裝配式混凝土結構預制疊合板桁架鋼筋布置方向研究

陽 旭

(中鐵二十三局集團建筑設計研究院有限公司, 四川成都 610031)

近年來，裝配式建筑在各方面政策推動下掀起了應用熱潮。中國的預制裝配式建筑起步較晚，對裝配式建筑的研究較少，裝配整體式結構設計采用與現澆混凝土結構相同的方法進行分析。疊合板因其受力形式簡單，制作方便等優勢應用較廣。

《規程》第6.6.2條規定，跨度大于3 m的疊合板，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板[1]；第6.6.7條規定，桁架鋼筋應沿主要受力方向布置[1]。《規程》約定的主受力方向是考慮施工過程中的主受力方向，與傳統的單向板、雙向板主要受力方向概念不同。本文基于疊合板受力特征，分析疊合面抗剪能力和桁架鋼筋在疊合面抗剪所起作用，從而對單向板中桁架鋼筋布置方向提出建議，希望對裝配式建筑設計人員的工作有所幫助。

1 單/雙向板主要受力方向桁架鋼筋布置方向

(a)雙向板桁架鋼筋布置方向

(b)單向板桁架鋼筋布置方向圖1 單/雙向板主要受力方向桁架鋼筋布置方向

2 疊合板疊合面抗剪計算

依據我國GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》，對不配箍筋的疊合板，當符合規范疊合界面粗糙度的構造規定時[3]，其疊合面的受剪強度應符合下列公式的要求：

V≤0.4bh0

(1)

美國規范ACI 318，對不配置箍筋粗糙的疊合面，其受剪承載能力需滿足式(2)的規定：

V≤φVn=0.55φbh0=0.47bh0

(2)

由(1)、(2)可見，我國規范GB 50010-2010和美國規范ACI 318對疊合面的處理手法類似，均沒考慮混凝土強度等級影響，但我國規范的要求略嚴于美國規范。

疊合板受剪作用最大的截面為支座附近，板端(簡支或連續)的剪力設計值為：

V=β{γG[γC(h01+h02)+gk]+γQqk}bl

(3)

式中：β為剪力系數，簡支板取0.5，連續板取0.6[2]；γG為持久荷載分項系數，取1.2；γC為鋼筋混凝容重，取26 kN/m3；γQ為活荷載分項系數,取1.4；qk為活荷載標準值(kN/m2)；b板寬度、l長度(m)；h01、h02分別為底板厚度、疊合層厚度(m)；gk建筑面層、吊頂恒載，住宅一般取1.5 kN/m2。

《規程》第6.6.2條規定桁架鋼筋混凝土疊合板底板厚度(h01)不宜小于60 mm；后澆混凝土疊合層厚度(h02)不應小于60 mm[1]。在實際項目中，考慮水電管線預埋在疊合層內，后澆板厚度60 mm很難滿足要求，實際項目中疊合層厚度(h02)一般取70 mm。

住宅建筑的活荷載標準值通常為2～4 kN/m2，由式(1),(3)得到活荷載與跨度、后澆混凝土厚度的關系,詳表1。

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表1 樓板荷載與跨度、疊合層厚度的關系

由表1可知樓板活荷載不大于4.0 kN/m2，跨度不大于6 m時，設置粗糙面即可抵抗疊合層的剪力，而不需要設置桁架鋼筋。

3 單向板桁架鋼筋布置方向

3.1 單向板在施工階段和運營階段的受力模

單向板長寬比較大，在脫模、吊裝驗算時，構件長度方向會因剛度不足而產生變形破壞，此時桁架鋼筋應沿構件長度方向布置，提高預制板的整體剛度，保證構件脫模、吊裝過程不破壞。

在荷載作用下，構件撓度采用下式進行計算：

(4)

式中：Mq為荷載準永久組合下彎矩；l0為構件計算跨度；E為構件彈性模量；I0為構件慣性矩。

桁架鋼筋作用下預制板慣性矩為：

(5)

式中：B為預制板有效寬度(圖2)；tPCF預制底板厚度。

圖2 有效寬度示意

3.2 桁架筋對單向板剛度的影響分析

中性軸距離y0：

(6)

