預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板施工階段性能分析研究

預(yù)制板裝配率高、施工速度快，但抗震性能、樓板整體性能相對較差?，F(xiàn)澆板抗震整體性能好，但現(xiàn)場大面積澆筑增大了施工難度。疊合板是由預(yù)制板和現(xiàn)澆鋼筋混凝土層疊合而成的裝配整體式樓板，結(jié)合了裝配式樓板和現(xiàn)澆樓板的優(yōu)點，近年來得到了廣泛應(yīng)用。

1?各類疊合板的性能比較

現(xiàn)階段，我國建筑結(jié)構(gòu)采用的疊合板主要有預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板、預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板，還有近幾年出現(xiàn)的新型預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板。

圖1為預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板，內(nèi)有預(yù)應(yīng)力鋼筋，相比普通樓板，具有更好的承載力和更大的剛度。但板自重較大且陳海等試驗得出疊合后預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板在正常使用狀態(tài)下仍存在反拱，施工過程中需設(shè)置的臨時支撐較多，結(jié)合面抗剪能力較差。

圖1?預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板

圖2為預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板，該板由于設(shè)置矩形或T形肋，提高了剛度和承載力，板肋的增設(shè)增大了新舊混凝土的接觸面積，肋與肋內(nèi)預(yù)留孔洞后澆混凝土形成的“銷栓效應(yīng)”能夠增大機(jī)械咬合力，提高疊合面的抗剪性能，但在生產(chǎn)底板時上部混凝土肋需要二次澆筑成型，因此生產(chǎn)效率較低。

圖2?預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板

圖3為鋼筋桁架疊合板，其底板上部配置三角形鋼筋桁架，桁架下弦鋼筋同時充當(dāng)受力鋼筋，桁架上、下弦鋼筋間由連續(xù)的腹桿鋼筋連接。鋼筋桁架能夠提高疊合板在施工階段的剛度，提高了疊合板的受力性能。但鋼筋桁架疊合板在吊裝、運(yùn)輸以及后澆混凝土的過程中，底板混凝土容易開裂，撓度過大。鋼筋桁架疊合板若在底板中施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板。由于預(yù)應(yīng)力的施加，底板厚度較薄。由于預(yù)應(yīng)力施工需要專門的生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝相對較復(fù)雜，現(xiàn)階段鋼筋桁架疊合板是運(yùn)用最廣泛的疊合板。

圖3?鋼筋桁架疊合板

圖4為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板，圖5為鋼管桁架，與鋼筋桁架疊合板相似，將桁架中的上弦鋼筋改為鋼管，鋼管內(nèi)灌漿，底板內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力。底板施加的預(yù)應(yīng)力以及灌漿鋼管桁架的設(shè)置，極大地提高了底板的剛度和抗裂度，因而底板較?。s為35~40?mm），方便吊裝運(yùn)輸?shù)?，具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。目前已越來越多地應(yīng)用于實際工程中且具有較好的應(yīng)用前景。

圖4?預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板

圖5?鋼管桁架

現(xiàn)階段疊合構(gòu)件的設(shè)計原則是在疊合完成后“等同現(xiàn)澆”，因此各疊合板在疊合完成后的受力性能相差不大，而在疊合前的施工階段各疊合板受力性能卻有所不同。為了提高施工效率，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中疊合板施工階段無支撐或有少量支撐，為了方便運(yùn)輸?shù)跹b，底板盡可能薄，因而疊合板在施工階段的性能主要取決于是否具有較大的抗彎剛度。為了對比各種疊合板在疊合前施工階段的受力性能，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖集06?SG?439–1《預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板》、14?G?443《預(yù)制帶肋底板混凝土疊合樓板》、15?G?336–1《桁架鋼筋混凝土疊合板》、L18ZG?401《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板》中同為小跨度3?m板、大跨度6?m板的各種疊合板的底板厚度、施工期間支撐數(shù)量等進(jìn)行比較分析。

1.1?小跨度各類疊合板的性能比較

在底板上部設(shè)置混凝土肋、鋼筋桁架或鋼管桁架施加預(yù)應(yīng)力都能提高疊合板在施工階段的抗彎剛度，在底板中施加預(yù)應(yīng)力還能提高疊合板施工階段的抗裂性。同為3?m跨度板，相對于同底板厚度的普通鋼筋混凝土樓板，鋼筋桁架疊合板僅有鋼筋桁架對于抗彎剛度的提高作用，預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板僅有預(yù)應(yīng)力的提高作用，所以這兩種板在施工階段的抗彎剛度提高幅度較小，底板厚度較厚，底板自重大且施工中需要設(shè)置一道支撐。

