預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

孫冠華 劉 偉

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

近年來，國(guó)家鼓勵(lì)大力發(fā)展裝配式建筑，這有利于節(jié)約資源能源，減少環(huán)境污染，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證施工質(zhì)量，逐步實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化。疊合板是在預(yù)制底板上部澆筑混凝土疊合層而形成的一種裝配整體式結(jié)構(gòu)構(gòu)件[1]。預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板分為預(yù)制底板和現(xiàn)場(chǎng)后澆疊合層兩部分，預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板已廣泛應(yīng)用在裝配式結(jié)構(gòu)中。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，預(yù)制底板為永久模板，承擔(dān)結(jié)構(gòu)的自重和施工荷載；在使用時(shí)，預(yù)制底板與疊合層形成統(tǒng)一的整體,共同承受上部結(jié)構(gòu)傳到樓板上的荷載，以滿足樓板的實(shí)際使用要求。在普通混凝土疊合板中加入預(yù)應(yīng)力鋼筋，對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力，能夠有效解決混凝土疊合板的底板開裂問題，提高疊合板的剛度和整體性。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于混凝土疊合板和預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的研究成果較多，本文將對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，對(duì)疊合板的應(yīng)用趨勢(shì)及研究方向進(jìn)行探討。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板研究現(xiàn)狀

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板的研究

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板是目前使用最為廣泛的預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板形式，與預(yù)應(yīng)力混凝土平板疊合板相比可顯著提高底板剛度。桑愛華[2]等通過研究給出預(yù)應(yīng)力疊合樓板的理論設(shè)計(jì)方法，提出預(yù)應(yīng)力疊合板的制作工藝、薄板（預(yù)制底板）的安裝與疊合層的施工等，對(duì)預(yù)應(yīng)力疊合板的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；聶建國(guó)[3]等對(duì)鋼筋桁架混凝土疊合板進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土疊合板疊合層新舊混凝土接觸面采用不同做法，在受彎破壞前均未出現(xiàn)沿疊合面水平方向的剪切破壞，對(duì)板有抗震要求的，可在疊合層面上設(shè)置抗剪鋼筋，保證疊合板的整體性；盧家森[4]等通過對(duì)鋼筋桁架混凝土疊合板設(shè)計(jì)方法的研究，得到了鋼筋桁架混凝土疊合板基本的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；劉文政[5]等分別對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼桁架（鋼筋桁架、鋼管桁架和鋼板桁架）和平板進(jìn)行預(yù)制底板和疊合板受彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼桁架能顯著提升預(yù)制底板的抗彎能力，其中鋼管桁架的開裂荷載最高，預(yù)制底板的開裂荷載隨著預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量的增加而增大，鋼管桁架預(yù)制底板中鋼管桁架上弦桿中是否灌漿對(duì)板的受力性能影響不大，鋼筋桁架類型及桁架的有無對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的開裂荷載影響不大，為防止鋼桁架上弦發(fā)生失穩(wěn)破壞，建立了預(yù)制底板上弦失穩(wěn)彎矩計(jì)算式。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的研究

預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板是在鋼筋桁架疊合板基礎(chǔ)上研發(fā)的一種疊合板形式，預(yù)應(yīng)力抑制底板開裂，鋼管桁架能有效控制底板反拱，減小底板厚度、減輕板的自重，增強(qiáng)了底板的抗彎剛度和承載力，抗裂性較好。于敬海[6]等通過對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板一階段和二階段受力的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼管桁架能增強(qiáng)混凝土疊合層與預(yù)制底板間的黏結(jié)力，“二階段受力”效應(yīng)減小了疊合板的開裂荷載且增大了最大裂縫寬度，疊合面滿足抗剪要求等；吳楊[7]等對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼管桁架疊合板的設(shè)計(jì)方法做了深入研究，提出了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，即預(yù)應(yīng)力方向按單向板設(shè)計(jì)，垂直于預(yù)應(yīng)力方向按普通現(xiàn)澆混凝土雙向板設(shè)計(jì)。

