李 志 田 斌 邵志兵 葉文啟

中天建設(shè)集團(tuán)有限公司 上海 201102

裝配式建筑指建筑物的全部或部分構(gòu)件首先在工廠預(yù)制作完成，然后運(yùn)送到施工現(xiàn)場，通過穩(wěn)定的連接手段，將構(gòu)件組合為整體的混凝土結(jié)構(gòu)類建筑[1]。裝配式建筑以其預(yù)制程度高、施工方便快捷、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)好、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

疊合板是裝配式建筑最重要的部件，量大面廣，傳統(tǒng)疊合板下多采用滿堂支撐架，木工工作量大，工期增加，與裝配式建筑的初衷背道而馳。預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板（PK板）的誕生，較好地解決了傳統(tǒng)疊合板自重大、易開裂、跨度小、支撐多、造價(jià)高等痛點(diǎn)。但對于大部分企業(yè)來說，PK板的應(yīng)用仍處于起步階段，甚至還未涉及，在驗(yàn)證體系可行性后，我們?nèi)孕鑼υ擉w系的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步探索與總結(jié)。

PK板落地實(shí)施于上海市西虹橋09-15地塊普通商品房項(xiàng)目，建筑結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，單體預(yù)制率達(dá)40%以上。其中，包含的預(yù)制構(gòu)件類型有預(yù)制墻板、預(yù)制凸窗、預(yù)制樓梯、疊合板和PK板。

我公司缺乏PK板樓蓋體系施工經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目實(shí)施初期，對于PK板的免支模體系仍持懷疑態(tài)度。為保障安全，板底支撐方案擬采用保守的滿堂架進(jìn)行搭設(shè)。因此，本文以PK板為研究對象，設(shè)計(jì)堆載試驗(yàn)，并通過計(jì)算分析明確了PK板下臨時(shí)支撐的搭設(shè)原則，也為以后的同類項(xiàng)目提供參考。

1 預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板

PK板通過先張法構(gòu)造底板預(yù)應(yīng)力鋼筋，然后澆筑混凝土，并配置由灌漿鋼管和兩側(cè)腹桿鋼筋焊接而成的桁架，最后于施工現(xiàn)場后澆疊合層的混凝土形成樓蓋體系。在疊合樓蓋體系施工時(shí)，首先鋪設(shè)和拼接底板，這也是“PK”名稱的由來，即為“拼塊”的漢語拼音的首字母。

本文研究分析的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板預(yù)制底板試件是基于山東省建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集L18ZG401《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板》[2]進(jìn)行設(shè)計(jì)，由三一集團(tuán)在其工廠生產(chǎn)制作完成。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)與計(jì)算依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]、GB/T 51231—2016《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[4]、JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]、T/CECS 722—2020《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板技術(shù)規(guī)程》[6]，并在參照現(xiàn)有桁架鋼筋混凝土疊合板研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

本次現(xiàn)場堆載試驗(yàn)在18號樓5層PKB12板上開展，構(gòu)造配筋如圖1所示。構(gòu)件尺寸：跨度×寬度×厚度＝3 360 mm×1 500 mm×35 mm；底板預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑為5 mm的消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲，底板橫向構(gòu)造鋼筋采用屈服強(qiáng)度為300 MPa的熱軋光圓鋼筋；桁架上弦鋼管直徑28 mm，腹弦鋼筋同樣選擇了屈服強(qiáng)度為300 MPa的熱軋光圓鋼筋，且直徑不小于6 mm；預(yù)制底板面預(yù)應(yīng)力筋保護(hù)層厚度為20 mm，采用C40細(xì)石混凝土，后澆混凝土疊合層強(qiáng)度等級為C30。

圖1 PK板構(gòu)造示意

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場材料儲備情況，考慮堆載質(zhì)量，試驗(yàn)選用型號HRB400的鋼筋對PK板進(jìn)行單調(diào)均布加載，鋼筋材料基本屬性：長度3 180 mm、直徑25 mm。為避免鋼筋直接堆積在鋼管桁架上造成應(yīng)力集中，將鋼筋平行于桁架方向放置，且在鋼筋鋪設(shè)高度超過桁架高度后，再均勻地將鋼筋順序堆放于板面?，F(xiàn)場堆載試驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 PK板位移監(jiān)測點(diǎn)位布置示意

PK板采用簡支模型，兩端采用過梁作為支座，擱置長度180 mm，板凈跨長度l＝3 000 mm。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)板撓度測試點(diǎn)（位移點(diǎn)1～6），分別位于構(gòu)件跨中和距支座的1/3跨處。測試點(diǎn)布置于板底，且在板底兩側(cè)分別布置，距板邊200 mm。