慣性矩I0：

I0=ACαI(h-y0)2+{[y0-(h-h1)]2A1+

(7)

式中：Ac為上弦筋面積(mm2)；As為下弦筋面積(mm2)；A1為板寬B范圍內與疊合筋平行的板內分布鋼筋配筋面積；h1為與疊合筋平行的板內分布鋼筋形心到上弦筋形心的距離(mm)；hs為下弦筋和上弦筋的形心距離(mm)；tPCF為預制疊合板板厚(mm)；h為預制疊合板斷面板底至到上弦筋形心的距離(mm)；B為預制疊合板有效板寬(mm)；αE為鋼筋與混凝土的彈性模量之比；ES為鋼筋的彈性模量(N/mm2)；EC為混凝土的彈性模量(N/mm2)。

采用常規疊合板厚度(預制底板60 mm、現澆層70 mm)，混凝土強度等級為C30(彈性模量EC=3.0×104MPa)，鋼筋采用三級鋼(HRB400，彈性模量ES=2.0×105MPa)，預制底板配筋為φ8@200雙向布置，桁架鋼筋布置如圖3、圖4所示，計算對比無桁架鋼筋和有桁架鋼筋時，預制疊合板底板慣性矩。

(a) 下弦筋在疊合筋垂直方向的分布筋下面

(b) 下弦筋在疊合筋垂直方向的分布筋上面圖3 桁架鋼筋尺寸簡圖

圖4 桁架鋼筋布置簡圖

假定B=600mm，tPCF=60mm，AC、As=50mm2(直徑8 mm鋼筋)，h1=hs=77mm，A1=150mm2，h=100mm。

無桁架鋼筋時預制底板慣性矩為：

(8)

有桁架鋼筋時預制底板慣性矩為：

(9)

(10)

由綜上可知，有桁架筋時疊合板底板沿長度方向的慣性增大6倍，大大提高預制底板剛度，保證構件脫模、吊裝時過程不破壞。故，單向預制疊合板底板桁架鋼筋應沿構件長度方向布置，如圖5所示。

圖5 單向板桁架鋼筋沿構件長度方向布置

4 工程實例

某四川省成都市住宅項目工程，高層住宅均為剪力墻結構，設計時均按政府要求設計為裝配式建筑，且需滿足裝配率不小于20 %，預制率不小于15 %。通過計算，最終確定預制構件種類有三種：預制底板、預制樓梯、預制灰渣混凝土空心隔墻板。其中1號樓陽臺板為單向板(圖6)，板長寬比為2.84，按《規程》要求，單向板桁架鋼筋布置方向為主受力方向(短向)，在脫模、吊裝過程中發現，預制底板在長度方向擾度較大，最終導致板開裂，甚至出現斷板情況(圖7)，將桁架鋼筋方向更改為沿板長度方向以后，再未出現擾度過大而斷板情況。

(a)陽臺板(單向板)平面布置

(b)桁架鋼筋沿主受力方向布置圖6 工程實例陽臺板布置

(a)桁架鋼筋沿短向布置吊裝情況

(b)桁架鋼筋沿長方向布置吊裝情況圖7 桁架鋼筋不同方向布置吊裝情況

5 結論

本文通過計算、實例對比得出以下結論：

(1)通過比較和分析不同跨度和不同活荷載下疊合面抗剪承載能力，對于一般民用建筑，設置粗糙面即可抵抗疊合層的剪力，桁架筋的設置并非抵抗疊合面的剪力。桁架鋼筋的作用更多表現為：增加構件剛度、作為施工“馬鐙”、作用“吊鉤”等。

(2)當疊合板為單向板時，預制底板桁架鋼筋的布置方向應沿構件長度方向布置，增加結構整體剛度，防止脫模、條狀破壞。

(3)對“《規程》第6.6.7條規定：桁架鋼筋應沿主受力方向布置”的理解應為“桁架鋼筋應沿桁架鋼筋起作用的方向布置”，而非簡單理解為構件的主受力方向。