出將疊合接觸面面積達(dá)到板面積的27%以上，可不致出現(xiàn)疊合面滑移現(xiàn)象。

WFB預(yù)應(yīng)力空心疊合板被研發(fā)于2008年，由吳方伯[17]等其進(jìn)行了試驗(yàn)，通過分析裂縫形態(tài)、極限承載力、撓度等發(fā)現(xiàn)該種疊合板抗裂性能及承載力良好。

最后，對(duì)于自承式鋼筋桁架混凝土疊合板，其最大特點(diǎn)是位于現(xiàn)澆層和預(yù)制底板之間配置了鋼筋桁架。鋼桁架將上下層鋼筋連接起來，既加強(qiáng)了預(yù)制底板的抗彎剛度，又增強(qiáng)了疊合面的抗剪性能，從而加強(qiáng)整個(gè)疊合板的整體協(xié)作能力。

2006年，劉軼等[18-19]對(duì)自承式簡(jiǎn)支單向鋼桁架疊合板在施工階段與使用階段的受力性能與同階段的現(xiàn)澆板做比較，最后提出了該種類疊合板在各階段的設(shè)計(jì)及施工建議。趙磊[20]在現(xiàn)有疊合式構(gòu)件剛度計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立了預(yù)制構(gòu)件短期剛度及疊合構(gòu)件其他方面的計(jì)算方法，結(jié)合ANSYS模擬和設(shè)計(jì)算例來提出工程建議。

圖12 自承式鋼筋桁架混凝土預(yù)制底板截面

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前對(duì)于疊合板的研究主要著重于底板類型，以及節(jié)省材料方面。而疊合板在大跨度雙向傳力及側(cè)向拼接還需進(jìn)一步研究。因此，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)該將理論研究與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，對(duì)各類型疊合板進(jìn)一步完善。