本次試驗(yàn)位移點(diǎn)監(jiān)測采用的是智能無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由終端控制儀、綜合分析儀和位移傳感器組成，其中的位移傳感器為拉繩式傳感器。加載前，傳感器安裝好后，用重物牽引下垂至地面、固定平穩(wěn)；然后運(yùn)行電腦，打開自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)云平臺網(wǎng)頁版，在工程管理中設(shè)置好對應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)；最后，調(diào)試終端控制儀，使控制儀和位移傳感器完成連接。

本次PK板堆載試驗(yàn)加載模式設(shè)計(jì)為逐級加載。試驗(yàn)開始前先對構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載分3級進(jìn)行，每級荷載為0.27 kN/m2（即120 kg），每級荷載加載后持續(xù)5 min。預(yù)加載結(jié)束后，卸去荷重塊并清零位移計(jì)，開始正式加載。構(gòu)件開裂前每級施加荷載為0.55 kN/m2（即250 kg），開裂后減小至0.22 kN/m2（即100 kg），每級荷載維持15 min。根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，并結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的構(gòu)造特點(diǎn)：當(dāng)?shù)装彘_裂或跨中彎曲撓度達(dá)到1/200，認(rèn)定達(dá)到施工階段正常使用極限狀態(tài)；當(dāng)跨中彎曲撓度超過l/50、裂縫寬度達(dá)到1.5 mm、預(yù)應(yīng)力鋼筋拉斷或上弦鋼管屈曲，認(rèn)定達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。

2.3 結(jié)果分析

預(yù)加載階段主要是為了檢查支座是否平穩(wěn)，各類傳感器能否正常工作，確定試驗(yàn)裝置各部分接觸良好。由于預(yù)應(yīng)力的存在，預(yù)加載至0.81 kN/m2，構(gòu)件并未發(fā)生可見變形。正式加載至3.85 kN/m2時(shí)，跨中和距支座1/6凈跨處撓度分別為13.28 mm和5.64 mm，構(gòu)件無裂縫出現(xiàn)。此時(shí)，構(gòu)件跨中撓度13.28 mm＜15.00 mm（l/200），為正常使用狀態(tài)。加載至4.40 kN/m2時(shí)，跨中撓度為15.02 mm，恰好超過15 mm。加載至5.12 kN/m2時(shí)，構(gòu)件下表面產(chǎn)生一條裂縫，寬0.12 mm，位于左端支座右側(cè)59.28 cm處。加載達(dá)到5.78 kN/m2時(shí)，構(gòu)件舊裂紋寬度增大，且未產(chǎn)生新裂縫。繼續(xù)增加荷載，當(dāng)荷載為6.00 kN/m2時(shí)，構(gòu)件破壞，撓度變化幅度較大，跨中和距支座1/6凈跨處撓度達(dá)到了76.35 mm和22.88 mm，構(gòu)件下表面產(chǎn)生出現(xiàn)一條新裂縫，寬0.45 mm，位于右端支座左側(cè)61.91 cm處。此時(shí)，跨中撓度76.35 mm＞60.00 mm（l/50），停止加載。

圖3為施加荷載與撓度（q-f）曲線。由圖可以看出，正式加載階段，構(gòu)件的變形可分為3個(gè)階段：第1階段（正常使用狀態(tài)），荷載從0 kN/m2增加到3.85 kN/m2時(shí)，構(gòu)件跨中和距支座1/6凈跨的位移均為線性變化；第2階段（承載能力狀態(tài)），構(gòu)件從正常使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換為承載能力狀態(tài)，荷載從4.40 kN/m2增加到5.78 kN/m2時(shí)，構(gòu)件跨中和距支座1/6凈跨的位移均為指數(shù)變化；第3階段（屈服破壞狀態(tài)），荷載為6.00 kN/m2時(shí)，構(gòu)件破壞。

圖3 構(gòu)件荷載-撓度曲線

綜合考慮施工時(shí)荷載情況，設(shè)定均布荷載4.38 kN/m2為檢驗(yàn)荷載（見3.1節(jié)）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在檢驗(yàn)荷載下，PK板凈跨l≤3 000 mm時(shí)，若不設(shè)支撐，此時(shí)構(gòu)件亦能滿足施工條件，不僅安全可靠，而且減少了現(xiàn)場實(shí)施的作業(yè)量。對于凈跨3 000 mm的構(gòu)件，其開裂荷載和極限荷載分別為5.12 kN/m2和6.00 kN/m2。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)施

