桁架鋼筋混凝土疊合板抗彎承載性能研究現狀探析

陳 哲，吳仲勤，尹 剛，張麗芳，耿 飛

（1.南京航空航天大學土木與機場工程系，江蘇 南京 211106；2.江蘇宇輝住宅工業有限公司，江蘇 泰州 225500；3.連云港贛榆區散裝水泥辦公室，江蘇 連云港 222100）

0 引言

桁架鋼筋疊合板具有施工快捷、整體剛度大、抗震性好等優點［1，2］，是目前國內裝配式建筑最常用的水平部件。現階段國內疊合板是在工廠工業化生產，將受拉鋼筋網和桁架鋼筋下部澆筑在一起形成桁架鋼筋預制底板，在工程現場吊裝拼接后再澆筑后澆層，硬化后形成桁架鋼筋疊合板。此過程中，預制底板既是疊合板結構的組成部分，也充當后澆層的模板。由于施工階段不確定因素較多，使得預制底板在堆放、運輸和吊裝等過程中容易出現撓度過大、開裂等現象，從而不滿足施工規范要求。梁冠成［3］在研究混凝土預制構件生產周期內出現裂縫成因時，發現裂縫會大大影響預制構件的使用性能，并提出可通過增設螺旋筋的方式增強預制構件抗拉應力來抑制裂縫產生。夏立鵬等［4］對帶有裂縫的桁架鋼筋疊合板研究時發現，疊合板在施工階段的損傷會不斷累積，且損傷不可恢復。在堆放階段，邊廣生等［5］采用有限元模擬了單向疊合板開裂成因，并給出了抑制其開裂的長寬比閾值，使用條形支撐的跨中最大應力將比點狀支撐時提升 10 %。在運輸階段，曹高碩［6］通過設置橫向鋼筋與桁架鋼筋組成外露鋼筋網，抑制預制底板普遍存在的開裂問題。由此可見，桁架鋼筋疊合板在施工階段內產生裂縫的現象較為普遍，且裂縫損傷不可逆，對尺寸設計和支撐條件要求較高，實際應用時桁架鋼筋疊合板的跨度一般只能做到 3.9 m，嚴重影響了桁架鋼筋疊合板的使用和推廣。

本文通過對桁架鋼筋構造要點的歸納比較，從桁架鋼筋疊合板的抗彎承載力、剛度貢獻、撓度三個方面出發，研究分析桁架鋼筋的受力特點及其對疊合板的剛度影響，系統地討論桁架鋼筋疊合板抗彎承載性能的研究現狀，為提高其抗彎性能承載性能、抑制裂縫產生提供依據。

1 桁架鋼筋構造要點

桁架鋼筋疊合板的受力分為兩個階段，施工時，由預制底板承受板的自重、施工荷載及后澆層的重量；使用時，后澆層硬化后與預制底板結合一個受力整體。由于預制底板充當現澆混凝土的模板，其構造薄而平，整體剛度較小，易在施工階段受到外力破壞，不滿足規范要求，嚴重影響了疊合板的正常使用。而桁架鋼筋疊合板就是通過布置桁架鋼筋提高板的短期剛度［7，8］。因此，如何設置桁架鋼筋充分發揮其剛度作用至關重要。

目前，預制底板中桁架鋼筋設置方式有三種［9，10］，按照受力鋼筋的設置順序可分為兩大類，一類為受力鋼筋布置在分布筋下方，如圖 1 和圖 2 所示，該種方法符合受彎構件的鋼筋設置要求。圖 1 與圖 2 的區別：圖 1 的桁架下弦鋼筋在分布筋下方，替代了部分受力鋼筋，預制底板鋼筋為 2 層，具有減小疊合板配筋量的優點，但是由于桁架鋼筋在工廠是預制品，在施工時，該方式需要分布筋橫穿桁架鋼筋，造成施工不便；而圖 2 的桁架下弦鋼筋在分布筋上方，底板有 3 層鋼筋，易施工，結構滿足受彎構件的受力特性，但此方式桁架鋼筋與混凝土的結合深度變淺，削弱了預制底板的短期剛度，同時該方式鋼筋高度加保護層厚度需要嚴格控制，對現場施工操作要求非常高，實際很難實施，所以適用于板厚較大的疊合板。另一類為分布筋布置在受力筋下方，如圖 3 所示，是國家建筑標準設計圖集 15 G 366－1《桁架鋼筋混凝土疊合板（60 mm 厚底板）》中采用的方法，預制底板鋼筋為 2 層，不太符合受彎構件的鋼筋布置要求，但受力筋依然承受主要荷載，故在對疊合板設計時需要調整受力鋼筋的保護層厚度，同時在對大尺寸疊合板設計時，還要考慮下鋼筋保護層厚度增加對板的受力性能影響。

