裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展及疊合樓板產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵問題研究

雷成 徐馳 陳芮 熊振宇

摘?要：通過高度概括裝配式建筑國內(nèi)外發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與前景，系統(tǒng)歸納總結(jié)了裝配式疊合樓板的分類與特性，提出我國發(fā)展裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵性問題及解決辦法。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；疊合樓板；產(chǎn)業(yè)化

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.082

1?國內(nèi)裝配式建筑發(fā)展

1.1?國內(nèi)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國開始普及鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅，在全國各地區(qū)都開始了鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)工程，在國家和地區(qū)的政策扶持下，鋼結(jié)構(gòu)的工藝得到逐步完善，施工流程也形成了一定的規(guī)范，我國建筑行業(yè)也趨向工業(yè)化。

調(diào)查顯示，2021年全國鋼結(jié)構(gòu)建筑面積達(dá)到2.1億平方米，而在全國新建建筑占比只有6.9%。鋼結(jié)構(gòu)建筑比我國只有5%～7%。因鋼結(jié)構(gòu)的成本較高，以及防火抗震隔音等性能的不足，所以鋼結(jié)構(gòu)在住宅領(lǐng)域的滲透率尤為低，鋼結(jié)構(gòu)住宅在所有新建建筑的比例僅為1%。我國鋼結(jié)構(gòu)建筑用鋼量僅為鋼產(chǎn)量的20%，建筑的主體結(jié)構(gòu)大多還是采用鋼筋混凝土，鋼結(jié)構(gòu)用量的占比很低?？偟膩碚f，我國住宅鋼結(jié)構(gòu)裝配化的程度還很低。具有很大的發(fā)展空間。

1.2?裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展前景

近年來，在國家不斷出臺的政策支持下，我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的科技創(chuàng)新和建設(shè)技術(shù)都得到了顯著的提升，鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)不斷走向成熟。面對人口生育率降低，人口老齡化加劇的社會，傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨人工成本日益提升的難題，這也影響著我國住宅產(chǎn)業(yè)從鋼筋混凝土向鋼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。隨著居民購房和住房的需求不斷提升以及對住宅的質(zhì)量要求的不斷提高，住宅產(chǎn)業(yè)化是我國住宅業(yè)發(fā)展的一大趨勢，而相對于鋼筋混凝土住宅，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系更具有符合工業(yè)化生產(chǎn)的條件。不僅是采用了節(jié)能環(huán)保的材料，而且施工產(chǎn)生的污染也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土建筑。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在綠色環(huán)保，施工進(jìn)度，建筑綜合性能，施工污染等方面具有較為明顯的優(yōu)勢。推動(dòng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展不僅是推動(dòng)我國建筑行業(yè)的發(fā)展，更是推動(dòng)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點(diǎn)將日益顯現(xiàn)，市場地位也將逐步提升，我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑產(chǎn)業(yè)化也會是建行行業(yè)發(fā)展的大趨勢。

2?國外裝配式建筑發(fā)展

2.1?國外裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以前，我國裝配式建筑還未開始發(fā)展。雖然現(xiàn)在我國裝配式建筑取得一定的進(jìn)步，但仍處于低水平階段。我們?nèi)孕柘虬l(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)裝配式建筑的發(fā)展。表1為世界裝配式建筑發(fā)達(dá)國家的技術(shù)發(fā)展成果對比。

2.2?國外裝配式建筑發(fā)展前景

全球方面，2022年全球裝配式建筑市場規(guī)模已達(dá)3588億美元。隨著工業(yè)化程度的提高，裝配式建筑的地位越來越重要，全球裝配式建筑市場也將迅速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2026年全球裝配式建筑市場規(guī)模將突破6000億美元大關(guān)。

3?裝配式鋼結(jié)構(gòu)疊合樓板設(shè)計(jì)

3.1?疊合樓板分類及構(gòu)造

疊合樓板是使用預(yù)制板，現(xiàn)澆混凝土層共同合成打造的一種樓板，是一種組合板面。在工廠提前制成下部構(gòu)件，混凝土是現(xiàn)場澆筑而成。疊合樓板分為預(yù)制板和現(xiàn)澆混凝土兩部分，同時(shí)具有預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件的特點(diǎn)，綜合性能強(qiáng)，樓板的質(zhì)量高，施工工期短，還可以節(jié)約成本，但在疊合面黏結(jié)力等方面還有所欠缺、比較容易產(chǎn)生裂縫。