3.1 臨時(shí)支撐設(shè)置

PK板吊裝前，需根據(jù)規(guī)范[3]設(shè)置臨時(shí)支撐，待吊裝結(jié)束，位置校核完成，方可澆筑疊合層混凝土，板下支撐應(yīng)按規(guī)范[4]進(jìn)行排布。PK板就位前，應(yīng)設(shè)置好由豎向支撐和橫梁組成的臨時(shí)支撐，支撐與兩端距離支座外側(cè)距離不應(yīng)大于500 mm（圖4）。

圖4 板底支座處支撐布置示意

跨內(nèi)支撐布置原則為：取施工荷載的最不利組合，限制混凝土樓板的撓度不超過l/200。首先，由公式（1）計(jì)算PK板抗彎剛度Bs；然后，考慮荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，驗(yàn)算預(yù)制構(gòu)件的撓度和裂縫，由公式（2）得到均布荷載q；最后，由公式（3）根據(jù)PK板施工受力特點(diǎn)，等同簡支梁求出板跨中撓度。

其中，Bs為PK板抗彎剛度，βc＝0.85，為剛度折減系數(shù)，Econ為PK板組合彈性模量，I0為PK板組合慣性矩；q為板面所受均布荷載，G為恒荷載，Q為活荷載；f為板跨中撓度，l為板計(jì)算跨度。

在疊合樓板的預(yù)制部分樓板上進(jìn)行現(xiàn)澆部分樓板施工，預(yù)制樓板需要承擔(dān)現(xiàn)澆樓板質(zhì)量及施工荷載，其兩端與梁現(xiàn)澆錨固，受力形式等同簡支梁，取1 m單位寬度計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)材料性質(zhì)和構(gòu)件尺寸，由式（1）可得PK板抗彎剛度為3.65×1011N·mm2；施工過程中，基于公式（2）進(jìn)行計(jì)算，PK板疊合層混凝土自重荷載為2.38 kN/m2，施工荷載綜合考慮取2.00 kN/m2，可得板面均布荷載共計(jì)4.38 kN/m2（檢驗(yàn)荷載）；最后，通過公式（3）監(jiān)測不同跨度PK板的跨中撓度，結(jié)果如表1所示。根據(jù)規(guī)范[6]，結(jié)合表1，可總結(jié)出施工階段PK板下臨時(shí)支撐方案，如表2所示。通過計(jì)算對表2的工況進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果均表明PK板在施工階段處于正常使用狀態(tài)，最大跨中撓度未超過l/200，這與2.3節(jié)的結(jié)論可相互佐證。因此，表2所述的臨時(shí)支撐方案安全可行。

表1 施工荷載下PK板跨中撓度值

表2 施工階段PK板下臨時(shí)支撐設(shè)置方法

3.2 施工注意事項(xiàng)

3.2.1 堆放和吊裝

構(gòu)件堆放場地應(yīng)為混凝土地坪，地面平整、堅(jiān)實(shí)，排水性好。堆放時(shí)PK板與地面間保持一定距離，墊塊放置在桁架側(cè)邊，其長、寬、高均不宜小于100 mm。墊塊上下對齊、墊實(shí)，不得出現(xiàn)一角脫空的現(xiàn)象，墊塊擺放如圖5所示。

圖5 墊塊擺放示意

不同型號構(gòu)件應(yīng)分別堆放，嚴(yán)禁倒置，堆放高度不宜超過6層。構(gòu)件堆放過程中，在預(yù)應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的推延會(huì)產(chǎn)生徐變，致使構(gòu)件翹曲或板厚不均勻。因此，要求堆放時(shí)間不宜多于2個(gè)月。其間還應(yīng)采取合理的防潮、防雨、防邊角損傷措施。

構(gòu)件在吊裝時(shí)，其底板混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，緩起慢落，避免碰撞。保證起重設(shè)備的吊鉤、吊具與構(gòu)件中心在垂直方向重合，鋼絲繩與構(gòu)件水平夾角不應(yīng)小于45°，不宜大于60°。