這三種桁架鋼筋構造在實際項目中均有可能使用，需要結合實際需求去應用，圖 3 的方式是國標圖集推薦應用最多的，下面將對圖 3 方式的疊合板作抗彎承載性能探析。

2 桁架鋼筋疊合板抗彎承載性能分析

抗彎承載性能受桁架鋼筋疊合板的剛度影響，而剛度則與材料的抗變形能力有關，是材料或結構本身的特性。撓度是抵抗材料或結構在應力下彎曲的能力，三者關系十分緊密，故從抗彎承載力、剛度貢獻問題、撓度問題三個方向對桁架鋼筋疊合板抗彎承載性能進行探析。

2.1 抗彎承載力

圖1 受力鋼筋布置在分布筋下方（單位：mm）

圖2 受力鋼筋布置在分布筋上方（單位：mm）

圖3 受力鋼筋布置在分布筋上方（單位：mm）

普通的混凝土底板，板厚小、剛度低，在運輸和施工過程時，容易損壞且施工需要設置臨時支撐。而桁架鋼筋疊合板利用彎折成三角形的鋼筋桁架與上下層鋼筋連接，組成能夠承受荷載的空間桁架結構體系，極大地提高了預制底板的承載力和剛度，使得預制底板和疊合板的力學性能均符合規范要求。

桁架鋼筋疊合板是由預制底板和后澆層構成，兼具了預制板和現澆板兩者的優點，如施工快速、短期剛度大、整體性強等。因此它的破壞發展規律和特征顯得十分重要，對此，劉軼等［11，12］采用有限元模擬和試驗研究，比較了桁架鋼筋疊合板和桁架鋼筋現澆板各階段受力性能，發現鋼筋桁架混凝土疊合板與普通現澆混凝土板裂縫發展規律和破壞特征基本一致，皆為跨中縱向受力鋼筋斷裂，極限承載力差別不大且疊合面未滑移，滿足施工規范要求。吳方伯等［13］對疊合板在使用階段的性能研究時發現，疊合板和現澆板裂縫相似，撓度滿足使用階段的要求，具有較好的延性。同時，王元清等［14］研究雙向疊合板和現澆板在不同約束、不同板厚比影響下的受力情況時，也發現疊合板和現澆板的受力特征類似，并且還發現當預制底板滿足施工階段要求時，預制底板截面厚度所占比例越小，使用階段的抗彎承載力越大。王曉鋒［15］進行了雙向疊合樓板的均布荷載試驗時，也得到了相同的觀點。由此可見，預制底板對疊合板整體的力學性能影響很大，這一點在馬蘭等［16］對桁架鋼筋混凝土疊合板進行相關試驗時得到了印證，其研究表明：疊合板滿足施工階段的規范要求是受預制底板短期剛度控制，若預制底板滿足施工階段要求，則疊合板在使用階段具有較高的安全儲備，同時發現桁架鋼筋的高度、間距、底板厚度及上下弦筋直徑對預制板短期剛度起決定性作用，腹筋直徑對短期剛度的影響可忽略。學者們關于桁架鋼筋提高了預制底板短期剛度，桁架鋼筋高度、上弦筋直徑、底板厚度、混凝土強度對疊合板剛度影響較大的觀點一致。這種受力機制德國規范 DIN 1045－1 曾進行過闡述。以桁架鋼筋為試驗因素，高新宇［17，18］設計制作三塊預制底板，通過試驗對比得到裸露的桁架鋼筋可以提升預制底板的短期剛度 1.36 倍、抗裂性能 1.18 倍和荷載承載力 0.43 倍，減小板的撓度，這與吳方伯等觀點一致并提出通過增加桁架鋼筋上弦筋的直徑或數量來減少施工階段臨時支撐的布置。馬祥林等利用有限元軟件建模研究桁架鋼筋對預制底板的整體剛度的作用，也印證了吳方伯等提出的觀點，同時提出實際工程建議，60 mm 板厚 3 m 跨度可以不設置支撐，70 mm 板厚該跨度可延伸到 3.6 m。劉文政等［19］研究發現桁架鋼筋可以提高預制底板的開裂荷載 1.94 倍，且呈現出明顯的延性破壞特征。侯和濤等［20］提出一種新型灌漿鋼管桁架混凝土疊合板，在凈跨為3.15 m 時，其開裂荷載為 4.16 kN/m2，疊合板的極限承載力為 5.68 kN/m2，遠高于施工荷載 3.5 kN/m2，撓度滿足規范要求，具有較好的抗彎性能，施工時無需設置支撐。