文獻(xiàn)[1]規(guī)定疊合樓板中預(yù)制板厚度、后澆混凝土疊合層厚度均不宜小于60mm。疊合樓板的形式很多，不同的材料和構(gòu)造形式使得受力性能和施工工藝有些差異。研究報(bào)告將現(xiàn)行疊合樓板大體為三類，一是傳統(tǒng)型疊合樓板，二是改進(jìn)型疊合樓板，三是新型疊合樓板。

（1）傳統(tǒng)型疊合樓板。傳統(tǒng)型疊合樓板是疊合板的基礎(chǔ)形式，這三類疊合板是其他的和樓板形成的基礎(chǔ)。劉洋指出疊合板主要通過提高底板帶肋、預(yù)應(yīng)力、空腔三大技術(shù)來加強(qiáng)其受力性能。根據(jù)這三大技術(shù)，將傳統(tǒng)型疊合樓板分為三類預(yù)應(yīng)力平板疊合樓板、倒“T”形疊合板、預(yù)應(yīng)力空心疊合板。

（2）改進(jìn)型疊合樓板。改進(jìn)型疊合樓板應(yīng)用較廣，改進(jìn)傳統(tǒng)型疊合樓板的構(gòu)造形式和材料，提高了疊合樓板的綜合性能。將改進(jìn)型疊合樓板進(jìn)行分類，可以分為三類，預(yù)制帶肋混凝土疊合樓板、鋼筋桁架混凝土疊合樓板、新型預(yù)應(yīng)力空心疊合板。

（3）新型疊合樓板。除了傳統(tǒng)型和改進(jìn)型疊合樓板，還有新型疊合樓板，但目前市場上并不普及，還需要深入地系統(tǒng)研究。但這類疊合板品種很多：陶粒疊合層疊合樓板、鋼筋桁架發(fā)泡水泥夾芯疊合樓板、預(yù)制帶肋鋼筋桁架疊合板、灌漿鋼管桁架疊合樓板、波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土疊合樓板。

3.2?疊合樓板力學(xué)性能比較

疊合板按照力學(xué)性能分為一次構(gòu)件和二次構(gòu)件。若施工階段使用支撐，構(gòu)件在使用階段開始承受荷載，這種方式生產(chǎn)的構(gòu)件叫作一次構(gòu)件；若施工階段不使用支撐，構(gòu)件受力分為兩個(gè)階段，第一階段是預(yù)制層單獨(dú)承載荷載，第二階段是疊合樓板作為整體受力，這種方式生產(chǎn)構(gòu)件叫作二次構(gòu)件。文獻(xiàn)[3]、[4]、[5]規(guī)定平板疊合板和鋼筋桁架疊合板均需設(shè)置可靠支撐，預(yù)制帶肋底板疊合樓板按情況選擇是否需要設(shè)置可靠支撐。目前疊合樓板的受力性能和疊合樓板性能提高的改進(jìn)因素是國內(nèi)學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

（1）傳統(tǒng)型疊合樓板。2003年李耀莊、蔣青青等對預(yù)制倒“T”形疊合板和通過負(fù)彎矩鋼筋連接的兩跨倒“T”形疊合連續(xù)板進(jìn)行均布靜荷載試驗(yàn)。結(jié)果表明：連續(xù)板產(chǎn)生裂縫后，到達(dá)極限荷載，但未直接破壞，具有較好的延性，整體性能表現(xiàn)良好。

（2）鋼筋桁架混凝土疊合樓板。作為應(yīng)用比較廣泛的一類疊合樓板，試驗(yàn)主要集中于探討影響鋼筋桁架疊合樓板的因素。

2013年馬蘭、陳向榮等對尺寸為3900×2500×120的鋼筋桁架疊合樓板進(jìn)行試驗(yàn)研究，模擬增加施工荷載后的受力情況，對比分析疊合板和預(yù)制板的裂縫和撓度發(fā)展情況，研究發(fā)現(xiàn)：預(yù)制板在施工階段的短期剛度保證構(gòu)件受力的合理性，疊合面不需要進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。在?ANSYS有限元分析的基礎(chǔ)上，對帶支撐結(jié)構(gòu)的短期剛度進(jìn)行了分析，得出了鋼筋桁架的高度和上弦鋼筋的直徑對疊合板的短期剛度及強(qiáng)度有較大的改善作用。

