预应力混凝土双T板结构性能研究与工程应用进展*

王晓锋 那振雅 赵广军 韩伟涛

(1.中冶建筑研究总院有限公司,北京 100088;2.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013)

1 概 述

建筑工业化是改变建筑业粗放生产模式、推动行业高质量发展的重要途径,发展装配式建筑是推动建筑工业化的重要举措。国家发布了多项推广装配式建筑的政策,装配式建筑发展受到行业普遍关注;2021年全国装配式建筑新开工面积已达7.4亿m2,其中装配式混凝土结构占比近七成[1],而各类预制混凝土板类构件是最主要的应用形式。预制预应力混凝土板类构件在经济性、建造效率等方面具有显著优势,是世界各国应用最广的板类构件。

预应力混凝土双T板(简称双T板)是最常用的预制预应力构件,采用高强混凝土与高强钢绞线,具有标准化程度高、生产方式简便、承载力大、安装免支撑及经济效益好等特点,广泛用于各类大跨工业和民用建筑的屋面板、楼面板,也可用于工业建筑外墙板[2]。随着建筑工业化进程推进,大跨、重载的装配式公共建筑、工业建筑建设量不断增多,推进双T板应用技术研究与工程应用具有重要经济与学术价值。

国外20世纪60年代已在厂房、停车楼等建筑中大规模使用双T板,长线台生产的双T板是北美地区应用最广泛的预制构件[3]。发达国家已形成较完备的双T板应用标准体系,如美国预制/预应力混凝土协会编写的《PCI设计手册》(第七版)[4],美国混凝土结构协会编制的ACI 318-19《混凝土结构设计规范》[5]等。

我国曾在20世纪70年代将跨度15 m以内的双T板用于厂房屋面,之后八九十年代随着现浇混凝土、轻钢结构的发展双T板应用量逐渐减少[6]。21世纪以来双T板先在黑龙江及沿海各省逐步恢复用于工业建筑屋面,并随着装配式建筑的推广在上海、江苏、深圳等地逐渐应用于各类多层建筑楼面。目前我国双T板有坡板和平板两种,跨度一般在9～30 m,多为单模生产,组合式模具的生产方式也在逐渐推广中[7]。中国建筑科学研究院于2006年牵头编制了国标图集SG432-1～3《预应力混凝土双T板》[8-10],为应用双T板的工程提供了依据;结合近年的研究成果与工程经验,近期又修订发布了新版国标图集18G432-1《预应力混凝土双T板》[11]。中国建筑科学研究院还主编了首部双T板产品标准T/CCES 6001—2020《预应力混凝土双T板》[12],填补了双T板产品领域的标准空白,为双T板应用、生产、检验等提供了依据。

本文总结双T板的研究与应用进展,并提出思考与探讨,以期为进一步发展双T板提供参考。

2 研究现状分析

2.1 文献要点数据

基于Web of Science 核心数据库和中国知网数据库中相关文献,对双T板研究与应用的要点进行总结分析。

1)Web of Science。

在Web of Science核心数据库中的Science Citation Index Expanded(1945年至今)搜索关键词“double tees”,通过人工剔除与本研究主题不相关的文献,共得到有效SCI文献162篇,其中PCI Journal是发表相关研究最多的期刊(92篇)。

基于统计得到的162篇文献,采用SATI 3.2软件对关键词频次进行统计,共涉及501个不同的关键词。通过对词语单复数、相同意思不同表达等进行手工处理,并去掉research、double tees、prestressed/precast concrete等与研究整体分析无关的词,最终得到频次大于等于4的关键词见图1。从图1可以看出,停车楼是双T板应用的主要场景,而设计、连接方式、抗震、施工为双T板研究的热点。

图1 关键词频次统计Fig.1 Keywords frequency statistics

2)中国知网。

截至2021年,在中国知网数据库中检索以“双T板”为主题的期刊文献共136篇,2000年后不同年份的发文数量统计见图2。由图2可知,2011年后发文数量逐渐增加,2017年后显著增多,这与装配式建筑推广政策及行业发展的时间点基本吻合。

通过对知网文献的阅读分析,发现文献研究重点主要在双T板的生产与应用,包括生产工艺、施工技术等;部分学者对双T板的受弯性能、端部及板面连接方式等进行了研究。

2.2 研究进展

2.2.1构件受力性能

双T板肋梁一般按单向简支受弯的预应力混凝土构件设计,面板按肋外悬挑、肋间连续的钢筋混凝土构件设计,设计方法相对成熟,对双T板受力性能的研究热点为高性能材料、新型截面形式、特殊工况等。