與傳統的混凝土板相比，桁架鋼筋疊合板抗裂性能和荷載承載力均有所提高，具有與現澆板相似的延性破壞特征。但其跨度為 2.25 m 的桁架鋼筋混凝土疊合板在施工階段受自重和施工荷載影響，不設置支撐，開裂荷載僅 1.62 kN/m2，不滿足規范要求。故國標圖集規定，在施工階段，桁架鋼筋預制底板需要在距離支座500 mm 處和跨內設置臨時支撐，增加了施工工作量，降低了施工效率。而灌漿鋼管桁架大大提高了開裂荷載且不需要臨時支撐。因此，使用灌漿鋼管桁架提高現有疊合樓板抗彎性能和施工效率是十分有效的。

2.2 剛度貢獻問題

目前，中國的建筑規范［21-24］中沒有說明桁架鋼筋對預制底板短期剛度貢獻作用，在計算預制底板的短期剛度時，是根據無桁架鋼筋設計計算的。例如，GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》采用“等彈性模量”法將桁架鋼筋等效成“同面積的等彈性模量混凝土”來計算鋼筋桁架預制底板的剛度。

通過收集相關數據，了解到國外板厚普遍達到18 cm 以上，而我國桁架鋼筋疊合板板厚為 12～13 cm，由國標圖集 15 G 366－1，A 80 桁架鋼筋外露部分為 43 mm的垂直高度，桁架鋼筋有效高度太低，削弱對疊合板的短期剛度提高作用。故近年來，部分學者對我國桁架鋼筋板中桁架鋼筋的作用產生了質疑。聶建國等［25］以有無桁架鋼筋為變量設計了四塊試件，研究桁架鋼筋對預制底板的抗彎性能影響，發現桁架鋼筋對提高預制底板的短期剛度作用是有限的，相反，桁架鋼筋會壓縮預制底板的有效受壓面積，以至于預制底板抗彎承載力顯著降低，當桁架間隔 600 mm 放置時，抗彎承載力降低 19 %；且外露鋼筋易屈曲，致使預制底板的延性下降，并提出了適當增加預制板厚替代桁架鋼筋提升預制底板受力性能，降低生產成本的方案。趙磊［26］對自承式鋼筋桁架混凝土疊合板受力研究時也提出了相似的說法，認為當桁架鋼筋疊合板跨度和板厚增加時，會削弱該板型的結構優勢，桁架鋼筋的作用減小。故王曉鋒［27］、 聶建國等［25］對桁架鋼筋在疊合板中的作用進行了分析：①增大預制底板的短期剛度；②吊運時用作吊鉤；③增加疊合板的疊合面抗剪能力；④施工“馬鐙”。其中增大預制底短期剛度最重要。由上文可知桁架鋼筋高度對疊合板的短期剛度影響較大，43 mm 的桁架高度可能無法發揮桁架的作用，而其他作用也可通過其他措施解決，如抗剪采用人工拉毛也能滿足抗剪規范要求［28，29］，吊鉤可單獨設置，馬鐙可采用其他工具代替。

