裝配式建筑預應力樓板技術研究與應用綜述★

萬方琪，程 芬，鄭志遠

(湖北商貿學院城市建設學院,湖北 武漢 430079)

1 政策規范情況

2022年1月25日,住房和城鄉建設部關于印發“十四五”建筑業發展規劃的通知:大力發展裝配式建筑,力爭到2025年新建裝配式建筑占比達到30%以上。這為預應力疊合板的發展奠基了政策支撐,同時根據調研發現目前國內關于預應力疊合板的政策及標準數量較少,這為預應力疊合板的發展提供了較大的發展空間。

如湖北省出臺的《住房和城鄉建設部等部門關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》(2020年9月4日),上海市出臺《關于進一步加強本市裝配整體式混凝土結構工程質量管理的若干規定》(2017年6月27日)都明確指出要加大預應力樓板技術的開發與應用。

2 產品應用

2.1 主要產品介紹

目前,裝配式預應力樓板在建筑行業領域已有較為成熟的研究與應用,主要包括以下6種類型(按研發時間先后排序)。

1)ZDB預應力混凝土疊合板[1]。ZDB預應力混凝土疊合樓板由帶支架預制底板和現澆混凝土疊合組成的新型整體式樓板。預制底板包含縱向支架和預應力混凝土底板,ZDB預應力混凝土疊合板預制底板典型寬度為600 mm,可根據實際工程需要設計板的長度,板跨主要為1.8 m～7.2 m,預制底板上有支架,支架下方的孔洞可以鋪橫向鋼筋。把幾塊預制底板拼裝在一起,然后在預制帶支架底板的縱筋下方梯形孔洞中布置垂直方向的非預應力橫筋,然后現澆混凝土疊合層,使預制底板、后澆層混凝土黏結成為一個整體,可以形成ZDB預應力雙向配筋疊合板。預制不帶肋底板有40 mm,50 mm厚度兩種形式,后澆疊合層混凝土的厚度為80 mm;預制帶肋底板的厚度不小于50 mm,板肋高度不宜小于50 mm,且不應小于40 mm;后澆疊合層混凝土的厚度不宜小于預制帶肋底板厚度的1.3倍,且不應小于80 mm。ZDB預應力混凝土疊合樓板三維圖如圖1所示,鋼筋平面布置如圖2所示。

ZDB預應力混凝土疊合板應用較為成熟,主要應用于民用和公共建筑,已有一套完整的生產、運輸、施工系統,并制定了JG/T 565—2018工廠預制混凝土構件質量管理標準。設計圖集有《ZDB預應力混凝土疊合板》(L15GT58),發表相關專利14項,科技論文9篇。

ZDB預應力混凝土疊合板采用復合預制工藝,性能優于現澆,又具有建筑產業化的顯著優勢:a.預制板在施工過程中既是承重結構又兼作模板,與現澆板相比,可節省模板,同時考慮鋼筋架的作用,能減少預制板下的臨時支撐,大大縮短施工工期;b.用鋼量少,由于采用1570級高強預應力鋼絲,抗拉強度為三級鋼的4.2倍,比其他疊合板節省用鋼量;c.承載能力較強,破壞性試驗承載力每平方米可達0.5 t(5 kN/m2);d.抗裂性能好,由于采用了預應力極大提高了混凝土的抗裂性能;e.與PK預應力混凝土疊合板相比,在其鋼筋架下橫穿鋼筋后能形成雙向板,且預埋管線經濟、方便;f.與預制空心板比較,整體性好;g.在預制板上設置鋼筋架,可增加預制板的整體剛度和水平界面抗剪性能。

生產、施工相關附圖如圖3所示。

2)鋼管桁架預應力混凝土疊合板(PK3型板)[2]。預應力混凝土鋼管桁架疊合板(PK3型板)由C40/C50混凝土底板、1570級/1860級的預應力鋼絲和鋼管混凝土桁架組成,底板厚度35 mm,40 mm,寬度1 m～3 m,長度2.1 m～12 m,該產品的鋼管桁架上弦桿采用鋼管灌注微膨脹高強砂漿,腹桿采用鋼筋,高度可根據疊合板厚度進行調整,與現澆層共同形成疊合板。鋼管桁架預應力混凝土疊合板如圖4所示,截面設計如圖5所示,生產、施工相關附圖如圖6所示。

鋼管桁架預應力混凝土疊合板(PK3型板)應用較為成熟,是快速拼裝預應力疊合板第三代升級產品,主要應用于民用住宅和公共建筑,已發布了行業標準T/CECS 722—2020鋼管桁架預應力混凝土疊合板技術規程,地方圖集《預應力混凝土鋼管桁架疊合板》L18ZG401,相關專利2項,科技論文15篇。

技術優勢:a.下部受拉區采用預應力技術,上部受壓區采用鋼管桁架;b.底板最小厚度35 mm,疊合后最小厚度110 mm;c.最大板幅可達3 m寬,12 m長;d.容重僅為約每平方米85 kg;e.無需支撐或少支撐;f.密拼后無需后澆帶;g.不出筋或單向出筋;h.可實現多層流水作業;i.生產成本較傳統桁架疊合板低40%。

3)預應力帶肋混凝土疊合板[3]。由預制預應力帶肋混凝土底板和上部后澆混凝土疊合層組成,具有整體性好、抗裂性強、承載力高,跨度適用范圍大、經濟性好等優點。預制預應力帶肋混凝土底板在工廠預制成型,側向不出筋,縱向為預應力鋼筋,底板厚度通常取50 mm。上部設肋,可抵抗預應力筋形成的反彎矩,在有施工或者永久荷載時抵抗壓應力。圖7為預應力帶肋混凝土疊合樓板,圖8為樓板截面圖。

