鋼筋桁架樓承板裂縫控制創(chuàng)新施工工藝探討

茹幸，姬永鐵，李波，張聰

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100071）

1 引言

作為新型樓板組合的代表， 鋼筋桁架樓承板和現(xiàn)澆板存在明顯區(qū)別，前者具有施工難度小、成本低和速度快等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在建筑市場(chǎng)得到廣泛運(yùn)用。 施工期間，樓承板有較大概率出現(xiàn)裂縫，影響最終效果，以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼筋桁架所展開的研究多集中于鋼筋桁架特點(diǎn)、施工方案上，本文將目光聚焦于樓承板， 根據(jù)裂縫成因和試驗(yàn)結(jié)果研發(fā)全新的施工技術(shù)——拱架懸掛施工技術(shù)，最終獲得遠(yuǎn)超預(yù)期的理想效果。 將拱架懸掛施工用于大跨度、超高建筑施工，可使施工質(zhì)量、安全及效率得到不同程度的提升，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

2 項(xiàng)目概況

某地政府計(jì)劃對(duì)博物館內(nèi)文化宮進(jìn)行改建， 項(xiàng)目建筑面積約為31 000 m2， 由3 層群體建筑組成， 主體建筑的層高為5~21 m，內(nèi)部跨度最大能達(dá)60 m。 建筑結(jié)構(gòu)均選用鋼框架，搭配鋼筋混凝土樓板，特殊區(qū)域增設(shè)厚度為5mm 的鋼板，以確保剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 隨著時(shí)間的推移，原有樓板出現(xiàn)多個(gè)裂縫，鑒于此，客戶方要求施工人員用鋼筋桁架樓承板替代原有樓板，且樓承板底部裝有0.5 mm 厚鍍鋅鋼板，另外，改建后，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度要求達(dá)到8 度。

3 樓承板開裂

3.1 常見(jiàn)原因

上弦、腹桿和下弦均為鋼筋的桁架為鋼筋桁架，該桁架通過(guò)電阻點(diǎn)焊的方式和底板相連所形成承重板，即為本文所討論的樓承板，該類樓承板屬于典型的無(wú)支撐壓型樓承板（見(jiàn)圖1）[1]。 其優(yōu)點(diǎn)在于支持機(jī)械化生產(chǎn)，可保證鋼筋間距相等、保護(hù)層厚度相同，使樓板質(zhì)量達(dá)到預(yù)期水平；拆裝連接件、模板的速度較快， 上述構(gòu)件均能重復(fù)使用， 與當(dāng)今社會(huì)所倡導(dǎo)的環(huán)保、節(jié)能要求相符；現(xiàn)場(chǎng)施工量明顯少于傳統(tǒng)工藝，可在保證施工安全的前提下縮短工期，達(dá)到文明施工的最終目的[2]。

圖1 鋼筋桁架樓承板

當(dāng)然，該樓承板也存在明顯不足，即較易損壞。 樓承板出現(xiàn)裂縫的原因較多，常見(jiàn)原因包括：其一，施工荷載集中，使樓承板短時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重變形，出現(xiàn)裂縫；其二，施工用商品混凝土的配合比與現(xiàn)場(chǎng)情況不符；其三，樓承板實(shí)際施工跨度超出設(shè)計(jì)范圍允許的跨度上限，致使樓承板主體變形并開裂；其四，在溫度較高的夏季進(jìn)行施工，未及時(shí)養(yǎng)護(hù)收面，使收面開裂；其五，通過(guò)泵送的方式澆筑，泵管頻繁震動(dòng)，使樓承板開裂。 上述原因中，混凝土配合比、天氣和澆筑方式的控制難度較小，變形裂縫的控制難度極大。 鑒于此，在探究問(wèn)題成因時(shí)，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)跨度完全一致的樓承板，在相同樓層、區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，確定變形程度最為嚴(yán)重的部位后，再對(duì)支撐體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保設(shè)計(jì)方案具有可行性。

3.2 探究方案

參與本次試驗(yàn)的鋼筋桁架尺寸見(jiàn)表1。

表1 鋼筋桁架尺寸

通過(guò)焊接的方式，對(duì)樓承板、應(yīng)力應(yīng)變器進(jìn)行連接，如實(shí)記錄鋼筋受力、變形情況。 在混凝土內(nèi)設(shè)置應(yīng)力計(jì)，經(jīng)由應(yīng)力計(jì)了解不同強(qiáng)度混凝土的應(yīng)力。 利用應(yīng)變計(jì)對(duì)主梁、次梁狀態(tài)和變形程度加以了解。 樓承板下方裝有千分表，其作用是顯示澆筑對(duì)樓承板撓度產(chǎn)生的影響。 百分表負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)鋼梁應(yīng)變、支撐立桿軸力值。