2014年王元清等通過ABAQUS軟件對3600×3000×140的鋼筋桁架混凝土雙向疊合樓板進(jìn)行有限元建模，探究在不同約束條件和不同疊合層厚度占比（含現(xiàn)澆板）對雙向疊合板受力性能的影響。荷載-撓度曲線表明：約束越強(qiáng)，疊合板承載能力越強(qiáng)。

（3）預(yù)制帶肋鋼筋混凝土疊合樓板。吳方伯團(tuán)隊(duì)研究了多種疊合樓板的性能，提出了預(yù)制帶肋疊合樓板，針對這種疊合樓板進(jìn)行了大量試驗(yàn)，探討了兩種肋形的預(yù)制帶肋鋼筋混凝土疊合樓板的承載力、抗剪能力、疲勞性能等。

2011年對矩形肋的疊合樓板進(jìn)行試驗(yàn)研究，對疊合樓板進(jìn)行靜載試驗(yàn)，比較單跨和兩跨連續(xù)疊合樓板受力性能的差異。研究發(fā)現(xiàn)，在施工過程中，預(yù)制構(gòu)件的受力性能基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在施工過程中不需要設(shè)置任何的支撐力。單跨疊合樓板的裂縫首先出現(xiàn)在跨中，疊合面始終未出現(xiàn)裂縫，疊合樓板出現(xiàn)裂縫的承載力小于極限承載力，單跨疊合樓板具有良好的延性和剛度。連續(xù)疊合樓板裂縫先出現(xiàn)在支座，提出取25%的支座調(diào)幅值，提高連續(xù)疊合樓板的抗裂性能。

2014年對不帶肋、無孔洞的矩形肋、有孔洞的矩形肋疊合樓板，進(jìn)行單向擬靜力試驗(yàn)，探究預(yù)制帶肋混凝土疊合樓板的抗剪能力。結(jié)果表明：在80%的極限荷載時(shí)，疊合樓板出現(xiàn)第一條裂縫，有孔洞的矩形肋疊合樓板裂縫沒向水平向發(fā)展。從滯回曲線、骨架曲線看，有孔洞的帶肋疊合樓板承載力更強(qiáng)，疊合面的抗滑移能力更好。

（4）預(yù)應(yīng)力空心疊合樓板。

2005年趙成文、陳洪亮通過整澆板和空腹疊合樓板的對比試驗(yàn)，探究疊合樓板的抗剪能力、承載力。單跨簡支疊合樓板疊合接觸比例16%時(shí)，荷載尚未達(dá)到抗裂檢驗(yàn)荷載允許值時(shí)疊合樓板開裂、未達(dá)承載力檢驗(yàn)值時(shí)疊合層破壞。加大疊合層接觸比例至27%，抗剪性能提高，疊合層未出現(xiàn)滑移。連續(xù)疊合樓板中跨的承載能力明顯高于低跨疊合樓板。

2007年劉亞敏、吳方伯等未澆注疊合層與澆注疊合層兩種情況下的圓形疊合樓面板進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，對其受力特性及失效模式進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)在破壞過程中表現(xiàn)出了顯著的延時(shí)破壞特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，各構(gòu)件均未發(fā)生裂紋，且在極限承載力作用下，疊合板在水平方向上的抗裂性和抗剪性均較好。在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，疊合層板彎矩很小，跨中彎矩/跨距只有1/835的1/835，因此，在實(shí)際應(yīng)用中無需對疊合層板彎矩進(jìn)行校核。

（5）新型疊合樓板。

2013年侯和濤、馬天翔等通過單向均布加載試驗(yàn)，研究上翼緣厚度、腹板有無開孔、腹板厚度對波紋鋼腹板疊合樓板受力性能的影響。結(jié)果表明：構(gòu)件最終被鋼腹板切裂破壞，建議加強(qiáng)鋼腹板與混凝土的黏結(jié)。腹板厚度1.5mm、2mm時(shí)，荷載-撓度曲線幾乎重合，推測2700mm跨度時(shí)，腹板厚度選用1.5mm最佳。上翼緣厚度由30mm增至35mm時(shí)，剛度提高，極限承載力增加約15%，推測出上翼緣厚度的增加對抗彎極限承載力和抗彎剛度的增強(qiáng)有利。

