疊合樓板在某核電廠中的應(yīng)用研究

李進曉（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200223）

0 引 言

混凝土疊合結(jié)構(gòu)是在預(yù)制構(gòu)件上后澆一層混凝土而形成的一種裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。該結(jié)構(gòu)兼具現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)和全裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，是一種整體性好、施工速度快、綜合經(jīng)濟效益顯著的結(jié)構(gòu)形式。按其受力性能的不同，混凝土疊合結(jié)構(gòu)可分為一次受力疊合結(jié)構(gòu)和二次受力疊合結(jié)構(gòu)2類，二者的區(qū)別在于使用階段的荷載是否由預(yù)制構(gòu)件承擔(dān)。在民用建筑領(lǐng)域，疊合樓板得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但在核電站建設(shè)項目中疊合樓板應(yīng)用較少。

圖1 混凝土疊合結(jié)構(gòu)示意圖

某核電站項目（以下簡稱“項目”）采用模塊化建造這種先進的施工理念。模塊化建造對傳統(tǒng)施工理念進行優(yōu)化，做到土建施工與設(shè)備安裝并行施工，優(yōu)化了施工組織，大大縮短了核電站建設(shè)工期，進而降低工程造價，提高工程質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景。因此，項目在設(shè)計中廣泛采用了“預(yù)制板+現(xiàn)澆板”組合樓板構(gòu)件，以預(yù)制樓板為底模方便施工，降低施工難度，節(jié)省腳手架和模板。項目輔助廠房初步設(shè)計方案中大量使用“預(yù)制板＋現(xiàn)澆板”組合樓板結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但初步設(shè)計方案組合樓板的計算方法沒有充分考慮預(yù)制板的強度，存在優(yōu)化空間，因而采用疊合樓板的設(shè)計理念。

本文利用疊合樓板的設(shè)計理念，針對疊合構(gòu)件受力的特點——二階段建造、二次受力，將項目輔助廠房初步設(shè)計方案的分析模型及設(shè)計過程與優(yōu)化設(shè)計方案進行對比分析，對輔助廠房疊合樓板結(jié)構(gòu)的受彎正截面配筋、橫截面受力鋼筋布置進行優(yōu)化設(shè)計分析。

1 設(shè)計輸入

（1）參數(shù)：輔助廠房疊合樓板的計算單元的單位寬度取橫向1 000 mm，計算跨度Lx＝5 185 mm；預(yù)制樓板高h1＝203 mm，底部鋼筋 22@152 mm，頂部鋼筋 14@152 mm；現(xiàn)澆板高h3＝406 mm，底部鋼筋 28@305 mm，頂部鋼筋 28@305 mm；疊合樓板總高h3＝609 mm；預(yù)制層和現(xiàn)澆層均采用 35混凝土，受拉鋼筋采用HRB400E級，施工階段不加支撐。

（2）荷載：第一階段預(yù)制樓板受恒荷載（預(yù)制板、現(xiàn)澆板自重）標(biāo)準(zhǔn)值q1Gk＝16.5 kN/m，施工活荷載取值q1Qk＝2 kN/m；第二階段恒荷載（設(shè)備、管道、支架、電纜等）標(biāo)準(zhǔn)值q2Gk＝12.8 kN/m，使用階段活荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2Qk＝9.6 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值F2Qk=22.2 kN。

2 二階段建造、二次受力

第一階段，預(yù)制樓板兩端簡支在鋼梁上，在現(xiàn)澆板混凝土未達到強度設(shè)計值之前，荷載均由預(yù)制構(gòu)件承擔(dān)，包括預(yù)制樓板自重、現(xiàn)澆板自重及本階段的施工活荷載。其正截面彎矩設(shè)計值為：

第二階段，現(xiàn)澆板混凝土達到設(shè)計規(guī)定的強度后，疊合構(gòu)件按整體結(jié)構(gòu)計算，活荷載取施工階段、使用階段2個階段的最大值，如式（2）所示。

3 計算模型的比較分析

優(yōu)化設(shè)計方案與初步設(shè)計方案2階段的受力分析的模型對比，如表1所示。

表1 2種方案受力分析的模型對比

第一階段設(shè)計采用的計算模型是相同的，預(yù)制板作為其上部現(xiàn)澆板的模板，預(yù)制板承受現(xiàn)澆板和預(yù)制板的自重以及施工階段的活荷載。第二階段設(shè)計分析模型存在差異，初步設(shè)計方案只考慮了現(xiàn)澆板的作用，讓現(xiàn)澆板承受使用階段的構(gòu)件自重、設(shè)備荷載以及活荷載，而忽略了預(yù)制板的作用，沒考慮預(yù)制板的強度、剛度，與疊合樓板的作用機制偏差較大；而采用疊合樓板設(shè)計，需要考慮預(yù)制板與現(xiàn)澆板的整體協(xié)調(diào)變形機制（如圖2所示），形成疊合樓板構(gòu)件，共同作用，抵御外部荷載。