預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板和預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板既在底板中施加預(yù)應(yīng)力，又有混凝土肋或鋼管桁架的作用，所以這兩種板抗彎剛度提高幅度較大，由于底板都較薄且施工期間無需設(shè)置支撐，較預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板和鋼筋桁架疊合板更具優(yōu)勢。

其中預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板的板厚僅為鋼筋桁架疊合板的1/2，底板自重較輕，但預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板需二次澆筑，制作較復(fù)雜，降低了生產(chǎn)效率?？傮w而言，在小跨度四種疊合板的應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板更具優(yōu)勢。

1.2?大跨度各類疊合板的性能比較

6?m大跨度的各類疊合板，為了吊裝運(yùn)輸方便，底板厚度取值與3?m跨度板相差不大，通過在施工階段增加支撐數(shù)量滿足施工階段變形的要求。預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板需設(shè)三道支撐，另外疊合板需要設(shè)置兩道支撐。

同樣1.2?m寬的板，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板底板的重量僅為預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板底板的68?%，為預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板的59?%，在運(yùn)輸、施工起吊方面更具優(yōu)勢。通過與大跨度疊合板的對比，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板支撐數(shù)量少、底板薄、重量輕，因此更適用于大跨度疊合板的應(yīng)用。

經(jīng)比較可知，無論在大跨度還是小跨度疊合板的應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板具有自重輕、底板薄、支撐數(shù)量少、工藝簡單、抗裂性能好的優(yōu)點，故此具有較好的應(yīng)用前景。

2　預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板抗彎剛度

目前國內(nèi)外對鋼筋桁架疊合板施工階段短期抗彎剛度的計算，一般不考慮腹桿鋼筋的影響，即采用換算截面的方法將上弦鋼筋、混凝土底板、預(yù)應(yīng)力鋼筋部分均等效為底板混凝土進(jìn)行計算。

根據(jù)T/CECS?722–2020《鋼管桁架預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板計算施工階段承載力和變形時按照等效組合截面進(jìn)行計算。將灌漿鋼管、預(yù)應(yīng)力混凝土底板、預(yù)應(yīng)力鋼筋等效為底板混凝土進(jìn)行計算（按底板混凝土強(qiáng)度等級進(jìn)行等效）。對于底板混凝土強(qiáng)度相同的疊合板，短期抗彎剛度取決于截面慣性矩。

2.1?計算算例

計算寬度B=500?mm的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板施工階段的抗彎剛度，底板厚度tp=35?mm，C?40混凝土，底板內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋采用45消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲，預(yù)應(yīng)力筋距離底板底面20?mm，上弦鋼管采用壁厚1?mm直徑25?mm的Q?195鋼管，上弦鋼管內(nèi)填充的灌漿料強(qiáng)度等級C?40。

桁架高h(yuǎn)a=95?mm，桁架腹弦鋼筋采用直徑6?mm熱軋光圓鋼筋，腹桿間距200?mm。算例換算截面如圖6所示。

圖6?算例換算截面示意

由于鋼管桁架作用，該疊合板的中性軸位置較底板中心偏上，鋼管及其內(nèi)灌漿料、預(yù)應(yīng)力筋自身慣性矩占總慣性矩的0.37?%，混凝土底板自身慣性矩所占比重為37.00?%，鋼管及其內(nèi)灌漿料相對于中性軸的面積矩占比62.43?%，因此慣性矩主要取決于鋼管及其內(nèi)灌漿料相對于中性軸的面積矩及底板自身慣性矩。

為了研究預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板在施工階段的剛度優(yōu)勢，將預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板與預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板、預(yù)應(yīng)力帶肋混凝土疊合板進(jìn)行對比分析，探討底板厚度、桁架高度對各種疊合板施工階段的剛度影響。在進(jìn)行對比分析時，除探討的參數(shù)外，各種疊合板的其余參數(shù)取值相同。

為探討鋼管內(nèi)灌漿對其剛度的影響，鋼管分空心鋼管和灌漿鋼管兩種。鋼筋桁架疊合板分為上弦8鋼筋和同鋼管直徑相同的實心鋼管兩種。鋼筋桁架疊合板的鋼筋桁架高度取值與預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板相同。

2.2?底板厚度影響

計算底板厚度分別為35?mm、50?mm、70?mm時各種疊合板在施工階段的中和軸高度y、慣性矩I、慣性矩I相較預(yù)應(yīng)力平板慣性矩I0的倍數(shù)。預(yù)應(yīng)力筋距離板底20?mm，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板其余參數(shù)同第2.1節(jié)算例。

