單向疊合板開裂影響因素及堆放方案優化研究

邊廣生，寇展華，李偉

（1．山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101；2．中鐵十局集團建筑工程有限公司，山東 濟南250101）

0 引言

裝配式混凝土結構簡稱裝配式結構，是以預制構件為主要受力構件經裝配、連接而成的混凝土結構［1］。裝配式建筑技術具有設計多樣化、功能科技化、生產工廠化和施工裝配化等特點使其具有諸多優勢［2］。美國、歐洲等發達國家裝配式技術已經十分完善［3］。相比之下，我國裝配式技術尚處于相對落后的階段，實施過程中，還存在著諸多問題和技術難題，因此備受研究者的關注［4］。陳華柱等對預應力混凝土疊合板進行研究，并結合工程實例，總結了疊合板的安裝施工技術質量要求及現場要求［5］；吳方伯等對預制帶肋薄板混凝土疊合板進行力學實驗，重點研究了預制薄板的極限承載力、剛度及抗裂性能［6］；黃海林等對三種類型的肋底板疊合板進行受彎性能靜載對比試驗，提出了預制帶肋底板混凝土疊合板的開裂彎矩和極限彎矩計算式［7］；陳適才等對高軸壓預制梁－柱－疊合板裝配邊節點試件在低周反復荷載作用下的抗震性能進行研究，并與相同構件參數的整體現澆式試件進行對比［8］；劉香等研制出一種新型預制帶肋鋼筋桁架疊合板，并對其進行靜力加載試驗及有限元分析，得到該新型疊合板的受力特征、裂縫開展規律、破壞形態和在施工階段預制底板的受力性能［9］；張鵬等對一種新型吊具進行說明與研究［10］；楊海文等對裝配式結構的安裝技術進行研究［11］。但鮮有涉及關于單向疊合板在堆放過程中其長寬比及支點形式對其開裂影響的研究。文章針對實際工程中板件在堆放環節出現裂縫的問題，通過理論計算與有限元分析相結合的方法，對單向疊合板的長寬比及支點形式對其開裂的影響進行研究，得出構件的理想尺寸及支點形式，為深化設計階段構件的拆分提供了理論依據，并針對疊合板的無序堆放問題，提出了較為完善的解決方案。

1 工程概況

濟南某項目是經十路沿線住宅用地，占地面積103870 m2，建筑面積 422744 m2，1＃、2＃、9＃、10＃住宅樓的梁、柱采用現澆形式，樓板采用疊合板。疊合板由山東省一裝配式預制構件工廠進行生產并投入使用。

項目開始之初，單向鋼筋桁架混凝土疊合板在堆放環節出現了大量問題：構件的尺寸與支點形式對構件的開裂彎矩與板內最大彎矩均有影響，設計人員缺乏對單向疊合板的理論研究及參照標準，導致疊合板開裂現象頻發、質量達不到要求；疊合板在堆放環節沒有完善的方案，在堆放時發生損壞以及裝車過程中出現翻找及二次翻運板件的現象，運輸效率極低。經過對疊合板的尺寸及支點形式進行分析與研究并且制定了完善的堆放方案，較好地解決了疊合板在生產與堆放環節中遇到的問題，為之后項目的順利進行奠定了良好的基礎。

2 單向疊合板開裂影響因素分析

疊合板生產完成后，質檢人員復檢時發現有些板件的底部出現沿寬度方向的裂縫，影響板件質量。技術人員針對此問題對疊合板的尺寸與墊木形式對板件產生的影響進行分析，得出相應結論，改善了施工工藝。

2．1 疊合板尺寸的影響

2．1．1 理論計算

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》的規定，鋼筋混凝土受彎構件的開裂彎矩由式（1）～（5）［12］表示為

式中：Mcr為受彎構件開裂彎矩計算值，kN·m；γ為混凝土構件的截面抵抗矩塑性影響系數；γm為混凝土構件的截面抵抗矩塑性影響系數基本值，對于矩形截面取1．55；W0為試驗樓板按實際尺寸計算的換算截面受拉邊緣的截面抵抗矩，mm3；I0為換算截面慣性矩，mm4；y0為換算截面重心軸距受拉邊緣的距離，mm；x0為混凝土的受壓區高度，mm；b為矩形截面寬度或T形、I形截面的腹板寬度，mm；h、h0分別為截面高度和截面的有效高度，mm；As為受拉區縱向普通鋼筋的截面面積，mm2；n為受拉區縱向普通鋼筋的根數。

取不同的疊合板尺寸進行計算，以1200 mm×4000 mm疊合板為例，其荷載標準值為4．2 kN／m，計算得最大彎矩為1．680 kN·m，彎矩圖如圖1所示。

圖1 板件彎矩圖 ／（kN·m）

對相同尺寸下疊合板的開裂彎矩值進行計算。取as＝20mm；n＝14；As＝201mm2。將板件尺寸及荷載數值代入式（2）～（5）計算得：γ＝（0．7＋201×（40－30．03）2＝72104586．95 mm4；W0＝2403486．2 mm3。

將以上數值帶入式（1）計算得疊合板的開裂彎矩值Mcr＝1．15×W0×1．43＝3953 kN·m。以1．2的系數對計算的開裂彎矩值進行調整，調整后的開裂彎矩值為3．3 kN·m。

2．1．2 有限元分析

用 ANSYS Workbench 15．0對截面尺寸為1200 mm×4000 mm的疊合板進行有限元分析，疊合板采用實體單元，在疊合板內部切割出鋼筋的位置，疊合板材料為混凝土，鋼筋材料為Q235，支座位置設置在距離板件邊緣0．2L處（圖2中綠色部位模擬木方與疊合板接觸面），板件模型如圖2所示，支座位置處用Frictionless Support命令模擬鉸接。

