裝配式鋼筋混凝土部分疊合板的設計及計算方法

□ 趙培莉

1??引言

建筑產業化是未來建筑行業的發展趨勢，其核心之一是裝配式結構，鋼筋混凝土疊合板是裝配式結構的組成部分。許多學者已經針對裝配式鋼筋混凝土結構，在剛度、變形、抗彎、抗剪、破壞形式以及疊合面黏結工作情況等性能方面進行了大量研究[1-3]，這些研究表明，裝配式鋼筋混凝土結構整體性較好，可用于地震設防區[4]，充分體現了建筑工業化、設計標準化和施工技術經濟性等特征。鋼筋混凝土疊合板具有二階段受力特征，二階段截面受力存在“受拉區鋼筋應力超前”“受壓區后澆混凝土應變滯后”的特征。鑒于此，本文提出了新型的鋼筋混凝土部分疊合板，研究了單、雙向部分疊合板的設計計算方法，以及在正常使用條件下的內力變化，供工程設計參考使用。

2??疊合式受彎構件設計的一般規定

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）的有關規定[5]，結合現有施工技術水平和施工操作的可行性，本文提出了一種新型的部分疊合式鋼筋混凝土樓板，屬于疊合式受彎構件。

疊合式受彎構件設計包括下列內容：

（1）結構選型、構件尺寸；

（2）構件連接形式；

（3）結構構件截面配筋驗算；

（4）結構構件適用性；

設計結構類型的建筑物或構筑物，應使其滿足預定的安全性、耐久性、適用性功能要求。

3??裝配式鋼筋混凝土部分疊合板設計

3.1 單向部分疊合板尺寸參數設計及結構選型

就單向部分疊合板各項尺寸設計參數的取值，以及結構截面形式，本文提出一些設計方法建議，以利在工廠生產本系列產型產品。新型單向部分疊合板，預制底板的設計形式如圖1所示。該單向部分疊合板，除在預制底板截面形式上較已有研究的疊合板截面形式不同，還設計了帶孔結構。

圖1 單向部分疊合板示意圖

在現有疊合板的研究[6-7]中，預制底板的截面形式多采用常規的整體實心板、整體空心板，或是槽形、T形。本文提出局部預制全板厚與局部預制部分板厚的組合方式，以及進一步以局部實心與局部空心組合的新形式。比較常規預制底板形式，增加了預制混凝土的施工工作量，提高了工廠生產的機械化，減少了施工現場作業量，從而提高勞動力工效。

3.2 雙向部分疊合板尺寸參數設計及結構選型

與單向部分疊合板相似，雙向部分疊合板經歷預制和疊合兩階段的施工拼接而成。本文提出的新型雙向部分疊合板，預制底板的設計形式如圖2所示，也設計了帶孔結構。

圖2 雙向部分疊合板示意圖

3.3 裝配式鋼筋混凝土部分疊合板結構構造措施

通過靜力加載試驗表明，新型部分疊合板結構受力合理，疊合面沒有剪切破壞，能夠共同工作。鑒于試驗結果，本文提出一些單、雙向鋼筋混凝土部分疊合板結構的構造措施，可供工程設計參考使用。

（1）板的幾何尺寸符合設計規范要求。單向板∶長寬比≥3.0，即L∶B≥3.0。L經濟取值為4m～6m，B經濟取值為2m～3m。工程實施中，L一般取6m，B一般取2.2m。雙向板∶長寬比≤2.0，即L∶B≤2.0。

（2）板厚h：如果不考慮開洞措施（實心），疊合板厚度最小值建議取80mm，即h≥80mm。如果考慮開洞措施，疊合板厚度最小值建議采用100mm，即h≥100mm。

（3）預制底板板厚h1與疊合區疊合厚度h2：綜合考慮自重、施工荷載、預制底板開洞措施的要求，h1、h2取值建議：當h＜100mm時，取h1=50mm，h2=h-50mm；當h≥100時，取h1=h2=h/2。

（4）孔徑D：單向鋼筋混凝土部分疊合板帶孔結構對疊合面受力性能影響較小，可有效減少預制底板的自重。因此，孔洞的直徑不宜太小，取值范圍可為40mm～50mm。單向板洞口沿長邊方向預埋布置，雙向板洞口沿短邊方向預埋布置。

（5）孔洞細部處理：孔洞圓心間距可取80mm、100mm。孔洞在疊合施工前應必須嚴密封堵，封堵材料可采用泡沫膨脹劑。

（6）部分疊合長度L1、疊合寬度B1：疊合式構件疊合面的現澆混凝土施工，為疊合構件現澆部分與預制部分的結合，即新舊混凝土的連接。為了避免施工縫的產生以及有利布置板面構造鋼筋，部分疊合長度L1、疊合寬度B1取值范圍建議如下。

單向板：若單向板兩邊簡支在鋼筋混凝土梁邊或鋼筋混凝土墻邊，則部分疊合長度L1不宜小于L/4，即L1≥L/4；若單向板兩邊簡支在砌體墻邊，則部分疊合長度L1不宜小于L/7，即L1≥L/7。雙向板∶部分疊合長度L1不宜小于B/4，即L1≥B/4；部分疊合寬度B1不宜小于B/4，即B1≥B/4。

（7）疊合面處理：為確保疊合板在疊合后能正常工作，避免疊合面發生剪切破壞，疊合面進行粗糙面拉毛處理，并刷一道1∶1的砂漿。預制底板的帶孔結構制作使疊合面形成自然的凹凸面，進一步加強疊合面結合強度。

