装配式混凝土结构预制叠合板桁架钢筋布置方向研究

阳 旭

(中铁二十三局集团建筑设计研究院有限公司, 四川成都 610031)

近年来，装配式建筑在各方面政策推动下掀起了应用热潮。中国的预制装配式建筑起步较晚，对装配式建筑的研究较少，装配整体式结构设计采用与现浇混凝土结构相同的方法进行分析。叠合板因其受力形式简单，制作方便等优势应用较广。

《规程》第6.6.2条规定，跨度大于3 m的叠合板，宜采用桁架钢筋混凝土叠合板[1]；第6.6.7条规定，桁架钢筋应沿主要受力方向布置[1]。《规程》约定的主受力方向是考虑施工过程中的主受力方向，与传统的单向板、双向板主要受力方向概念不同。本文基于叠合板受力特征，分析叠合面抗剪能力和桁架钢筋在叠合面抗剪所起作用，从而对单向板中桁架钢筋布置方向提出建议，希望对装配式建筑设计人员的工作有所帮助。

1 单/双向板主要受力方向桁架钢筋布置方向

(a)双向板桁架钢筋布置方向

(b)单向板桁架钢筋布置方向图1 单/双向板主要受力方向桁架钢筋布置方向

2 叠合板叠合面抗剪计算

依据我国GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》，对不配箍筋的叠合板，当符合规范叠合界面粗糙度的构造规定时[3]，其叠合面的受剪强度应符合下列公式的要求：

V≤0.4bh0

(1)

美国规范ACI 318，对不配置箍筋粗糙的叠合面，其受剪承载能力需满足式(2)的规定：

V≤φVn=0.55φbh0=0.47bh0

(2)

由(1)、(2)可见，我国规范GB 50010-2010和美国规范ACI 318对叠合面的处理手法类似，均没考虑混凝土强度等级影响，但我国规范的要求略严于美国规范。

叠合板受剪作用最大的截面为支座附近，板端(简支或连续)的剪力设计值为：

V=β{γG[γC(h01+h02)+gk]+γQqk}bl

(3)

式中：β为剪力系数，简支板取0.5，连续板取0.6[2]；γG为持久荷载分项系数，取1.2；γC为钢筋混凝容重，取26 kN/m3；γQ为活荷载分项系数,取1.4；qk为活荷载标准值(kN/m2)；b板宽度、l长度(m)；h01、h02分别为底板厚度、叠合层厚度(m)；gk建筑面层、吊顶恒载，住宅一般取1.5 kN/m2。

《规程》第6.6.2条规定桁架钢筋混凝土叠合板底板厚度(h01)不宜小于60 mm；后浇混凝土叠合层厚度(h02)不应小于60 mm[1]。在实际项目中，考虑水电管线预埋在叠合层内，后浇板厚度60 mm很难满足要求，实际项目中叠合层厚度(h02)一般取70 mm。

住宅建筑的活荷载标准值通常为2～4 kN/m2，由式(1),(3)得到活荷载与跨度、后浇混凝土厚度的关系,详表1。

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表1 楼板荷载与跨度、叠合层厚度的关系

由表1可知楼板活荷载不大于4.0 kN/m2，跨度不大于6 m时，设置粗糙面即可抵抗叠合层的剪力，而不需要设置桁架钢筋。

3 单向板桁架钢筋布置方向

3.1 单向板在施工阶段和运营阶段的受力模

单向板长宽比较大，在脱模、吊装验算时，构件长度方向会因刚度不足而产生变形破坏，此时桁架钢筋应沿构件长度方向布置，提高预制板的整体刚度，保证构件脱模、吊装过程不破坏。

在荷载作用下，构件挠度采用下式进行计算：

(4)

式中：Mq为荷载准永久组合下弯矩；l0为构件计算跨度；E为构件弹性模量；I0为构件惯性矩。

桁架钢筋作用下预制板惯性矩为：

(5)