应用高性能材料可提高双T板受力性能与耐久性。Antonio进行了聚丙烯纤维增强自密实混凝土(SCFRC)双T板抗剪性能试验(图3),结果表明在板预应力分布均匀及端部区域,聚丙烯纤维增强自密实混凝土可代替部分抗剪钢筋,可采用Eurocode 2、ACI 318-19和Model Code 2010计算双T板抗剪强度[13]。Botros等进行了均布荷载作用下面板配置碳纤维增强复合材料(CFRP)网格筋的双T板抗弯试验和足尺面板承载力试验,提出了不同荷载条件下的双T板面板理论破坏模型及精度较高的面板承载力计算方法[14]。

图3 SCFRC双T板试验[13]Fig.3 SCFRC double tees test

John等对肋梁开洞双T板在均布荷载作用下的受力性能进行试验研究(图4),证明有限开洞的肋梁与不开洞的抗弯性能一致,给出了可开洞肋梁的计算流程与配筋构造[15]。周威等对停车楼结构有无后浇层双T板的抗弯性能进行试验研究,验证了有无后浇层双T板受力性能均满足要求;设置后浇层可明显提高双T板刚度,静载下裂缝和变形控制更有优势[16]。熊学玉等对两种跨度的足尺双T板抗弯性能开展研究,指出双T板预应力筋实际预应力与设计值最大偏差达14%,建议采取可靠措施确保有效预应力达到设计要求[17];我国GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015版)[18]中裂缝宽度计算方法应用于双T板计算结果偏小,但规范[18]对开裂弯矩、短期刚度和正截面承载力的计算较准确。芦静夫等对30 kN/m2活荷载的典型办公楼工程足尺双T板进行受力性能试验研究,结果表明双T板的受弯及受剪承载力均满足规范[18]和设计要求,并给出了防止生产过程中开裂的构造措施[19]。

图4 开洞板试验[15]Fig.4 Open hole plate test

现阶段常用双T板的构件设计已有完善的设计方法,可满足工程应用要求。为提高双T板的受力性能,可采用高性能材料、新型构造等方式,其性能和设计方法尚待进一步研究。

2.2.2端部连接方式

美国《PCI设计手册》(第七版)[4]和我国双T板标准图集[11]均提出了建议的端部连接方式。

我国双T板用于屋面板的端部连接方式主要为国标图集[11]提出的全截面双T板与支承构件焊接连接、螺栓连接,以及企口变截面双T板与带挑耳倒T形、L形支承梁连接。除我国方式外,《PCI设计手册》[4]、Poore等提出通过端部悬挑钢件将双T板与支承构件连接成整体(图5)[20]。对于双T板的支承构件,美式停车楼中多为预制梁或带小“牛腿”的预制墙,我国则以各类梁为主。

a—端部构造[20];b—与矩形梁连接节点实例。图5 悬挑钢件连接Fig.5 Overhang steel connection

文献[21-24]分别通过试验研究了企口变截面双T板的受力性能,揭示了企口的受力机理,给出了双T板企口的设计建议,国内企口双T板的工程应用可参考《PCI设计手册》[4]的设计方法。笔者研究团队完成了双T板端部预设悬挑钢件连接方式的研究,并提出了具体的构造措施和设计方法,可供工程应用参考[25-26]。

随着双T板在多层装配式混凝土结构应用越来越多,有必要综合考虑结构受力及构件制作、安装要求等因素,提出各类新型端部连接方式,对于连接处的传力路径、承载力计算方法及往复荷载下的力学性能有待深入研究,为进一步推广双T板的应用提供可靠支撑。

2.2.3构件抗火性能

抗火性能是双T板应用的关键问题之一。火灾作用下双T板的温度应力分布与受力性能及火灾后双T板性能评估鉴定方法需重点关注。

近些年国内外学者对双T板的抗火性能进行系列研究,文献[27-28]通过有限元方法对停车楼结构中车辆火灾条件下双T板的抗火性能进行研究(图6),研究结果表明：双T板抗车辆火灾性能满足要求,不建议使用普通建筑火灾的相关标准评估车辆火灾条件下双T板的抗火性能。文献[29-31]分析多因素对双T板抗火性能的影响,指出荷载量级、火灾情况、保护层厚度、边界条件等对双T板抗火性能影响较大;火灾中预应力筋长时间持续高温,冷却阶段温度残余变形和塑性变形显著,破坏可能发生在此阶段;Kodur等还提出了基于性能的双T板抗火设计方法[29]。傅日荣等利用ABAQUS软件对火灾条件下某厂房内双T板受力性能进行分析,提出高温下板支座处应力较大、易脱落;预应力筋受温度影响敏感,较普通钢筋力学性能退化快且高温后恢复性差,混凝土保护层厚度应能满足防火设计要求[32]。

