裝配整體式密肋空心板工藝研究

鄧 維 唐中輝 劉傳雄 聶家明 唐 珍

1 國(guó)內(nèi)外研究情況

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

密肋空心板設(shè)計(jì)理念早期由德國(guó)工程師提出，當(dāng)時(shí)受環(huán)境以及研究水平限制，未能研究出該設(shè)計(jì)的受力計(jì)算方式，因此理念未落地。20世紀(jì)中期，美國(guó)工程師設(shè)計(jì)了一種蜂窩式填充物空心板，同樣由于受到施工水平限制未能進(jìn)行推廣使用。直到20 世紀(jì)中后期，英國(guó)工程師做了一種木盒內(nèi)模空心板，并成功用于橋面施工中，至此密肋空心板雛形落地，開始推廣。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)早期采用現(xiàn)澆普通樓板，但由于其自重較大，大跨徑建筑施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較大，結(jié)構(gòu)造價(jià)也較高，因此在20 世紀(jì)50 年代，工程師展開了自重較輕、結(jié)構(gòu)受力更優(yōu)的空心板研究。經(jīng)過初期研究，形成了早期成果，如矩形空心板、圓形空心板，如圖1所示。

圖1 常見空心板結(jié)構(gòu)樣式圖（來源：作者自繪）

隨著科技實(shí)力及工藝水平的提升，工程師研究出空腹夾層密肋板，整體結(jié)構(gòu)為井字形，用現(xiàn)澆工藝施工，整體受力性能較好，對(duì)其進(jìn)行了局部推廣應(yīng)用。同時(shí)工程師研究出薄壁箱體現(xiàn)澆混凝土空心板，該結(jié)構(gòu)由混凝土肋、頂板、底板及預(yù)留空心箱體組成，與空腹夾層密肋板相比受力效果更好，跨越能力更強(qiáng)，得到了大范圍推廣應(yīng)用。我國(guó)建筑領(lǐng)域依舊在使用該結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了多年新材料研究[1]。

2 研究意義

我國(guó)采用的混凝土現(xiàn)澆板具有較好的整體性和抗震性能，但容易開裂。新型裝配板工效高，但整體性差。因此，如何將裝配式和現(xiàn)澆式實(shí)現(xiàn)有效結(jié)合，在降低自重的情況下提升板在豎向荷載作用下的受彎、抗剪性能，減少開裂，是需要重點(diǎn)研究的課題[2]。各界學(xué)者、工程師經(jīng)過通力研究，提出了裝配整體式密肋空心板，又稱為疊合板材。它既有整體式板材的剛度、整體性及抗震性能，又有裝配式的靈活性、高效性，順應(yīng)了國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。

3 裝配整體式密肋空心板設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)勢(shì)

裝配整體式空心板的內(nèi)部截面為工字型，整體結(jié)構(gòu)由預(yù)制裝配式底板、現(xiàn)澆梁肋、預(yù)制裝配式頂板組合而成，如圖2、圖3 所示。與常規(guī)的板材形式相比，該結(jié)構(gòu)底板、頂板與現(xiàn)澆梁肋實(shí)現(xiàn)了整體式結(jié)合，可有效提升整體板材的受力性能[3]。

圖2 底板鋼筋布置圖（來源：作者自繪）

圖3 裝配整體式空心板圖（來源：作者自繪）

裝配整體式空心板內(nèi)部為空心箱體，中空率較常規(guī)空心板材相比提升約30%，整體板材混凝土自重降低1/3。在同等設(shè)計(jì)下，所用材料更少，施工成本更低。

裝配整體式空心板的底板、頂板采用工廠化預(yù)制，一定程度上減少了作業(yè)時(shí)間，縮短了工期，間接降低了施工成本。裝配整體式空心板具有特殊的密肋結(jié)構(gòu)，最大跨度接近30 m，跨越能力更強(qiáng)，符合大體量城市綜合體建筑的發(fā)展趨勢(shì)。