經(jīng)驗算得出：同底板厚度的疊合板抗彎剛度從大到小依次為：預(yù)應(yīng)力混凝土實心鋼管桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板、鋼筋桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土（平板）疊合板。

當(dāng)?shù)装搴穸葹檩^薄的35?mm時，鋼筋桁架疊合板較預(yù)應(yīng)力混凝土平板疊合板慣性矩有明顯提升，預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板對比?8鋼筋桁架疊合板剛度有所提高，但提高幅度不大。經(jīng)過灌漿后，疊合板抗彎剛度提高幅度變大， 約為平板的2.94倍，是不灌漿預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的1.38倍。因此，采用預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板在施工階段具有較大的抗彎剛度。

當(dāng)桁架高度不變，底板厚度增加時，桁架起的作用減弱，各種疊合板相對于預(yù)應(yīng)力平板的剛度提高幅度減少；而且底板薄，方便安裝與運(yùn)輸，優(yōu)勢較明顯。所以在施工階段，為了不加支撐或少加支撐，增加底板厚度，不能高效地發(fā)揮預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的作用。當(dāng)跨度較大，在施工期間增加支撐比增加底板厚度更經(jīng)濟(jì)。

2.3?桁架高度影響

桁架最大容許高度取決于疊合板疊合完成后總厚度。板跨度越大，疊合板越厚，桁架高度可以越大。計算桁架高度分別為80?mm、95?mm、110?mm時各種疊合板在施工階段的中和軸高度y及慣性矩I，計算慣性矩I相較桁架高度為65?mm時的慣性矩I0的倍數(shù)。其余參數(shù)同第2.1節(jié)。

桁架高度不同時抗彎剛度提升比例如圖7可知，隨著桁架高度的增加，桁架的作用越大，其對應(yīng)底板的面積矩也隨之增大，各種疊合板抗彎剛度均增大。預(yù)應(yīng)力混凝土實心鋼管桁架疊合板的抗彎剛度提高的幅度最大，其次為預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板，預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板和鋼筋桁架疊合板的提高幅度最小。

圖7?桁架高度不同時抗彎剛度提升比例

所以當(dāng)板跨度較大，疊合板疊合后厚度較厚時，應(yīng)增大桁架高度，有利于充分發(fā)揮鋼筋桁架、鋼管桁架中桁架的作用，使底板部分在施工階段具有較大的抗彎剛度，以發(fā)揮其性能。

雖然和鋼管同直徑的實心鋼管對比可知，其他幾種疊合板具有較大的抗彎剛度，但由于鋼筋直徑大、用量多、成本較高且現(xiàn)階段無法實現(xiàn)18?mm以上上弦鋼筋和腹桿的自動機(jī)器焊接，因此現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板、預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板為性能較優(yōu)的疊合板。

3?預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板參數(shù)分析

3.1　鋼管直徑對鋼管桁架疊合板的受力影響

為了探討鋼管直徑對預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板抗彎剛度的影響，計算鋼管直徑分別為22?mm、25?mm、28?mm、30?mm，壁厚同為1?mm的不同種類疊合板在施工階段的慣性矩I，計算短期剛度相較直徑為22mm短期剛度Bs0的倍數(shù)，其余參數(shù)同第2.1節(jié)。根據(jù)2015年GB?50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 ，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板底板開裂前的短期剛度Bs1=0.85EcI0。

無論何種填充物，鋼管直徑每增加3?mm，疊合板的換算截面慣性矩及短期剛度提升接近1.2倍，直徑大小對灌漿鋼管的影響較空心鋼管更大，其主要原因是鋼管直徑大，隨之管內(nèi)填充物也會增加。鋼管直徑越大，疊合板在施工階段短期剛度越大，但灌漿后的長細(xì)比變大，桿件長細(xì)比越大則越趨于細(xì)長，越小則越是短、粗、胖，則不易發(fā)生屈曲和變形，因此灌漿后疊合板的穩(wěn)定性略差些，腹桿間距不能加大。但剛度較預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的剛度略大。

當(dāng)壁厚不變、鋼管直徑增大，空心鋼管和灌漿鋼管的抗彎剛度均增大，但空心鋼管抗彎剛度隨直徑增加提高的幅度不大，鋼管直徑大小對灌漿鋼管的影響較空心鋼管大一些，其主要原因是直徑大，隨之管內(nèi)混凝土也會增加，因而抗彎剛度提高的幅度較空心鋼管要大一些。但腹桿間距同為200?mm時，上弦灌漿鋼管長細(xì)比相對大、穩(wěn)定性略差，因此腹桿間距應(yīng)比空心鋼管大。

