裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的疊合板防裂縫技術(shù)研究*

王 皓 陳妍儒 王海超 丁重?zé)?劉浩宇 陳麗麗

（1.南通理工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226001；2.南通科達(dá)建材股份有限公司，江蘇 南通 226602）

裝配式建筑是由裝配式構(gòu)件廠生產(chǎn)的預(yù)制混凝土構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝拼接而成的，裝配式建筑不僅促進(jìn)建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平提高，還促進(jìn)第二次現(xiàn)代建筑革命。與傳統(tǒng)建筑施工模式不同的是，裝配式建筑在建筑全生命周期中體現(xiàn)了“碳中和、碳達(dá)峰”的發(fā)展理念，利用新的技術(shù)手段、循環(huán)利用的模板，將傳統(tǒng)建筑物的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改良，全面落實(shí)了有關(guān)低碳環(huán)保政策的具體做法，滿足了當(dāng)前國(guó)家對(duì)建筑和城市雙碳目標(biāo)的要求。在20 世紀(jì)90年代國(guó)家政策的推動(dòng)和引導(dǎo)下，我國(guó)建筑工業(yè)化進(jìn)入高速化發(fā)展時(shí)期，其間，國(guó)家明確了推廣裝配式建筑的目標(biāo)、任務(wù)和保障措施。從2010年開始，裝配式建筑迅猛發(fā)展，2010年至2016年，中央政府推出了一系列有力的政策，旨在未來10年內(nèi)，將裝配式建筑的比重提高到30%以上[1]，以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

2022年2月2日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出[2]，“十四五”時(shí)期，我國(guó)要初步形成建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展體系框架，建筑市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制更加完善，工程質(zhì)量安全保障體系基本健全，建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化水平大幅提升，建造方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，加速建筑業(yè)由大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變。

1 裝配式建筑的發(fā)展

從17世紀(jì)開始，人們就開始使用木構(gòu)架拼裝房屋，20 世紀(jì)以來，工業(yè)化的發(fā)展促使建造住房的速度得到了極大提升，從而極大地提高了生產(chǎn)效率。這種工業(yè)化的發(fā)展，也正是預(yù)制裝配式建筑的發(fā)展。在裝配式發(fā)展的過程中，鑒于各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)政策、發(fā)展目標(biāo)以及建造技術(shù)水平的不同，各國(guó)在裝配式建筑方面發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)和取得的成果也各有特點(diǎn)。隨著20 世紀(jì)70年代美國(guó)能源危機(jī)的爆發(fā)，美國(guó)城市發(fā)展部推出了一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范在美國(guó)建筑體系中得到了廣泛應(yīng)用，使得構(gòu)配件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性得到了極大提升，從而使得裝配式建筑體系在節(jié)約能源、降低成本以及實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)方面得到了有效實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了美國(guó)的工業(yè)化建設(shè)目標(biāo)[3]。日本將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與施工理念運(yùn)用于裝配式建筑當(dāng)中。德國(guó)將零能耗被動(dòng)式建筑的概念提出并探索應(yīng)用于裝配式模塊化建筑體系中，提高居民的生活品質(zhì)，并將其應(yīng)用于可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略當(dāng)中。

我國(guó)建筑行業(yè)如何在工業(yè)化進(jìn)程中進(jìn)行變革與創(chuàng)新，首先就要推進(jìn)裝配式建筑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件非常有利于機(jī)械化施工和預(yù)制化生產(chǎn)。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可以將大量作業(yè)施工轉(zhuǎn)移到工廠內(nèi)生產(chǎn)，原材料和施工水電消耗大幅下降，可以有效提高工程施工質(zhì)量、縮短工期、節(jié)約成本、降低污染。在新中國(guó)成立初期發(fā)展最為成熱的裝配式建筑體系就是預(yù)制混凝土大板住宅，在工廠預(yù)制好內(nèi)外墻板、樓板、屋面板以及樓梯等構(gòu)件，運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配和連接。目前，我國(guó)裝配式建筑仍處在起步階段，其工藝水平和規(guī)模還不夠完善，導(dǎo)致在生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝過程中疊合板的裂縫問題頻頻發(fā)生，從而增加后期在現(xiàn)場(chǎng)的修補(bǔ)工作量，同時(shí)激化各專業(yè)之間的矛盾。

2 桁架鋼筋構(gòu)造要點(diǎn)

桁架鋼筋疊合板的受力分為兩個(gè)階段，施工時(shí)由預(yù)制底板承受板的自重、施工荷載及后澆層的重量，使用時(shí)后澆層硬化后與預(yù)制底板結(jié)合一個(gè)受力整體。由于預(yù)制底板充當(dāng)現(xiàn)澆混凝土的模板，其構(gòu)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(guī)范要求，嚴(yán)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[4]。因此，如何設(shè)置桁架鋼筋充分發(fā)揮其剛度作用至關(guān)重要。目前，預(yù)制底板中桁架鋼筋設(shè)置方式有三種[5]，按照受力鋼筋的設(shè)置順序可分為兩大類，一類為受力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(gòu)件的鋼筋設(shè)置要求。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(yù)制底板鋼筋為2層，具有減小疊合板配筋量的優(yōu)點(diǎn)，但是由于桁架鋼筋在工廠是預(yù)制品，在施工時(shí)，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(jié)構(gòu)滿足受彎構(gòu)件的受力要求，但此方式桁架鋼筋與混凝土的結(jié)合深度變淺，削弱了預(yù)制底板的短期剛度，同時(shí)該方式鋼筋高度加保護(hù)層厚度需要嚴(yán)格控制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工操作要求非常高，實(shí)際很難實(shí)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(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集15G366-1《桁架鋼筋混凝土疊合板（60mm 厚底板）》[6]中采用的方法，預(yù)制底板鋼筋為2層，受力筋依然承受主要荷載，故在對(duì)疊合板設(shè)計(jì)時(shí)需要調(diào)整受力鋼筋的保護(hù)層厚度，同時(shí)在對(duì)大尺寸疊合板設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮下鋼筋保護(hù)層厚度增加對(duì)板的受力性能影響。這三種桁架鋼筋構(gòu)造在實(shí)際項(xiàng)目中均有可能使用，需要結(jié)合實(shí)際需求去應(yīng)用，圖3 的方式是國(guó)標(biāo)圖集推薦應(yīng)用最多的，下面將對(duì)圖3方式的疊合板進(jìn)行抗彎承載性能分析。