1.3 帶肋預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的研究

預(yù)應(yīng)力疊合板帶肋可以有效增強(qiáng)底板剛度，減緩疊合板的反拱現(xiàn)象。常見肋的材料是混凝土，鋼肋正在研究探索階段。

吳方伯[8]等研發(fā)出了預(yù)應(yīng)力帶肋底板（肋上預(yù)留孔洞）混凝土疊合板，混凝土肋中留設(shè)孔洞便于埋設(shè)管線，混凝土肋孔洞里澆筑混凝土形成預(yù)制底板與疊合層間的咬合力，但不足的是施工較復(fù)雜、施工效率低、對(duì)技術(shù)要求高等，吳方伯等認(rèn)為帶肋應(yīng)沿短跨方向布置，當(dāng)疊合板長(zhǎng)短跨比值≤2時(shí)，考慮雙向受力效應(yīng)，當(dāng)長(zhǎng)短跨比值＞2時(shí)，按單向板設(shè)計(jì)；石磊[9]等提出一種預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板，對(duì)帶肋底板和帶肋疊合板分別進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明其疊合板承載力與帶肋底板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、肋高、肋寬和疊合層厚度、配筋率有關(guān)，但需要注意的是每種影響因素都要在合理的區(qū)間。針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土帶肋疊合板中混凝土肋成型復(fù)雜問題，侯和濤[10]等提出一種預(yù)應(yīng)力鋼肋疊合板（PCCSSR），通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疊合板的受彎性能和承載力與混凝土上翼緣厚度、波紋鋼腹板高度有關(guān)；波紋鋼腹板比直線鋼腹板具有更好的抗剪能力和平面外剛度，可以有效提高疊合板的抗彎剛度且具有良好的整體性。為探究不同板肋形式對(duì)帶肋預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的影響，黃海林[11]等對(duì)不同板肋疊合板（矩形肋、T形肋）進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)置矩形板肋和T形板肋的疊合板，能達(dá)到與整澆板相同的受彎性能；提出了預(yù)制帶肋底板混凝土疊合板的開裂彎矩和極限彎矩公式。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板板縫拼接的研究

預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板是將預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土底板在接縫處拼接，然后在預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土底板上澆筑混凝土疊合層，形成預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板。目前預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板板縫拼接尚在研究探索中，主要參考混凝土疊合板的板縫連接進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。常見的板間接縫處連接主要有整體接縫、分離式接縫、密拼接縫等。板間接縫處連接好壞關(guān)系著整個(gè)疊合樓板的承載力，所以對(duì)這方面的研究顯得尤為重要。葉獻(xiàn)國(guó)[12]等對(duì)疊合板的拼接構(gòu)造進(jìn)行了研究，認(rèn)為增加拼縫處連接鋼筋的數(shù)量和錨固長(zhǎng)度可有效提高其承載力，疊合板在拼接處采用連接筋構(gòu)造措施，在拼縫處能夠有效傳遞內(nèi)力，接縫處連接良好，可以通過增加拼縫處截面的有效高度提高板拼接處的承載力；余永濤[13]等對(duì)單縫密拼鋼筋混凝土疊合板進(jìn)行試驗(yàn)研究，認(rèn)為單縫密拼疊合板易在拼縫處沿著疊合面發(fā)生撕裂破壞，鋼筋桁架疊合板能有效控制此破壞的產(chǎn)生，提出了疊合板拼縫裂縫寬度和桁架鋼筋抗劈裂驗(yàn)算的設(shè)計(jì)建議，給出了密拼拼縫的構(gòu)造要求建議；顏鋒[14]等對(duì)足尺的混凝土疊合板進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，預(yù)制底板帶分離式的疊合板開裂荷載均低于整體現(xiàn)澆板，平板疊合板破壞時(shí)疊合面滑移，完全喪失承載力，屬于脆性破壞，應(yīng)增設(shè)鋼筋桁架或在疊合面處設(shè)抗剪鋼筋防止發(fā)生剪切破壞；根據(jù)接縫位置和板的規(guī)格尺寸，崔士起[15]等設(shè)計(jì)了五種分離式接縫板。試驗(yàn)結(jié)果表明，除六拼板試件外，其他預(yù)制底板均在受彎作用下開裂，接縫部位混凝土應(yīng)變不符合平截面假定，接縫位置、數(shù)量、現(xiàn)澆疊合層厚度會(huì)直接影響接縫疊合板的抗彎剛度。