裝配整體式空心板中的箱型結(jié)構(gòu)同圓孔空心板相比，抗震性能好、剛度大，在荷載及振動(dòng)的作用下，豎向位移的轉(zhuǎn)角更小。

3.2 力學(xué)性能分析

3.2.1 荷載及撓度分析

實(shí)驗(yàn)采用新型裝配式整體密肋空心板試件以及新型預(yù)制空心板試件進(jìn)行對(duì)比分析。試件A 為密肋空心板試件，高40 cm，寬1 m，長(zhǎng)4 m，底板及頂板采用φ6 mm 的光圓鋼筋，密肋量采用φ6 mm、φ12 mm 以及φ25 mm的鋼筋組成鋼筋骨架，混凝土強(qiáng)度為C30。試件B 為空心板試件，鋼筋型號(hào)及混凝土尺寸同密肋空心板一致。

加載按照每次10 kN 進(jìn)行，臨近開裂前降低加載為5 kN，試件開裂后再次調(diào)整加載至10 kN，在加載過程中每10 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，具體實(shí)驗(yàn)如下：

試件A，在加載至90 kN 后，整體板材側(cè)面出現(xiàn)裂縫，加載至100 kN時(shí)，裂縫出現(xiàn)在板材正面及側(cè)面，同時(shí)處于中間位置向上延伸。隨著荷載逐步增加，裂縫逐步增寬，加載至190 kN 時(shí)，試件出現(xiàn)屈服，正反裂縫最寬達(dá)到0.8 mm。當(dāng)荷載加至230 kN時(shí)，裂縫已開裂至兩端，形成貫通裂縫，裂縫超過允許范圍，試件被破壞，隨后再次觀察混凝土狀況。

試件B 加載至60 kN，側(cè)面及正面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，加載至90 kN 時(shí)，跨中出現(xiàn)較大裂縫并向上延伸，加載至140 kN 時(shí)，試件呈屈服狀態(tài)，加載至190 kN 后，試件被破壞[4]。詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖4、圖5 所示。

圖4 跨中荷載—撓度折線圖（來源：作者自繪）

圖5 1/3 跨荷載—撓度折線圖（來源：作者自繪）

從圖5 可以看出，在同等材料及尺寸狀態(tài)下，密肋空心板試件同常規(guī)空心板試件相比承載能力更大，兩種承載結(jié)構(gòu)在受力過程中的跨中撓度變化與1/3 跨相比差距不大。

3.2.2 混凝土應(yīng)變分析

通過對(duì)密肋空心板的預(yù)制板以及現(xiàn)澆密肋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀察應(yīng)變變化情況，從圖6 可以看出，當(dāng)荷載在100 kN 時(shí)，預(yù)制板與現(xiàn)澆密肋梁協(xié)調(diào)受力最佳。

圖6 混凝土應(yīng)變圖（來源：作者自繪）

3.2.3 鋼筋應(yīng)變分析

裝配整體式密肋空心板在受力時(shí)發(fā)生剪切破壞，在加載到140 kN 時(shí)，鋼筋出現(xiàn)了較大應(yīng)變，說明在當(dāng)前荷載下，混凝土裂縫已經(jīng)向內(nèi)延伸，混凝土內(nèi)部開始破壞。

4 密肋空心板疲勞實(shí)驗(yàn)研究

裝配整體式密肋空心板作為新工藝，其使用壽命決定著工藝的推廣周期與范圍，因此需對(duì)裝配整體式密肋空心板展開疲勞實(shí)驗(yàn)。試件設(shè)計(jì)高度20 cm，寬1.2 m，長(zhǎng)4 m，混凝土強(qiáng)度為C35。采用分級(jí)加載方式，測(cè)量混凝土和鋼筋的應(yīng)變、撓度等指標(biāo)。