圖2 疊合面黏結(jié)足夠強時的變形示意圖

初步設(shè)計方案中，預(yù)制板只起到現(xiàn)澆板澆筑的模板作用，不作為后期使用階段整個樓板結(jié)構(gòu)的一部分；而疊合樓板結(jié)構(gòu)中的預(yù)制板不但作為模板使用，而且作為后期使用階段整體樓板結(jié)構(gòu)受力的一部分。

因此，在使用階段，初步設(shè)計方案中的203 mm厚的預(yù)制板只是作為混凝土澆筑時的臨時模板，其截面強度沒有得到充分利用；同時，根據(jù)樓板平截面受力情況（如圖3所示），現(xiàn)澆板底部鋼筋位于中和軸附近，不能充分發(fā)揮其受拉鋼筋的作用，當(dāng)預(yù)制板底部鋼筋達到屈服強度時，現(xiàn)澆板底部鋼筋未達到屈服強度，未充分利用鋼筋抗拉強度。

圖3 樓板平截面受力

4 設(shè)計優(yōu)化

4.1 受彎正截面配筋優(yōu)化

在初步設(shè)計中，現(xiàn)澆板上下均布置受力鋼筋 2 8@305 mm。根據(jù)疊合樓板設(shè)計原則，考慮疊合樓板的整體作用，根據(jù)混凝土受力平截面假定，由于現(xiàn)澆板底部鋼筋抗拉強度未得以充分發(fā)揮，取消現(xiàn)澆板底部鋼筋，同時，加強預(yù)制板底部鋼筋配置。因此，預(yù)制板參與疊合板的第一、二階段受力分析。

優(yōu)化后疊合樓板正截面受彎承載力驗算過程如下。

第二階段疊合樓板的跨中彎矩按兩端固結(jié)模型計算，樓板跨中彎矩標(biāo)準(zhǔn)值如下：

（1）跨中最大彎矩設(shè)計值計算如下：

①正常工況。荷載分項系數(shù)rG＝1.4，rQ＝1.7。M中max1=rG?M2Gk+rQ?M2Qk=1.4×32.8+1.7×25.1=88.6 kN?m 式（5）

②極端工況。在極端工況即地震工況下，樓板平面外豎向地震加速度Av＝0.97。

（2）跨中截面極限承載力計算如下：

在已知疊合樓板上下均布置受力鋼筋 28@305 mm情況下，按雙筋矩形截面驗算跨中彎矩承載力。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0＝1.1。

跨中彎矩設(shè)計值小于疊合構(gòu)件的極限承載力，所以優(yōu)化后的跨中正截面配筋的承載力滿足要求。

4.2 鋼筋布置優(yōu)化

根據(jù)疊合樓板設(shè)計，取消現(xiàn)澆板底部鋼筋，并優(yōu)化預(yù)制板底部鋼筋（如圖4、圖5所示）。

圖4 優(yōu)化前鋼筋布置

圖5 優(yōu)化后鋼筋布置

與初步設(shè)計方案相比，采用疊合樓板設(shè)計理念，充分考慮預(yù)制板的作用，增加跨中截面的有效高度；優(yōu)化截面鋼筋布置后，充分發(fā)揮了鋼筋的受力強度，受力更加合理，而且優(yōu)化后跨中正截面的鋼筋量減少了約27%，節(jié)約了成本。

4.3 疊合面的黏合措施

為保證預(yù)制板與現(xiàn)澆板之間的較好黏合，在第二階段受力下，現(xiàn)澆板與預(yù)制板之間能整體協(xié)調(diào)變形，要采取如下的措施：

（1）垂直于黏合面布置足夠多的抗剪鋼筋 14@305 mm×305 mm；

（2）疊合面要有足夠的粗糙度，對預(yù)制板頂面做鑿毛處理，做成凹凸差≥6 mm的粗糙面；

（3）清除預(yù)制板表面的浮渣、碎石等雜物。

5 結(jié) 語

本文利用疊合樓板的設(shè)計理念，與初步設(shè)計分析過程進行比較分析，對初步設(shè)計方案中以預(yù)制板為模板的現(xiàn)澆板樓板進行了優(yōu)化設(shè)計分析，并對跨中正截面鋼筋進行了優(yōu)化布置分析，同時得出如下結(jié)論。

（1）采用初步設(shè)計方案，現(xiàn)澆板底部鋼筋位于受彎正截面的中和軸附近，鋼筋的抗拉強度不能有效發(fā)揮。

（2）采用疊合樓板設(shè)計理念，充分考慮預(yù)制板的作用，增加跨中截面的有效高度，優(yōu)化截面鋼筋布置后，充分發(fā)揮了鋼筋的受力強度，受力更加合理；優(yōu)化后跨中截面的鋼筋量減少了27%，降低了成本，疊合樓板的經(jīng)濟性得以體現(xiàn)；優(yōu)化鋼筋排布形式，提高了現(xiàn)場施工便利性。

（3）疊合樓板應(yīng)用實踐中，應(yīng)采取措施保證預(yù)制板與現(xiàn)澆板之間的較好黏合，提高整體性。