圖1 下弦鋼筋布置在分布筋下方

圖2 下弦鋼筋布置在分布筋上方

圖3 受力鋼筋布置在分布筋上方

3 疊合板的撓度問題

板的撓度受短期剛度影響較大，預(yù)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(chǔ)備。李杰等[7]研究桁架鋼筋混凝土疊合板各階段的抗彎性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)撓度才是板在施工階段能否滿足規(guī)范要求的控制要素，由GB/T 50152-2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]可知，疊合板的破壞有兩條判斷標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到以下其中一條即可判定試件達(dá)到正常使用極限狀態(tài)：①預(yù)制底板跨中撓度達(dá)到L/200，L為預(yù)制底板的計(jì)算跨度；②最大裂縫寬度達(dá)到0.2mm。因此，只需要滿足施工階段撓度要求即可。桁架鋼筋高度、上弦筋直徑、底板厚度、混凝土強(qiáng)度是影響預(yù)制底板短期剛度和撓度的重要因素，通過高底板厚度和混凝土強(qiáng)度的方式，后期施工麻煩，經(jīng)濟(jì)性不太明顯，故優(yōu)化桁架高度和上弦筋直徑為最佳方式。

4 疊合板設(shè)計(jì)方案

因?qū)嶋H項(xiàng)目往往受到預(yù)制底板生產(chǎn)、運(yùn)輸最大允許尺寸的限制，大開間、長(zhǎng)進(jìn)深房間的疊合板需要進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，在預(yù)制底板與底板之間通過拼縫進(jìn)行連接。但實(shí)際操作中還存在著生產(chǎn)、安裝等技術(shù)復(fù)雜，施工難度大；關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用不足；裝配式建筑技術(shù)研究不足；配套設(shè)備和工藝不足；BIM 與物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)應(yīng)用不足等問題。

裝配式結(jié)構(gòu)樓蓋雖然采用裝配整體式構(gòu)造，但是其撓度計(jì)算系數(shù)仍然大于固定端的情況，加上目前建筑材料的品質(zhì)普遍存在一定的問題，因此樓蓋板的裂縫時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用性能降低，時(shí)有發(fā)生業(yè)主與開發(fā)商的民事糾紛等。而國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的防裂縫技術(shù)大多是出現(xiàn)裂縫之后再修補(bǔ)。例如：疊合板與其他構(gòu)件接縫，疊合板相互之間接縫—“濾堵結(jié)合法”[9]。

本文旨在從根本上解決疊合樓板的開裂問題，如圖4～圖6所示，以確保在制造過程中保護(hù)層墊塊的正確安裝，避免因漏墊或少墊而導(dǎo)致開裂；增強(qiáng)壓薄膜效應(yīng)裝配式樓板的原理是利用了薄膜材料在混凝土澆筑中的一些特性，如薄膜材料具有較好地防止水泥漿流失、防止氣泡產(chǎn)生和減少膨脹裂縫等特點(diǎn)。在澆筑頂層混凝土?xí)r，頂層混凝土與特種薄膜材料之間形成一層薄膜，這層薄膜會(huì)阻止水泥漿流失和氣泡產(chǎn)生，使混凝土在澆筑后形成一個(gè)整體，從而增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能和耐久性。此外，由于混凝土在澆筑時(shí)處于壓縮狀態(tài)，使其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力得到釋放，從而減少了膨脹裂縫的發(fā)生。最終，通過倒置構(gòu)件的方式，讓底層板作為上層，從而使整個(gè)樓板具有更好的承載能力和抗震性能。

圖4 三維模型鋼筋結(jié)構(gòu)圖

圖5 端支撐梁的加腋鋼筋籠

圖6 澆筑混凝土后的加腋疊合板構(gòu)件

如圖7 所示，通過“薄膜效應(yīng)”的原理發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到荷載作用時(shí)，與梁整體相連的板會(huì)出現(xiàn)拱形的裂縫，這與市面上已有的斷裂后裂縫修補(bǔ)技術(shù)有很大的不同。

圖7 荷載作用下板實(shí)際軸線分布圖

5 結(jié)語

本文通過對(duì)原有疊合板進(jìn)行支座處加腋處理，通過增強(qiáng)拱效應(yīng)進(jìn)一步抵抗彎曲拉應(yīng)力，并提高拱的弧度，增大截面上的壓應(yīng)力，抵消彎曲拉應(yīng)力，提高承載力。加腋和拱弧度的提升操作通過工廠統(tǒng)一制作，模板化處理可以達(dá)成。在原有疊合板的設(shè)計(jì)上進(jìn)行的處理改變?yōu)檫\(yùn)輸?shù)跹b工作帶來了便捷化，通過技術(shù)交底，使工人能快速了解新型疊合板，并提高了國(guó)內(nèi)防裂縫技術(shù)。