图6 抗火有限元分析[27]Fig.6 Finite element analysis of fire resistance

火灾后鉴定与加固措施对双T板继续安全使用具有一定价值。Engin等对停车楼结构中两块受火灾影响双T板进行了鉴定评估(图7),发现受损板混凝土强度和弹性模量下降明显,并给出火灾后双T板挠度的计算方法[33]。Matthew等提出了火灾后双T板的非破损系统检测方法,包括外观检测、冲击回波法检测等,可对灾后双T板性能进行有效评估[34]。Brad等提出了改进的分层截面分析方法(MLSA)用于双T板火灾后的性能评估,案例分析表明MLSA方法可用于火灾后板的承载力和适用性评估[35]。

图7 现场载荷试验[33]Fig.7 Field load test

双T板的抗火性能受火灾基本情况、保护层厚度、边界条件等因素影响较大,对普通建筑火灾和车辆火灾应区别分析;火灾后双T板性能评估已有初步研究,但修复措施有待进一步完善。

2.2.4结构整体性能

双T板楼盖的主要功能是承担竖向荷载,同时也要传递水平荷载(地震、风荷载等)。

双T板面板连接节点可起到传递水平荷载的作用,其对构件间有效传力及结构整体性能影响较大。工程应用过程中,双T板板面连接分为干式连接、叠合连接和组合连接三种。干式连接为专用金属连接件焊接,由双T板面板和金属连接件共同来抵抗楼盖水平荷载(图8),在美国主要用于低抗震设防烈度地区;叠合连接由叠合层为主抵抗楼盖水平荷载,连接件只是在安装时起固定作用;组合连接是二者的结合,叠合层和连接件连接的双T板共同提供水平“隔板”作用[36]。Fattah等通过试验研究不同荷载条件下双T板面板采用JVI连接件(图9)的楼盖整体受力性能,验证了连接节点受力性能满足设计要求;节点变形性能和钢材材性关联性较大;水平往复剪切试验中,因接头表面混凝土破裂而发生破坏[37]。Clay等通过节点滞回试验,研究了各类连接件在拉-剪循环荷载共同作用下的力学性能,提出了连接件的设计方法;抗拉设计按照等效桁架模型计算,抗剪设计可采用等效桁架模型或美国规范(ACI 318-05)所提的摩擦抗剪模型来分析[38-39]。

图8 干式连接[36]Fig.8 Dry type connection

图9 JVI连接件Fig.9 JVI connector

北岭地震震害分析发现,双T板的面内变形对停车楼结构整体抗侧能力影响较大,面内变形计算及水平荷载如何传递给竖向构件、面板如何抵抗水平荷载是关键问题。Robert对预制混凝土停车楼结构中楼板的抗震性能进行了研究,发现双T板弯曲变形对结构侧向位移影响较大,可通过减小楼板的长宽比、增加抗侧构件或减小双T板的跨度来降低影响;当钢筋屈服后,楼板变形急剧增加;楼板变形影响结构动态反应;水平荷载作用下,楼板面内扭转对受力性能影响较大;板的受力状态和变形性能也受到节点强度的影响[40]。John等对采用双T板结构的整体抗震性能进行了研究,提出了双T板面内承载力的拉压杆计算模型[41]。Lee等对预制停车楼结构中楼板的地震响应进行研究,研究结果表明板的峰值剪力和弯矩是静力计算值的1～4倍;由于高阶振型影响,低楼层的抗侧需求较大;板面开洞、剪力墙布局对双T板受力性能影响较大[42]。Marco等对地震中应用双T板的工业厂房破坏情况进行数值模拟分析,指出地震作用下双T板与端承梁基于摩擦的连接节点(图10)不足以抵抗地震荷载,致双T板出现滑落,建议工业厂房要进行抗震专项设计[43]。金仁超等利用ABAQUS有限元软件对双T板的屈曲特征进行分析,得到双T板在水平地震力作用下的极限荷载;水平地震力以集中荷载的形式作用在双T板和下端梁的接触处,研究结果表明双T板基本满足抗震设防要求[44]。