3.2　壁厚對預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板受力的影響

為了探討鋼管壁厚對空心鋼管、灌漿鋼管抗彎剛度的影響，計算鋼管直徑同為25?mm，壁厚分別為1?mm、2?mm、3?mm、4?mm的不同種類疊合板在施工中的慣性矩I及短期剛度Bs1，計算短期剛度相較壁厚為1?mm短期剛度Bs0的倍數(shù)。其余參數(shù)同第2.1節(jié)。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板和預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板隨著壁厚的增加，剛度提升幅度不同。壁厚為3?mm的鋼管桁架疊合板慣性矩可高達(dá)壁厚為1?mm的疊合板短期剛度的1.83倍，而灌漿鋼管桁架疊合板僅達(dá)1.49倍，其原因主要是，桁架上弦鋼管灌漿對提高疊合底板的抗彎剛度已有一定提升作用，將1?mm厚混凝土換為鋼筋對剛度提升效果不明顯且壁厚越大，鋼材用量增加較多，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，灌漿鋼管采用厚壁厚鋼管經(jīng)濟(jì)效益不明顯，因此預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板受鋼管壁厚度影響較大。

從長細(xì)比計算方法來看，壁厚對于預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板的長細(xì)比沒有影響，但均比空心鋼管大，穩(wěn)定性則相對較差，壁厚對預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的長細(xì)比有一定影響，壁厚越大則長細(xì)比越大。

預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板相對于不灌漿的空心鋼管桁架疊合板，抗彎剛度較大，但要增加灌漿這一道工序，而且其截面回轉(zhuǎn)半徑小，長細(xì)比稍大，穩(wěn)定性相對較差，因而腹桿間距較小。實心鋼管雖然對抗彎剛度提高效果明顯，但其相對于灌漿鋼管和空心鋼管用鋼量明顯增加很多，經(jīng)濟(jì)效益不明顯且無法實現(xiàn)18?mm以上上弦鋼筋和腹桿的自動機(jī)器焊接。所以預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板與預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板，在實際工程中具有較大剛度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。

當(dāng)鋼管直徑相同時，隨著壁厚增加，空心鋼管和灌漿鋼管的抗彎剛度均增大且提高的幅度較大，空心鋼管提高的幅度較灌漿鋼管大。灌漿鋼管內(nèi)混凝土對抗彎剛度有提高作用，增加鋼管壁厚實際上是將原鋼管內(nèi)同厚度的混凝土換為鋼材，所以抗彎剛度提高幅度相對較小。所以灌漿鋼管采用厚壁鋼管，雖然抗彎剛度較大，但鋼材用量也隨之增加，故此灌漿鋼管經(jīng)濟(jì)效益不明顯。

4?結(jié)論

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的底板厚度薄、抗裂性能好、自重輕、運(yùn)輸成本低、所需支撐數(shù)量少，在大跨度與小跨度疊合板的應(yīng)用中均有優(yōu)勢。

（2）鋼桁架可有效地提高預(yù)應(yīng)力混凝土疊合底板在施工階段的短期剛度，施加預(yù)應(yīng)力能夠提高疊合板在施工階段的抗裂性，因此同樣使用桁架的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的剛度比鋼筋桁架疊合板大。

（3）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板底板厚度越薄，在施工階段桁架起的作用越大。所以當(dāng)疊合板跨度較大時，在施工階段通過增加支撐數(shù)量滿足剛度要求，比增加底板厚度更能發(fā)揮鋼管桁架的作用，更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；相同底板厚度時，鋼桁架高度越大，桁架起的作用越大，所以應(yīng)根據(jù)疊合板總厚度選定最大的桁架高度。

（4）預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的鋼管直徑越大，疊合底板在施工階段短期剛度越大；鋼管壁厚的大小對預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板的影響作用更大，對灌漿鋼管影響不顯著。

（5）實心鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的慣性矩與抗裂度提高幅度較大，但用鋼量大、成本太高，不推薦使用。

綜上，在實際工程中，若對疊合板剛度要求不太大，可優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板，少一道灌漿工序，鋼管桁架對剛度的提升作用明顯，選用薄壁鋼管用鋼量小且長細(xì)比小，鋼管的穩(wěn)定性更好，腹桿間距可以加大，在工程應(yīng)用中性價比更高，若對疊合板剛度要求大，則優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力混凝土灌漿鋼管桁架疊合板，雖多一道灌漿工序，但其剛度較預(yù)應(yīng)力混凝土空心鋼管桁架疊合板大。

文章來源：摘自《建筑技術(shù)》2023年6月，張玉明，陳麗潔，鄧馨雨，程 意

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