裝配式混凝土結構預制疊合板桁架鋼筋布置方向研究

陽 旭

(中鐵二十三局集團建筑設計研究院有限公司, 四川成都 610031)

近年來，裝配式建筑在各方面政策推動下掀起了應用熱潮。中國的預制裝配式建筑起步較晚，對裝配式建筑的研究較少，裝配整體式結構設計采用與現澆混凝土結構相同的方法進行分析。疊合板因其受力形式簡單，制作方便等優勢應用較廣。

《規程》第6.6.2條規定，跨度大于3 m的疊合板，宜采用桁架鋼筋混凝土疊合板[1]；第6.6.7條規定，桁架鋼筋應沿主要受力方向布置[1]?！兑幊獭芳s定的主受力方向是考慮施工過程中的主受力方向，與傳統的單向板、雙向板主要受力方向概念不同。本文基于疊合板受力特征，分析疊合面抗剪能力和桁架鋼筋在疊合面抗剪所起作用，從而對單向板中桁架鋼筋布置方向提出建議，希望對裝配式建筑設計人員的工作有所幫助。

1 單/雙向板主要受力方向桁架鋼筋布置方向

(a)雙向板桁架鋼筋布置方向

(b)單向板桁架鋼筋布置方向圖1 單/雙向板主要受力方向桁架鋼筋布置方向

2 疊合板疊合面抗剪計算

依據我國GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》，對不配箍筋的疊合板，當符合規范疊合界面粗糙度的構造規定時[3]，其疊合面的受剪強度應符合下列公式的要求：

V≤0.4bh0

(1)

美國規范ACI 318，對不配置箍筋粗糙的疊合面，其受剪承載能力需滿足式(2)的規定：

V≤φVn=0.55φbh0=0.47bh0

(2)

由(1)、(2)可見，我國規范GB 50010-2010和美國規范ACI 318對疊合面的處理手法類似，均沒考慮混凝土強度等級影響，但我國規范的要求略嚴于美國規范。

疊合板受剪作用最大的截面為支座附近，板端(簡支或連續)的剪力設計值為：

V=β{γG[γC(h01+h02)+gk]+γQqk}bl

(3)

式中：β為剪力系數，簡支板取0.5，連續板取0.6[2]；γG為持久荷載分項系數，取1.2；γC為鋼筋混凝容重，取26 kN/m3；γQ為活荷載分項系數,取1.4；qk為活荷載標準值(kN/m2)；b板寬度、l長度(m)；h01、h02分別為底板厚度、疊合層厚度(m)；gk建筑面層、吊頂恒載，住宅一般取1.5 kN/m2。

《規程》第6.6.2條規定桁架鋼筋混凝土疊合板底板厚度(h01)不宜小于60 mm；后澆混凝土疊合層厚度(h02)不應小于60 mm[1]。在實際項目中，考慮水電管線預埋在疊合層內，后澆板厚度60 mm很難滿足要求，實際項目中疊合層厚度(h02)一般取70 mm。

住宅建筑的活荷載標準值通常為2～4 kN/m2，由式(1),(3)得到活荷載與跨度、后澆混凝土厚度的關系,詳表1。

隨著教學改革的深入和電子信息技術的發展，多媒體與網絡技術尤其是慕課、微課[28]的快速出現，使得教學形式的選擇更加多樣化，為理想教學環境和教學模式改革提供了強大的物質支持。微課不僅是一種新型的教學資源[29-30]，更是基于某些知識點的簡單但完整的教學過程。翻轉課堂又稱反轉課堂，其可以理解為將傳統的課堂教學方式“翻轉”過來。學生可以在家或者寢室看視頻以替代教師的課堂講解;在課堂上，教師和學生則把精力集中在探討學生自學有困難的內容上，并同時完成練習，還可以加強學生與教師和學伴的互動交流。這種課堂形式最大的優點在于學生對學習的安排和選擇可以更加自主[31]。

表1 樓板荷載與跨度、疊合層厚度的關系

由表1可知樓板活荷載不大于4.0 kN/m2，跨度不大于6 m時，設置粗糙面即可抵抗疊合層的剪力，而不需要設置桁架鋼筋。

3 單向板桁架鋼筋布置方向

3.1 單向板在施工階段和運營階段的受力模

單向板長寬比較大，在脫模、吊裝驗算時，構件長度方向會因剛度不足而產生變形破壞，此時桁架鋼筋應沿構件長度方向布置，提高預制板的整體剛度，保證構件脫模、吊裝過程不破壞。