式中：B为预制板有效宽度(图2)；tPCF预制底板厚度。

图2 有效宽度示意

3.2 桁架筋对单向板刚度的影响分析

中性轴距离y0：

(6)

惯性矩I0：

I0=ACαI(h-y0)2+{[y0-(h-h1)]2A1+

(7)

式中：Ac为上弦筋面积(mm2)；As为下弦筋面积(mm2)；A1为板宽B范围内与叠合筋平行的板内分布钢筋配筋面积；h1为与叠合筋平行的板内分布钢筋形心到上弦筋形心的距离(mm)；hs为下弦筋和上弦筋的形心距离(mm)；tPCF为预制叠合板板厚(mm)；h为预制叠合板断面板底至到上弦筋形心的距离(mm)；B为预制叠合板有效板宽(mm)；αE为钢筋与混凝土的弹性模量之比；ES为钢筋的弹性模量(N/mm2)；EC为混凝土的弹性模量(N/mm2)。

采用常规叠合板厚度(预制底板60 mm、现浇层70 mm)，混凝土强度等级为C30(弹性模量EC=3.0×104MPa)，钢筋采用三级钢(HRB400，弹性模量ES=2.0×105MPa)，预制底板配筋为φ8@200双向布置，桁架钢筋布置如图3、图4所示，计算对比无桁架钢筋和有桁架钢筋时，预制叠合板底板惯性矩。

(a) 下弦筋在叠合筋垂直方向的分布筋下面

(b) 下弦筋在叠合筋垂直方向的分布筋上面图3 桁架钢筋尺寸简图

图4 桁架钢筋布置简图

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

无桁架钢筋时预制底板惯性矩为：

(8)

有桁架钢筋时预制底板惯性矩为：

(9)

(10)

由综上可知，有桁架筋时叠合板底板沿长度方向的惯性增大6倍，大大提高预制底板刚度，保证构件脱模、吊装时过程不破坏。故，单向预制叠合板底板桁架钢筋应沿构件长度方向布置，如图5所示。

图5 单向板桁架钢筋沿构件长度方向布置

4 工程实例

某四川省成都市住宅项目工程，高层住宅均为剪力墙结构，设计时均按政府要求设计为装配式建筑，且需满足装配率不小于20 %，预制率不小于15 %。通过计算，最终确定预制构件种类有三种：预制底板、预制楼梯、预制灰渣混凝土空心隔墙板。其中1号楼阳台板为单向板(图6)，板长宽比为2.84，按《规程》要求，单向板桁架钢筋布置方向为主受力方向(短向)，在脱模、吊装过程中发现，预制底板在长度方向扰度较大，最终导致板开裂，甚至出现断板情况(图7)，将桁架钢筋方向更改为沿板长度方向以后，再未出现扰度过大而断板情况。

(a)阳台板(单向板)平面布置

(b)桁架钢筋沿主受力方向布置图6 工程实例阳台板布置

(a)桁架钢筋沿短向布置吊装情况

(b)桁架钢筋沿长方向布置吊装情况图7 桁架钢筋不同方向布置吊装情况

5 结论

本文通过计算、实例对比得出以下结论：

(1)通过比较和分析不同跨度和不同活荷载下叠合面抗剪承载能力，对于一般民用建筑，设置粗糙面即可抵抗叠合层的剪力，桁架筋的设置并非抵抗叠合面的剪力。桁架钢筋的作用更多表现为：增加构件刚度、作为施工“马镫”、作用“吊钩”等。

(2)当叠合板为单向板时，预制底板桁架钢筋的布置方向应沿构件长度方向布置，增加结构整体刚度，防止脱模、条状破坏。

(3)对“《规程》第6.6.7条规定：桁架钢筋应沿主受力方向布置”的理解应为“桁架钢筋应沿桁架钢筋起作用的方向布置”，而非简单理解为构件的主受力方向。