2017年侯和濤、藍(lán)如海等對兩端簡支的鋼筋桁架疊合板和灌漿鋼筋桁架疊合板進(jìn)行均布荷載試驗(yàn)，分析撓度值和開裂情況。出現(xiàn)第一條裂縫后，鋼筋桁架混凝土疊合樓板的荷載-撓度曲線迅速變化，不滿足荷載要求。灌漿鋼筋混凝土疊合樓板4.16?kN/m2出現(xiàn)第一條裂縫到4.16?kN/m2混凝土破壞過程中，撓度變大，但仍可以承受荷載，屬于延性破壞。提出計(jì)算撓度時(shí)，砂漿和鋼管看作整體，統(tǒng)一換算成混凝土截面，灌漿鋼筋混凝土疊合樓板的剛度由底板混凝土截面和換算后的混凝土截面共同組成。

4?產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵性問題

4.1?設(shè)計(jì)方面

在預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件系統(tǒng)中，裝配式建筑模板在力學(xué)性能和抗震性方面還有所缺陷，不能應(yīng)用于地震多發(fā)帶。

在多、高層的建筑結(jié)構(gòu)中，樓板作為主要水平構(gòu)件，但傳遞，分配，協(xié)調(diào)各種水平荷載。但是，當(dāng)前的樓蓋設(shè)計(jì)多考慮了垂直荷載，而對水平荷載的研究較少，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)抗震連接的薄弱。

對疊合樓蓋而言，其抗剪、抗拉主要依靠現(xiàn)澆混凝土和鋼筋，而預(yù)埋件則幾乎沒有抗剪、抗拉的作用。

4.2?施工方面

（1）疊合板運(yùn)輸難度大。PC預(yù)制構(gòu)件中疊合樓板生產(chǎn)完成后，在運(yùn)輸和吊裝的時(shí)候很容易產(chǎn)生裂縫或者是斷裂的現(xiàn)象，疊合板的運(yùn)輸難度較大，實(shí)際施工過程中應(yīng)該制定合理的運(yùn)輸方案。

（2）疊合板拼接構(gòu)造處理。錯(cuò)位，灌漿不足等現(xiàn)象在PC預(yù)制構(gòu)件中疊合樓板在拼接時(shí)也會經(jīng)常出現(xiàn)。在實(shí)際操作中灌漿作業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，灌漿工作的檢驗(yàn)困難。

4.3?政策扶持

國家及各地方政府均制定了相關(guān)的規(guī)定文件，在一定程度促進(jìn)了裝配式建筑的發(fā)展，然而對我國建筑領(lǐng)域而言，在許多地區(qū)，雖然采用了裝配式建筑模式，但政策落實(shí)效果未能達(dá)到預(yù)期效果。這也使得裝配式建筑的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。

5?疊合樓板產(chǎn)業(yè)化問題的解決

產(chǎn)業(yè)化的本質(zhì)是建筑設(shè)計(jì)的構(gòu)件、部品要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。國外的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化較成熟，我國可以借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化。

5.1?標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃體系

國務(wù)院和各省市指導(dǎo)意見中重點(diǎn)指出了要建立健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃體系，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的規(guī)模化發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃體系建設(shè)需要政府引導(dǎo)，企業(yè)、學(xué)校、研究所互相探討，理論聯(lián)系實(shí)際，積極推進(jìn)出臺相關(guān)圖集、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)價(jià)定額等。

5.2?疊合樓板產(chǎn)業(yè)化工作流程分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。我國有鋼結(jié)構(gòu)體系，但是缺乏配套的墻板、樓板體系。完善配套的三板體系，需要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的一體化，國家需要出臺成套的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工。建筑部2015年頒布文獻(xiàn)，從主體、內(nèi)裝、外裝三部分推進(jìn)實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)化。鋼結(jié)構(gòu)中需繼續(xù)完善設(shè)計(jì)規(guī)范、施工指導(dǎo)規(guī)范、節(jié)點(diǎn)連接等。疊合板方面，已有文獻(xiàn)[5]規(guī)范圖集規(guī)定疊合樓板的尺寸、構(gòu)造，但是疊合樓板種類多，政府應(yīng)該加強(qiáng)和高校的合作，加快推進(jìn)更多性能優(yōu)良的疊合樓板的規(guī)范建設(shè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化。