疲勞加載頻率設(shè)置為5 Hz，循環(huán)次數(shù)從10000 次增加至200 萬次，期間記錄試件撓度以及裂縫情況。當(dāng)試件出現(xiàn)疲勞破壞后，停止疲勞實(shí)驗(yàn)并觀察鋼筋斷裂情況[5]。

經(jīng)過疲勞實(shí)驗(yàn)顯示，試件經(jīng)歷了底板開裂、密肋梁與預(yù)制板交界處開裂、密肋梁側(cè)面開裂等3 個(gè)階段。最終破壞時(shí)密肋梁與上下預(yù)制板交匯處形成貫通裂縫，預(yù)制頂板混凝土破碎，通過對(duì)比查閱常規(guī)空心板疲勞實(shí)驗(yàn)加載情況以及開裂情況，明確裝配整體式密肋空心板受力最薄弱位置位于預(yù)制板與現(xiàn)澆密肋交匯處，但整體承載性能與常規(guī)空心板相比較好，延性較好，破壞時(shí)未出現(xiàn)鋼筋斷裂現(xiàn)象，具有足夠的安全儲(chǔ)備，滿足長(zhǎng)期荷載作用需求。

5 施工流程

裝配整體式密肋空心板的施工流程主要包括測(cè)量放線、搭設(shè)底模、預(yù)制構(gòu)件施工、底板安裝、密肋鋼筋綁扎、內(nèi)模安裝、頂板安裝及澆筑混凝土等工序，如圖7 所示。

圖7 施工流程（來源：作者自繪）

施工前準(zhǔn)備模板、支架等作業(yè)工具，將場(chǎng)地清掃平整，底模采用盤扣支架按照支架搭設(shè)相關(guān)規(guī)范及方案搭設(shè)，搭設(shè)完成后用鋼釘固定模板，并采用墨線彈出密肋位置。

在密肋邊線內(nèi)2 cm 處粘貼密封膠條，防止后期混凝土澆筑時(shí)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，粘貼完成后安裝裝配式底板并綁扎密肋鋼筋。綁扎鋼筋時(shí)應(yīng)注意控制鋼筋間距，避免密肋鋼筋與預(yù)制底板預(yù)留鋼筋發(fā)生位置沖突。用墊塊控制保護(hù)層的厚度，密肋下部用墊塊適當(dāng)起拱。

綁扎完成之后安裝密肋內(nèi)模，如圖8 所示，上方再次安裝預(yù)制頂板。當(dāng)頂板預(yù)留鋼筋與密肋鋼筋出現(xiàn)沖突的時(shí)候，適當(dāng)采用撬棍調(diào)整位置。安裝完成后澆筑混凝土，澆筑時(shí)圍繞四周澆筑。

圖8 施工現(xiàn)場(chǎng)圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

6 密肋空心板與常規(guī)空心板的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

在同等尺寸下，裝配整體式密肋空心板與常規(guī)空心板相比，人工需求量少、機(jī)械化程度高、施工成本較低，如表1、表2 所示。

表1 項(xiàng)目對(duì)比表

表2 費(fèi)用對(duì)比表

從表1、表2 可以看出，裝配整體式密肋空心板所用鋼筋、混凝土、模板均少于常規(guī)空心板，由于整體式密肋空心板需要的機(jī)械及車輛較多，費(fèi)用略高于常規(guī)空心板，工期約縮短1/3，綜合成本降低28%，具有較高的實(shí)用價(jià)值[6]。

7 結(jié)語

裝配整體式密肋空心板是現(xiàn)澆板與裝配板結(jié)合的新型產(chǎn)物，既擁有現(xiàn)澆板的整體性，又擁有裝配板的靈活性，具有受力性能好、靈活程度高、不受復(fù)雜環(huán)境影響、施工高效及成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的推廣價(jià)值。未來，可從連接部位的結(jié)構(gòu)形式、填充材料等多方面入手，研究出結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)、施工更加簡(jiǎn)便的板材。