3.2.2 端部鋼筋構(gòu)造

PK板平行于鋼管桁架方向采用預(yù)應(yīng)力鋼筋，若生產(chǎn)時(shí)預(yù)留胡子筋，對構(gòu)件生產(chǎn)效率無明顯影響；若安裝構(gòu)件時(shí)未預(yù)留胡子筋，其支座處易發(fā)生開裂，故宜在板端預(yù)留胡子筋。當(dāng)支撐梁或剪力墻現(xiàn)澆時(shí)，兩端均預(yù)留胡子筋會(huì)影響鋪板施工，因此可優(yōu)化為其中一端預(yù)留胡子筋，伸出長度（L1）≥15倍鋼筋直徑且伸過支座中心線。另一端設(shè)置端部連接鋼筋代替胡子筋，端部連接鋼筋一端伸入支座，一端錨入底板（圖6）。伸入板端支座長度（L2）與L1要求相同，錨入板內(nèi)長度（L3）不應(yīng)小于1.6倍的受拉鋼筋錨固長度。此外，連接鋼筋直徑不宜小于5 mm，間距不宜大于250 mm。

圖6 PK板端部連接鋼筋做法

在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)應(yīng)明確PK板的安裝方向，并在構(gòu)件生產(chǎn)完成后噴漆標(biāo)明，施工前對相關(guān)作業(yè)人員做好交底，吊裝完成后及時(shí)校核。

3.2.3 拼縫構(gòu)造

PK板拼縫的處理應(yīng)按圖7施工。沿鋼管方向?yàn)槊芷词桨惭b，因預(yù)制底板生產(chǎn)安裝時(shí)存在誤差，底板之間難免會(huì)存在縫隙，但施工時(shí)應(yīng)控制縫隙不超過10 mm。對于施工縫的處理可先采用膩?zhàn)犹畛洌黉佡N一層耐堿網(wǎng)布，最后再用膩?zhàn)幽テ健?/p>

圖7 板縫后處理做法

3.3 現(xiàn)場實(shí)施效果

基于3.1節(jié)臨時(shí)支撐設(shè)置原則，本工程僅在現(xiàn)澆梁下方和凈跨大于3 m（最大板跨為4.12 m）的構(gòu)件跨中進(jìn)行支模架加固，而對凈跨不超過3 m的構(gòu)件均未設(shè)置臨時(shí)支撐。樓板混凝土澆筑時(shí)，嚴(yán)格做好板下?lián)隙缺O(jiān)測工作，結(jié)果均在計(jì)算值范圍之內(nèi)。說明本方案安全可靠，樓板成形效果良好。

4 結(jié)語

本文通過現(xiàn)場堆載試驗(yàn)和計(jì)算研究分析，明確了PK板下臨時(shí)支撐的搭設(shè)規(guī)則，提供了具體的數(shù)據(jù)參考，并結(jié)合現(xiàn)場施工情況，解決了一些PK板施工中常見的問題，得出如下結(jié)論：

1）施工階段，構(gòu)件q-f曲線可分為正常使用、承載能力和屈服破壞狀態(tài)3個(gè)階段。不同階段構(gòu)件撓度變化也不盡相同，分別為線性變化、指數(shù)變化和破壞變化。構(gòu)件裂紋產(chǎn)生常見于其計(jì)算跨度的1/5處附近。

2）通過計(jì)算分析，給出PK板下臨時(shí)支撐設(shè)置原則：底板跨度≤3 000 mm，板底可不設(shè)支撐；底板跨度＞3 000～6 600 mm，應(yīng)于板底跨中設(shè)置1道支撐；底板跨度＞6 600～9 000 mm，需在1/3板跨處各設(shè)1道支撐；與試驗(yàn)結(jié)果一致。

3）PK板兩端應(yīng)分別設(shè)置預(yù)留胡子筋和端部連接鋼筋，相鄰板的設(shè)置應(yīng)交錯(cuò)組合。其中，預(yù)留胡子筋和端部連接鋼筋伸入支座長度不小于15倍鋼筋直徑且伸過支座中心線。端部連接鋼筋錨入板內(nèi)長度不應(yīng)小于1.6倍的受拉鋼筋錨固長度。

4）相較于普通疊合板，PK板的受彎性能和抗裂能力均有明顯提升，且減少了現(xiàn)場模架搭設(shè)工作，縮短了建筑施工周期。以本工程為例，可節(jié)約60%左右的支模材料、45%左右的人工，提高施工速度1.5倍以上。

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，諸如商辦大樓、學(xué)校、醫(yī)院等大規(guī)模項(xiàng)目建造需求與日俱增，預(yù)應(yīng)力混凝土鋼管桁架疊合板的應(yīng)用勢在必行[8]。本工程的試運(yùn)行證實(shí)PK板的可行性高、施工方便、安全可靠，與裝配式建筑的初衷不謀而合，對PK板的推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義，。