預應力帶肋混凝土疊合板,技術較為成熟,但應用較少,僅適用于大型公共建筑,技術特點包括:a.采用長線臺技術;b.多功能張拉裝置;c.高效布置預應力筋技術;d.預應力智能張拉技術;e.鋼筋智能化高效生產技術;f.混凝土高效運輸技術;g.混凝土高效澆筑技術;h.混凝土高效養護技術;i.高效出貨、堆放技術。

4)預應力混凝土空心樓板(SP板)[4-5]。預應力混凝土空心板是一種常見的預應力構件,具有承載力高、跨度大、自重輕、安裝效率高、經濟效益好等特點,經過幾十年的研究和應用,已經比較成熟。但是國內針對高抗震、大跨度、重載、高層建筑的工程研究和應用幾乎沒有。圖9為預應力混凝土空心板疊合樓蓋。

預應力混凝土空心樓板(SP板),技術較為成熟,但應用較少,僅適用于大型公共建筑,技術特點包括:a.干性混凝土研究技術;b.高效布筋技術;c.高效成型技術;d.高效養護;e.高效切割。

5)預應力混凝土雙T板疊合板[6]。預應力雙T板是一種高效的重載、大跨預制構件,最大跨度可達40 m,常用于房建領域的大跨度結構。中國建筑綠色產業園綜合樓項目,采用大跨度主次結構,結構跨度18 m,荷載設計值56 kN/m2,采用常規構件不可能實現。通過研發,采用突破現有規范的重載大跨度雙T板,實現了設計意圖。預應力帶肋混凝土疊合樓板如圖10所示。

預應力混凝土雙T板疊合板,技術較為成熟,但應用較少,僅適用于大型公共建筑,技術特點包括:a.自持力模架技術;b.長線法生產技術;c.固定模具架+可變款模板技術;d.模板自由組合技術。

6)預應力混凝土疊合板[7]。根據項目需求,在滿足國家規范和圖集要求的情況下,對原項目的桁架筋疊合板進行深化設計,在滿足力學性能的前提下,通過在預制預應力薄板上加澆一層現澆混凝土而形成的裝配整體式結構(見圖11)。生產、施工相關附圖見圖12。

預應力鋼筋桁架混凝土應用較為成熟,作為預制裝配式剪力墻結構、框架結構的水平構件樓板,適用于裝配式剪力墻結構、框架結構等多種結構體系,發表相關專利3項,科技論文1篇。

技術優勢:a.預制板采用預應力短線張拉,樓板抗裂性能大大提高,克服了現澆樓板容易裂縫,漏水等質量通病;b.板現場施工不需支拆模板,板下支撐間距可加大到2.0 m,與現澆結構相比,周轉材料節約達60%以上;c.經核算,每100 m2預制疊合樓板與現澆樓板相比,鋼材節約525 kg,木材節約0.43 m3,水泥節約650 kg,用水節約1 350 kg,減少了二氧化碳的排放量;d.現場工人的勞動強度大大降低,且降低了高空作業存在的安全隱患。

2.2 產品應用情況

本節搜集了預應力樓板相關應用項目,如圖13所示。從預應力樓板的分布情況來看,在山東省應用項目最多達24個,其次是江蘇、浙江的應用項目分別達到7個與5個。

在住宅類建筑中預應力鋼管桁架筋疊合板相比其他預應力樓板應用最為多,占比70%;在公建類建筑中,預應力雙T板、SP空心板應用最為廣泛,占比分別為30%與25%。

3 發展趨勢

3.1 廠家地域分布及運營

圖14反映了預應力疊合板相關企業在全國地域的分布,從圖14中可見,在山東省和江蘇省預應力樓板生產廠家數量最多,分別為25個和22個;其次是北京市,達到13家。

3.2 市場規模

從本文調研中顯示,山東和江蘇、浙江等地應用預應力疊合板的項目較多,其次是湖北、上海等地,這也表明裝配式建筑發展較快區域也更容易推進預應力疊合板的應用。根據調查到2025年裝配式市場規模在各個省市分別為:國家層面3.6萬億元、湖北12 500億元、四川8 000億元、江蘇16 000億元、廣州3 347億元、上海9 000億元、山東2 800億元、浙江1 650億元、重慶3 600億元。

其次,裝配式建筑業的發展離不開經濟基礎的支撐,中國華東地區整體經濟發展水平較高,同時擁有較為完善的交通運輸網絡,在政策支持推動之下,裝配式建筑產業得到良好發展。根據《2022—2026年中國裝配式建筑行業全景調研與發展戰略研究咨詢報告》顯示:在區域分布上,北京市和山東省裝配式建筑項目較多,占全國裝配式建筑項目的比重均為15%;其次是上海和江蘇、浙江地區,項目占比分別是14%,13%和7%。

4 結論

從本節統計來看,鋼管桁架預應力疊合板(山東萬斯達)、ZDB預應力疊合板(山東乾元)、預應力混凝土疊合板(華江幸福)適合住宅建筑,而預應力雙T板、預應力空心板(SP板)、預應力帶肋疊合板主要適用于大跨度公建建筑。從產品成熟度上,鋼管桁架預應力疊合板技術最為成熟,應用項目最多、經濟效益最好。

從區域分布上看,廣州、上海、浙江屬于經濟發達區域,裝配式建筑發展已經較為成熟;湖北作為中部重要城市,經濟發展呈遞增趨勢,相比廣、上、浙裝配式產業基地較少,仍有一定發展空間,尤其是近些年政策提倡向宜昌市和襄陽市發展;對于四川省仍主要以省會城市成都作為裝配式建筑發展主要對象,周邊地級市擴展態勢還不明顯,這也與該省特殊的地理位置有一定關系。