（2）工廠化生產(chǎn)。疊合樓板的預(yù)制層施工順序如圖2，實(shí)現(xiàn)在工廠機(jī)械化加工，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短施工工期，降低成本。由于工廠只是完成疊合樓板制作的一部分，預(yù)制層還需要在施工現(xiàn)場和現(xiàn)澆層結(jié)合，形成整理，共同承受能力，所以預(yù)制層制作需要滿足規(guī)定，表面做成凹凸不小于4mm的人工粗糙層，保證疊合層的抗剪能力?；炷翝仓瓿珊?，按照規(guī)定進(jìn)行放置養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)成型后，應(yīng)當(dāng)對疊合層進(jìn)行處理，出模后應(yīng)對粗糙面進(jìn)行沖洗，以防沖刷不掉。

（3）裝配化施工。疊合樓板預(yù)制層在工廠提前加工生產(chǎn)完成，預(yù)制層只需運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，拼裝完成后作為模板，可以直接澆筑現(xiàn)澆層混凝土。圖3詳述了疊合樓板施工的工藝順序，安裝支撐、吊裝、拼縫處理是疊合樓板施工的關(guān)鍵工序。主流的連接方式有兩種，機(jī)械式連接和澆筑式連接，一般情況選擇機(jī)械式連接，雙向疊合樓板采用后澆帶形式連接，接縫設(shè)置在受力較小部位；單向疊合樓板增加構(gòu)造鋼筋，加強(qiáng)連接。

6?結(jié)論

隨著我國建筑裝配式的推進(jìn)和鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢也將越發(fā)顯現(xiàn)，我們更應(yīng)加強(qiáng)對配套三板體系的重視。本研究報(bào)告基于此，分析歸納了多種疊合樓板，總結(jié)了疊合樓板的不同形式和特點(diǎn)，探究不同疊合樓板的受力性能。結(jié)合國家關(guān)于推進(jìn)裝配式建筑的相關(guān)政策，從標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配化施工三個(gè)維度探討了疊合樓板的產(chǎn)業(yè)化，希望各方能夠積極配合，盡早出臺技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、圖集，積極研發(fā)新材料、新技術(shù)、新工藝，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑的產(chǎn)業(yè)化。

在對疊合樓板的探討研究中發(fā)現(xiàn)我國和國外的成熟體系還有一定的差距，針對上述的研究，對疊合樓板的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化提出以下建議：

（1）嚴(yán)格遵守現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程，進(jìn)一步提出并完善疊合樓板相關(guān)規(guī)范。疊合樓板設(shè)計(jì)和施工應(yīng)嚴(yán)格遵守混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)及施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的規(guī)定，發(fā)布了相關(guān)技術(shù)規(guī)程的疊合樓板類型可參考規(guī)程要求。有關(guān)部門加快出臺疊合樓板的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一對質(zhì)量的檢驗(yàn)和評定，規(guī)范疊合樓板的設(shè)計(jì)和施工。

（2）對不同類型的疊合樓板進(jìn)一步深入和系統(tǒng)地研究和分析。除正常使用荷載下的加載試驗(yàn)外，加強(qiáng)對破壞性試驗(yàn)的研究，分析疊合樓板在二次受力特征下的內(nèi)力分布特征，探討對內(nèi)力分布產(chǎn)生影響的各種因素。

（3）完善施工工藝，加強(qiáng)施工方案設(shè)置。保證結(jié)構(gòu)的安全性和施工的簡便性，充分發(fā)揮疊合樓板綠色、施工快的優(yōu)點(diǎn)。

（4）試點(diǎn)推行疊合樓板，選擇部分地區(qū)，使用疊合樓板。一方面，政策激勵(lì)、推動(dòng)疊合樓板的發(fā)展研究，另一方面，通過實(shí)踐，改進(jìn)完善疊合樓板的不足，致力于研究一款施工方便、承載力強(qiáng)的疊合樓板。

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