為準(zhǔn)確掌握開裂原因， 施工方設(shè)置加撐組和不加撐組分別進(jìn)行分析，任一跨板跨中均設(shè)有一排鋼管支撐，相鄰立桿之間的距離為1.2 m，另外，還在頂托表面增設(shè)了通長(zhǎng)木枋[3]。 施工方嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案提出的要求澆筑、 振搗并且養(yǎng)護(hù)混凝土，保護(hù)層平整度和厚度均符合規(guī)定。 待澆筑混凝土的環(huán)節(jié)告一段落，不加撐板跨中撓度在18 mm 左右，加撐的撓度在7 mm左右。 外在表現(xiàn)為： 不加撐的樓承板在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)裂縫，且裂縫沿鋼筋桁架走向延伸，縫寬最大能達(dá)1.0 mm 左右，而加撐樓承板并未出現(xiàn)裂縫。

4 控制工藝討論

經(jīng)過(guò)分析可知， 導(dǎo)致樓承板出現(xiàn)裂縫的原因主要是其撓曲變形程度超出允許范圍，考慮到安裝腳手架存在速度慢、成本高等因素，且建筑層高偏高，難以保障施工人員安全，施工方應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況、 常規(guī)工藝和自身經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)控制裂縫的工藝進(jìn)行創(chuàng)新，放棄底部增設(shè)支撐的做法，改用懸掛拱架對(duì)撓曲變形程度加以控制，進(jìn)而達(dá)到避免樓承板開裂的目的。 全新控制工藝如下。

4.1 設(shè)計(jì)方案

從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度分析， 單拱結(jié)構(gòu)的拱腳需要承受水平推力，除拱腳外的其他部位則需要承受壓力。 要想將拱結(jié)構(gòu)作為受力結(jié)構(gòu)， 關(guān)鍵要消除拱腳推力給鋼梁造成的影響， 鑒于此，對(duì)拱架懸掛體系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可先利用彈性變形程度有限的塑鋼鋼筋，對(duì)各拱腳加以連接，再利用拱腳系桿對(duì)花籃螺栓（見(jiàn)圖2）進(jìn)行連接，將鋼梁側(cè)面彎矩的概率降至最低。

圖2 花籃螺栓

4.2 控制原理

本項(xiàng)目中，鋼拱架為主要受力構(gòu)架，需要借鑒三鉸拱受力原理，利用拱腳系桿對(duì)水平推力進(jìn)行消除。 花籃螺栓負(fù)責(zé)連接樓承板與吊桿，通過(guò)打造彈性支承的方式，對(duì)樓承板整體撓曲變形程度加以控制。 其中，吊桿的作用是向拱架傳遞混凝土自重、施工荷載、樓承板自重，在拱腳系桿、拱架的作用下，確保豎向荷載能夠經(jīng)由臨時(shí)支座順利到達(dá)鋼框架梁內(nèi)部。 澆筑商品混凝土期間，鋼結(jié)構(gòu)、樓承板及拱架的變形程度始終保持一致，真正做到通過(guò)控制樓承板整體撓曲變形程度的方式，將混凝土裂縫數(shù)量、深度控制在允許范圍內(nèi)。 普通懸掛拱架可以拆分成以下部分：半拱架、吊桿、吊耳、花籃螺栓、拱腳系桿、斜撐、拱頂拉桿、臨時(shí)支座[4]。 本項(xiàng)目所使用的拱架為加節(jié)拱架，整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 加節(jié)拱架結(jié)構(gòu)圖

4.3 連接方式

4.3.1 懸掛拱架

鋼拱架由中間帶有支座的半拱架、邊緣帶有支座的半拱架組成，臨時(shí)支座通過(guò)螺栓與鋼梁、拱腳相連，拱頂同樣用螺栓加固，以上構(gòu)件共同組成三鉸拱。 拱架與半拱架組成多跨、單跨拱架。 不同的半拱架可經(jīng)由拱頂預(yù)設(shè)螺栓相連。 鋼框架梁與臨時(shí)支座的連接點(diǎn)通過(guò)焊接加固，臨時(shí)支座經(jīng)由螺栓和拱腳相連。

4.3.2 其他構(gòu)件

待安裝拱架主體的工作告一段落，盡快連接吊桿與吊耳、吊桿與樓承板，其中，吊桿上部與吊耳相連，下部經(jīng)由花籃螺栓與樓承板的分布筋相連，通過(guò)緊固、擰松花籃螺栓的方式，對(duì)樓承板整體預(yù)拱度、撓度加以控制。