3 目前研究中存在的不足和應(yīng)用趨勢(shì)

3.1 目前研究中存在的不足

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板采用整體接縫時(shí)，因其存在四周出筋，制作復(fù)雜、板接縫處需搭設(shè)模板整澆在一起，降低了使用效率；

（2）對(duì)大跨度、在復(fù)雜環(huán)境條件下應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的研究較少；

（3）對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板往往當(dāng)成一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體去考慮，很少對(duì)疊合板與鋼梁柱節(jié)點(diǎn)處的構(gòu)造和施工技術(shù)進(jìn)行研究；

（4）目前著重研究混凝土材料樓板，對(duì)輕質(zhì)材料樓板研究不多；

（5）目前主要研究單向預(yù)應(yīng)力疊合板，對(duì)雙向預(yù)應(yīng)力疊合板的研究較少；

（6）實(shí)際使用時(shí)樓板上可能開設(shè)洞口，一旦開洞就會(huì)切斷普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋，會(huì)使疊合板的受力性能和承載能力受到影響，目前對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的開洞研究較少；

（7）預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制底板分布筋單一，都是普通鋼筋，質(zhì)量較大；

（8）對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的剛度計(jì)算和疲勞性能設(shè)計(jì)考慮不多，應(yīng)在這方面進(jìn)行廣泛研究；

（9）在研究過程中推導(dǎo)出的強(qiáng)度、剛度、彎矩等計(jì)算公式有特殊性、不太具有普遍性。

3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板應(yīng)用趨勢(shì)及研究方向

（1）接縫處是疊合板的薄弱環(huán)節(jié)，目前對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板接縫處的研究較少，應(yīng)加強(qiáng)研究便捷高質(zhì)量的接縫形式，提高施工效率。

（2）隨著裝配式建筑的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板需要適應(yīng)各種施工環(huán)境。應(yīng)深入開展大跨度、無支撐、異形疊合板的研究，以及特定復(fù)雜環(huán)境下使用的預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的研究。

（3）應(yīng)重視預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板與框架整體受力機(jī)理研究，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板參與的裝配式建筑的抗震性能及影響因素也應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

（4）輕質(zhì)混凝土疊合板可以減輕樓板自重、降低造價(jià)、低碳環(huán)保。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土樓板的研究，同時(shí)，可在混凝土摻入適量的粉煤灰和煤矸石、或加入由建筑垃圾制成的再生粗骨料達(dá)到節(jié)約資源、低碳環(huán)保的要求。

（5）為滿足建筑更大的跨度、剛度等要求，應(yīng)加大對(duì)雙向疊合板和雙向預(yù)應(yīng)力疊合板的研究。

（6）對(duì)開洞預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板也需建立理論依據(jù)，供實(shí)際工程參考。

（7）FRP筋自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，可用FRP筋作為預(yù)制底板分布筋，減輕底板自重。

（8）在預(yù)制底板或澆筑疊合層時(shí)加入適量鋼纖維材料，增強(qiáng)抗裂性能，延緩裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)大。

（9）應(yīng)完善各種預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，更好地滿足實(shí)際工程的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著裝配式建筑的不斷發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板與普通現(xiàn)澆混凝土樓板相比，具有施工安裝方便，澆筑混凝土疊合層時(shí)不需要支模或減少支模、不用支撐或減少支撐，抗裂性好、撓度小、剛度較大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。在預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板的施工技術(shù)的進(jìn)一步研究中，應(yīng)作好各相關(guān)資料的收集整理，完善相關(guān)研究?jī)?nèi)容，促進(jìn)其在建筑工業(yè)化中的推廣應(yīng)用，提升工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。