（8）混凝土強度等級：預制底板制作和疊合現澆混凝土，強度等級取值范圍可為C25～C40。

（9）鋼筋：鑒于本單、雙向部分疊合板結構特征，鋼筋直徑取值不宜小于8mm，間距取值不宜大于200mm，可采用HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400鋼筋。

4??單向部分疊合板結構布置

根據單向板結構布置規律，單向鋼筋混凝土部分疊合板的水平結構由主梁、次梁、單向板組成，由柱或墻組成豎向支承結構，如圖3所示。

單向部分疊合板與梁（疊合梁）連接方式主要有三種，如圖3（c）、（d）、（e）所示。邊跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區板面負筋根據混凝土結構構造配筋；中間跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區板面分布鋼筋根據混凝土結構規范計算確定配筋。預制板底筋至少伸過梁（疊合梁）中心線。

圖3 單向部分疊合板結構布置

5??單向部分疊合板內力計算方法

為保證鋼筋混凝土部分疊合板結構安全可靠的工作，應對結構控制截面進行結構承載力計算和內力分析。根據單向部分疊合板試驗研究，提出下述有關單向部分疊合板內力計算方法的建議，研究其在正常使用條件下的內力變化。

正常使用條件下，單向部分疊合板承受均布荷載作用，且為二階段受力過程。第一階段，即預制底板階段，構件屬于簡支承載。第二階段，即雙拼疊合連接成型階段，構件是連續跨承載。兩階段構件的計算簡圖及彎矩圖，如圖4（a）、（b）所示。

圖4 單向部分疊合板計算簡圖及彎矩圖（均布荷載）

依據施工階段無須支撐條件下，疊合式受彎構件內力計算公式（H.0.2-1～H.0.2-3）[5]，以及結構力學知識，分別計算單向部分疊合板在預制和疊合兩階段的受彎承載力。兩個階段中，預制階段構件除了承重自重荷載以外，還承受著施工荷載等活荷載，疊合施工階段自重荷載發生了變化，同時構件承受使用荷載（如表1所示）。

表1 單向部分疊合板彎矩設計值

綜上所述，預制階段，單向鋼筋混凝土部分疊合板構件簡支承載，雙拼疊合后，連續跨承載，受彎承載力發生了變化，形成內力重分布現象。

6??雙向部分疊合板內力計算方法及結構布置

實際工程項目運用雙向板施工比較普遍，雙向板較多采用彈性理論方法計算內力。本文研究的新型雙向部分疊合板制作流程與全現澆雙向板不同，但疊合成型后設計的受力性能與全現澆雙向板近似，其內力計算近似常規雙向板采用彈性理論方法。

對于單區格雙向部分疊合板而言，通常在四邊簡支邊界條件下，按照構造配置板面負筋。當梁尺寸較大，按四邊固定邊界條件考慮，固定端有彎矩，按照有關計算確定配筋。計算簡圖如圖5所示。

圖5 雙向部分疊合板計算簡圖

多區格雙向部分疊合板的內力計算比單區格雙向板復雜，可采用近似的計算方法，將多區格雙向部分疊合板的內力分析，轉化成單區格雙向板計算內力。雙向鋼筋混凝土部分疊合板的水平結構由梁、板組成，豎向支承結構由柱或墻組成，如圖6所示。

雙向部分疊合板與梁（疊合梁）連接方式主要有兩種，如圖6（c）、（d）所示。邊跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區板面負筋根據混凝土結構構造配筋；中間跨疊合板與梁（疊合梁）連接，在疊合區板面分布鋼筋根據混凝土結構規范計算確定配筋。預制板底筋至少伸過梁（疊合梁）中心線。

圖6 雙向部分疊合板結構布置

正常使用條件下，雙向鋼筋混凝土部分疊合板承受均布荷載作用，且為二階段受力過程。第一階段為預制底板階段，構件簡支承載。第二階段為雙拼疊合連接成型階段，構件連續跨承載。受力過程與單向部分疊合板相似，先簡支后連續，符合內力重分布規律。預制階段構件除了承重自重荷載以外，還承受著施工荷載等活荷載，疊合施工階段自重荷載發生了變化，同時構件承受使用荷載。

與單向部分疊合板內力計算方法相似，雙向部分疊合板依據施工階段無須支撐條件下，疊合式受彎構件內力計算公式[6]，結合結構力學知識，通過查表獲取有關規范取值、系數等，根據結構最不利內力組合，計算彎矩值。

6??結語

裝配式單、雙向鋼筋混凝土部分疊合板制作過程雖為預制和疊合兩階段，設計內容仍主要以《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）的有關規定為依據[8]，力求使部分疊合板構件達到全現澆鋼筋混凝土結構等同的使用功能效果。

結合單、雙向部分疊合板結構布置方案，以及在預制和疊合兩個階段的計算簡圖，本文提出了有關單、雙向部分疊合板的內力計算方法，結合結構力學知識，進行內力分析。分析表明，新型的單向部分疊合板二階段受力，先簡支后連續，一定程度上緩減了全疊合板的“跨中應力超前”現象，對內力重分布有利，具有在工廠生產本系列產型產品的推廣價值，可供工程設計參考使用。實際工程的建造，以雙向板居多，雙向部分疊合板的設計突出其適用性。