由前文馬蘭、馬祥林等人的研究可知，桁架鋼筋高度、上弦筋直徑是影響桁架鋼筋剛度的重要因素，而我國疊合板板厚多為 12 cm，桁架鋼筋外露高度僅 43 mm，使得學界對桁架鋼筋對疊合板的承載力和短期剛度貢獻產生了爭議，部分學者提出增加板厚改善預制板受力性能、采用降低技術成本的方式比設置桁架鋼筋更為有效。故需要對其進一步研究分析。

2.3 撓度問題

馬蘭等研究發現疊合板滿足施工階段的規范要求是受預制底板短期剛度控制，而板的撓度受短期剛度影響較大，預制底板滿足施工階段要求后，疊合板使用階段有很高的安全儲備。李杰等［30，31］研究桁架鋼筋混凝土疊合板各階段的抗彎性能時，發現撓度才是板在施工階段能滿足規范要求的控制要素，由GB/T 50152 －2012《混凝土結構試驗方法標準》［32］可知，疊合板的破壞有兩條判斷標準，達到以下其中一條即可判定試件達到正常使用極限狀態：①預制底板跨中撓度達到 L/200，L 為預制底板的計算跨度；②最大裂縫寬度達到 0.2 mm。因此只需要滿足施工階段撓度要求即可。

由 2.1 節知桁架鋼筋高度、上弦筋直徑、底板厚度、混凝土強度是影響預制底板短期剛度和撓度的重要因素，通過提高底板厚度和混凝土強度的方式，后期施工麻煩，經濟性不太明顯；故優化桁架高度和上弦筋直徑為最佳方式，這優化方向在前兩節也有著重提到；如 2.1 節使用灌漿鋼管增大上弦筋直徑提高預制底板的剛度，抗彎性能較好；2.2 節中得知 A 80 型桁架鋼筋外露僅 43 mm，對桁架鋼筋的短期剛度貢獻并不明顯，同時也增加了預埋水電管線的施工難度，且使用階段的上弦筋和腹筋對疊合板的抗彎承載力貢獻很小，鋼筋浪費嚴重。

基于此吳方伯等［33］研發了一種帶可拆桁架肋的疊合整體雙向樓蓋，提高了樓蓋的短期剛度、減小了施工階段的撓度，有效解決了底板開裂及施工期間免豎向支撐難題，且可循環利用，經濟環保。同樣為增加預制底板的短期剛度，達到消除樓板底部的垂直支撐腳手架，龐祖杰等［34，35］對工具式組裝桁架疊合板進行了研發及性能研究，研發了獨立桁架式疊合板、耳板式疊合板、斜筋式疊合板，并分析其優缺點。為最大化增大桁架鋼筋的高度，朱輝祖等［36］設計了一種可拆卸的預應力桁架鋼筋，將其倒置預制底板下表面與預埋的鋼板連接，由于施加預應力，可適用于各種跨度的疊合板，每平方米可節省鋼筋約 2.5～3.5 kg/m2。

綜上可見，撓度是疊合板滿足施工階段規范要求的決定因素，并且使用階段疊合板具有充足的安全性。可拆卸桁架鋼筋通過提高預制底板短期剛度和抗彎承載力，抑制板的開裂，撓度變形，在拼裝完成后進行拆卸周轉使用，是未來降低技術成本的新途徑。

3 結語

1）我國桁架鋼筋疊合板板厚遠小于國外的板厚，使得桁架鋼筋高度過低，無法形成有效的空腹桁架，故近年來，一些學者對桁架鋼筋對預制底板的貢獻提出了質疑，桁架鋼筋對預制底板的貢獻需要做更進一步的細致研究。

2）在施工階段預制底板的短期剛度是由撓度控制的，上弦鋼筋直徑能明顯提高預制底板的短期剛度，而國內施工偏保守，在施工階段一般搭設豎向支撐，甚至使用滿堂撐；且后期使用階段桁架鋼筋的作用不大，造成資源浪費，故預制底板在吊裝后可考慮拆卸上弦鋼筋提高疊合板預制底板的抗彎剛度和抗裂性能，待臨時施工完成后可拆卸多次周轉使用。Q