在荷載作用下，構件撓度采用下式進行計算：

(4)

式中：Mq為荷載準永久組合下彎矩；l0為構件計算跨度；E為構件彈性模量；I0為構件慣性矩。

桁架鋼筋作用下預制板慣性矩為：

(5)

式中：B為預制板有效寬度(圖2)；tPCF預制底板厚度。

圖2 有效寬度示意

3.2 桁架筋對單向板剛度的影響分析

中性軸距離y0：

(6)

慣性矩I0：

I0=ACαI(h-y0)2+{[y0-(h-h1)]2A1+

(7)

式中：Ac為上弦筋面積(mm2)；As為下弦筋面積(mm2)；A1為板寬B范圍內與疊合筋平行的板內分布鋼筋配筋面積；h1為與疊合筋平行的板內分布鋼筋形心到上弦筋形心的距離(mm)；hs為下弦筋和上弦筋的形心距離(mm)；tPCF為預制疊合板板厚(mm)；h為預制疊合板斷面板底至到上弦筋形心的距離(mm)；B為預制疊合板有效板寬(mm)；αE為鋼筋與混凝土的彈性模量之比；ES為鋼筋的彈性模量(N/mm2)；EC為混凝土的彈性模量(N/mm2)。

采用常規疊合板厚度(預制底板60 mm、現澆層70 mm)，混凝土強度等級為C30(彈性模量EC=3.0×104MPa)，鋼筋采用三級鋼(HRB400，彈性模量ES=2.0×105MPa)，預制底板配筋為φ8@200雙向布置，桁架鋼筋布置如圖3、圖4所示，計算對比無桁架鋼筋和有桁架鋼筋時，預制疊合板底板慣性矩。

(a) 下弦筋在疊合筋垂直方向的分布筋下面

(b) 下弦筋在疊合筋垂直方向的分布筋上面圖3 桁架鋼筋尺寸簡圖

圖4 桁架鋼筋布置簡圖

假定B=600mm，tPCF=60mm，AC、As=50mm2(直徑8 mm鋼筋)，h1=hs=77mm，A1=150mm2，h=100mm。

無桁架鋼筋時預制底板慣性矩為：

(8)

有桁架鋼筋時預制底板慣性矩為：

(9)

(10)

由綜上可知，有桁架筋時疊合板底板沿長度方向的慣性增大6倍，大大提高預制底板剛度，保證構件脫模、吊裝時過程不破壞。故，單向預制疊合板底板桁架鋼筋應沿構件長度方向布置，如圖5所示。

圖5 單向板桁架鋼筋沿構件長度方向布置

4 工程實例

某四川省成都市住宅項目工程，高層住宅均為剪力墻結構，設計時均按政府要求設計為裝配式建筑，且需滿足裝配率不小于20 %，預制率不小于15 %。通過計算，最終確定預制構件種類有三種：預制底板、預制樓梯、預制灰渣混凝土空心隔墻板。其中1號樓陽臺板為單向板(圖6)，板長寬比為2.84，按《規程》要求，單向板桁架鋼筋布置方向為主受力方向(短向)，在脫模、吊裝過程中發現，預制底板在長度方向擾度較大，最終導致板開裂，甚至出現斷板情況(圖7)，將桁架鋼筋方向更改為沿板長度方向以后，再未出現擾度過大而斷板情況。

(a)陽臺板(單向板)平面布置

(b)桁架鋼筋沿主受力方向布置圖6 工程實例陽臺板布置

(a)桁架鋼筋沿短向布置吊裝情況

(b)桁架鋼筋沿長方向布置吊裝情況圖7 桁架鋼筋不同方向布置吊裝情況

5 結論

本文通過計算、實例對比得出以下結論：

(1)通過比較和分析不同跨度和不同活荷載下疊合面抗剪承載能力，對于一般民用建筑，設置粗糙面即可抵抗疊合層的剪力，桁架筋的設置并非抵抗疊合面的剪力。桁架鋼筋的作用更多表現為：增加構件剛度、作為施工“馬鐙”、作用“吊鉤”等。

(2)當疊合板為單向板時，預制底板桁架鋼筋的布置方向應沿構件長度方向布置，增加結構整體剛度，防止脫模、條狀破壞。

(3)對“《規程》第6.6.7條規定：桁架鋼筋應沿主受力方向布置”的理解應為“桁架鋼筋應沿桁架鋼筋起作用的方向布置”，而非簡單理解為構件的主受力方向。