在本項(xiàng)目中，為消除拱腳推力所造成影響，設(shè)計(jì)人員決定將花籃螺栓、拱腳系桿相連，此時(shí)，拱腳只需承受豎向荷載即可，隨著豎向荷載經(jīng)由鋼框架梁到達(dá)鋼柱內(nèi)部，鋼框架梁受扭的問(wèn)題迎刃而解。 計(jì)算吊點(diǎn)數(shù)量、相鄰吊點(diǎn)之間的距離時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮拱架吊桿、樓承板共同受力的工況，根據(jù)吊桿作用點(diǎn)所能輻射的范圍，對(duì)荷載取值加以確定，正常情況下，取施工荷載、板自重的1/3，確保任一吊桿所分配荷載值相同，每個(gè)吊耳均有吊桿對(duì)應(yīng)，吊耳、吊桿數(shù)量和距離完全相同。 斜撐、拱頂拉桿負(fù)責(zé)對(duì)拱架所具有外穩(wěn)定性加以控制。 實(shí)際施工中，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)連接方式加以選擇， 符合本項(xiàng)目要求的連接方式有扣件連接、焊接，另外，斜撐、拱頂拉桿的材料也并不唯一，常用材料包括角鋼和鋼管，同樣要視情況選擇。 需明確，若板跨度發(fā)生改變，應(yīng)以現(xiàn)有三鉸拱為基礎(chǔ)，在拱頂增設(shè)相應(yīng)的水平加節(jié)，通過(guò)對(duì)拱架跨度加以調(diào)節(jié)的方式，使拱架覆蓋范圍達(dá)到理想水平。 但增設(shè)水平加節(jié)會(huì)使拱架形態(tài)由三鉸拱改變成梯形拱架，鉸接點(diǎn)隨之變成四鉸梯形拱。 如果需要計(jì)算拱架受力，應(yīng)將拱身視為梁，并根據(jù)其所承受彎矩大小和拱高對(duì)系桿拉力加以確定。

4.4 施工要點(diǎn)

作為一項(xiàng)全新的施工技術(shù)，拱架懸掛施工所適用拱架形式較多，包括但不限于桁架拱、鋼管拱及工字鋼拱，以拱架截面小、受力科學(xué)為依據(jù)，分別在樓承板主梁、次梁恰當(dāng)位置增設(shè)永久性支座，對(duì)拱架進(jìn)行可靠連接，同時(shí)利用吊桿對(duì)施工荷載、樓承板荷載加以傳遞，可確保荷載經(jīng)由拱架到達(dá)主梁、次梁，使鋼結(jié)構(gòu)、樓承板還有拱架成為整體，并為日后協(xié)同作業(yè)提供先決條件。 樓承板、吊桿連接處，需要提前設(shè)置直徑符合要求的短鋼筋，通過(guò)將短鋼筋接入吊桿吊鉤的方式，使吊桿所承受作用力平均分布到不同的桁架上，有效解決由于單點(diǎn)吊力超出構(gòu)件所能承受范圍，導(dǎo)致鍍鋅盤焊點(diǎn)、桁架筋被破壞的情況。 事實(shí)證明，上述工藝具有施工速度快、支持獨(dú)立施工和工程量少等優(yōu)點(diǎn)，可將樓承板開裂的概率降至最低，將其用于大跨度結(jié)構(gòu)建筑的施工，能在保證施工質(zhì)量的前提下縮短工期，施工結(jié)束后，可將拱架回收并應(yīng)用在公路支護(hù)項(xiàng)目中，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語(yǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，與安裝腳手架的傳統(tǒng)工藝相比，拱架懸掛施工更加經(jīng)濟(jì)且安全， 不僅能在極大程度上減少安裝腳手架的工程量，還可使施工速度始終維持在較為理想的水平，將其用于跨度較大、層高偏高的項(xiàng)目中，通常能取得事半功倍的效果。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，確定導(dǎo)致樓承板出現(xiàn)裂縫的原因后，從多個(gè)角度對(duì)控制撓度的工藝展開討論， 以拱橋施工所積累經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，最終決定改用拱架懸掛施工。 現(xiàn)階段，本項(xiàng)目已順利竣工并投入使用，實(shí)際效果表明，拱架懸掛施工既能夠縮短項(xiàng)目工期，又可將樓承板出現(xiàn)裂縫的概率降至最低，對(duì)日后大范圍推廣鋼結(jié)構(gòu)樓板具有重要意義。