對模型進行網格劃分，網格尺寸為50 mm，應力云圖如圖3所示，板底邊緣跨中位置處正彎矩最大為0．667 MPa，向兩側依次減小，在支座位置處，板頂負彎矩最大，應力云圖與理論計算的板件彎矩圖相似。

對截面尺寸分別為1200mm×4000mm、1200mm×5000mm、1200mm×6000mm、1200mm×7000mm、1200 mm×8000 mm的5種疊合板進行理論計算與有限元分析，每種板件理論計算的最大應力值、有限元分析的最大應力值以及板件開裂應力值如圖4所示。

圖2 疊合板模型圖

圖3 點狀支撐疊合板應力云圖

圖4 板件應力值分布圖

隨著板件長度的增加，板件跨中最大應力值呈上升趨勢，理論計算與有限元計算數值曲線走勢相吻合，數值最大誤差約為8．3%，最小誤差約為1．9%，平均誤差＜5%，理論計算與實際情況較為吻合。板件的開裂應力值不會隨著板件長度的改變而改變，應力值約為1．41 MPa。考慮到建筑模數的原因，滿足構件不開裂要求的長寬比應介于3∶1～6∶1為宜。

2．2 疊合板支點形式對板件開裂的影響

文章2．1節在距離板件邊緣0．2L處放置4根200 mm×50 mm×100 mm的木方作為板件的支撐，木方與板件的接觸面積相對較小，可看作4點支撐形式。將支撐形式由4點支撐變為條形支撐，用有限元軟件模擬2根距離板件邊緣0．2L處并垂直于板長方向的通長木方作為板件的支撐，木方與板件的接觸面為2根50 mm的條形帶，板件的應力云圖如圖5所示，點狀支撐與條形支撐板件跨中最大應力值對比如圖6所示。

圖5 條形支撐板件應力云圖

圖6 點狀與條形支撐最大應力對比圖

隨著板件長度的增加，2種支撐形式的跨中最大應力值數值曲線走向基本一致，條形支撐的最大應力值比點狀支撐高約為10%，實際堆放過程中選擇點狀支撐為宜。

3 疊合板堆放方案優化

在裝配式混凝土建筑的施工過程中，預制構件需要提前生產預制［13］，構件預制完成后不可能即刻進行安裝，需要在預制工廠中進行堆放。

3．1 問題分析

（1）堆放場地規劃不合理、疊合板堆放雜亂無章，當需要運輸某些特定型號的板件時，需要大量的翻找、二次翻運，不僅耗時而且耗力。

（2）交通道路規劃不合理導致運輸車輛進出困難，影響構件的運輸與安裝、影響工期，導致成本增加。

3．2 優化措施

（1）根據預制工廠的建筑平面圖，劃分堆放場地并規劃道路。堆放場地主要道路設置為單行道路，寬度至少為貨車寬度的2倍，其出入口設置在預制工廠的主道路上。堆放的各個區域按網格進行劃分，堆垛間相距2 m設置為次要道路［14］，方便工人對各個構件的護理、檢測和預防構件之間發生碰撞。預制工廠堆放場地吊運以航吊為主，汽車吊為輔［15］，汽車吊在各個位置的起吊范圍累積可以覆蓋整個堆放場地。

（2）制定合理的堆放方案，將堆放場地劃分出各個區域，以放置不同型號的構件，并在各個區域設立指示牌，標明此區域放置構件的型號。堆放方式主要有：

①相同型號的構件堆放在一起，即一種型號為1垛，這種堆放方式的優勢是：構件完全相同，堆放時，墊木垂直方向在一條直線上，各個構件的墊木均在最有利位置。但運輸到施工現場需要運送一個安裝區域的構件，不可能為一種類型構件，這就需要車輛輾轉多個地點進行吊裝，較為麻煩。

②同一安裝區域的構件堆放在一起即一個區域為1垛或2垛，堆放時小構件在下，大構件在上，這樣裝車時就可以使得大構件在下，小構件在上。這種堆放方式的優勢是：需要特定區域的構件就可以去指定的地點進行裝車，不需要輾轉多個地點去“湊齊”構件，節省勞動力、節約時間和成本。但不同型號的構件的尺寸不同，墊木放置的最有利位置不同，堆放時，墊木在垂直方向需要在同一直線上，需要對上、下層構件進行驗算，驗算無誤后方可堆放。

實際工程中采用第一種方式進行堆放，經實踐證明，這種堆放方式的裝車速率相較于無序堆放提升了5倍。

4 結論

通過預制廠區的施工實踐，針對堆放過程中板件開裂以及無序堆放的問題進行分析與研究，得出以下結論：

（1）寬度不變的情況下，板件跨中最大應力值隨著板件長度的增加而增加。對于同種板件，其長邊邊緣跨中應力值最大，向兩側依次遞減，板件應力云圖與理論計算的彎矩圖形狀相似。板件的開裂應力值不會隨著板件長度的增加而變化，基本為一定值，考慮建筑模數的因素，單向疊合板的長寬比應控制在3∶1～6∶1為宜。

（2）支點形式為距離板件邊緣0．2L處垂直于板件長度方向的條形支撐時，板件跨中最大應力值相比于點狀支撐時提升了10%，在實際堆放過程中，宜選擇點狀支撐的支點形式。

（3）對疊合板的堆放場地進行網格化劃分，出入口設置在工廠的主要道路上，并在各個區域設立指示牌。構件堆放時，同種型號的構件堆放在同一區域，而同一安裝區域的不同型號構件堆放在相鄰區域。此種堆放方式的運輸效率相較于無序堆放提升了5倍。