图10 摩擦型节点Fig.10 Friction node

目前,应用双T板结构的整体性能研究表明,合理的节点设计可有效传递水平力、增加地震作用下结构整体耗能效果,但对构件及节点的抗震性能研究仍需不断深入。

2.2.5桥梁结构

双T板可满足大跨度的需求,在国外桥梁工程中广泛作为桥面结构构件应用,多位学者也对桥梁工程应用双T板进行了研究。

Rizkalla等对面板配置碳纤维增强复合材料网格筋代替钢筋网片的桥面双T板分别进行了均布、集中荷载作用受力性能研究,结合工程应用证明双T板承载能力和变形能力均满足要求[45]。Marc等对采用高强混凝土、钢筋网片和直径18 mm钢绞线的双T板进行试验研究(图11),表明[46]板受弯性能满足《美国公路桥梁设计规范》(AASHTO LRFD)[47]要求;试件跨高比可达33,经济效果显著。Victor等对动载作用下服役48 a桥梁中双T板性能进行有限元建模分析,分析结果[48]表明AASHTO规范中公式相对安全,并通过线性拟合提出了可预测双T内力分布的精确分析模型。Christopher等对服役48 a的轻质混凝土双T板受力性能进行试验研究和有限元分析,并与AASHTO规范计算值进行对比,指出[49]AASHTO规范计算方法低估了17.6%的预应力损失,高估了34%的受弯承载能力,误差出现的原因为板面劣化和露筋;双T板肋梁状况良好,AASHTO规范受剪计算结果误差在3%以内。

图11 弯曲试验[46]Fig.11 Bending test

参考双T板截面形式,美国预制/预应力东北技术委员会开发了一种名为NEXT(Northeast Extreme Tee)的双T梁(图12),主要用于短、中跨桥梁[50]。与常规双T板相比,NEXT双T梁肋更宽,适用于配置更多钢绞线的重载、大跨度桥梁结构;相比于箱型梁,NEXT双T梁生产工艺简单、运输方便,可提高建造速度、降低工程成本,且更容易观察梁底服役情况,可满足不同条件的工程需求[51-52]。

图12 NEXT双T梁与双T板[50]Fig.12 NEXT double tees beam and double tees

双T板/梁不仅可以提高桥梁建造效率,相比于箱型梁更容易进行检测,且不会有积水的问题。国内桥梁工程中鲜有双T板应用,可尝试开发满足桥梁工程需求的双T板,以扩大双T板应用范围。

3 工程实践

3.1 设计计算要点

常规工程结构应用双T板可根据实际的场地、跨度、荷载等条件,依据国家建筑标准图集18G432-1《预应力混凝土双T板》[11]选取构件。特殊情况下,图集中双T板允许荷载、截面和应用条件不能满足需求时,可进行专项设计。下面以双T平板为例介绍设计计算要点：

1)基本参数。混凝土、预应力筋等材料的等级与设计参数,计算跨度、宽度及面积、惯性矩、重心等截面参数。

2)共用参数。板自重、预应力损失值、预应力筋产生的混凝土法向应力等参数。

3)配筋计算。正截面受弯承载力计算,初定纵向受力钢筋数量与布置;验算最小配筋率,防止受弯开裂后突然脆断;抗裂与挠度验算,核算配筋、张拉力与放张强度等;受剪承载力计算,确定箍筋间距与构造;依据荷载和自重条件,通过面板承载计算确定板面配筋。

4)制作与施工验算。断筋验算、吊装验算、构件端部承载力验算等,必要时调整配筋、张拉力与放张强度等。

5)连接验算。竖向荷载、风荷载与水平地震作用下预埋件锚固、焊接及螺栓连接的验算。

综合以上要点,通过多次试算与迭代,最终确定双T板截面参数、预应力配筋数量、张拉系数、放张混凝土强度、构造配筋数量与位置、预埋件配筋数量等关键设计指标。对于考虑后浇混凝土叠合层受力的双T板,计算尚应考虑施工阶段无支撑的二次受力对于承载力计算、抗裂与挠度验算的影响。

3.2 工程应用简介

双T板广泛应用于国外的各类工程中,包括停车楼、工业厂房、桥梁等,其中美国全预制混凝土停车楼中双T板是最主要的水平构件。2014年建造的美国马萨诸塞州怀曼街停车楼共6层(图13),建筑面积约30 100 m2,共使用1 014个预制构件,包括351个双T板作为楼面板和停车屋面板;双T板端部采用企口构造形式以降低楼层高度;工程施工共耗时约6个月,工期效益显著[53]。2019年建造的北卡罗莱纳州联想停车楼共5层(图14),建筑面积约13 709 m2,共使用217个双T板;双T板端部为企口,支承梁为倒T形[54]。2015年建成的佛罗里达州西棕榈滩高架人行桥(图15),使用75个预制混凝土构件,其中25个2.1 m宽双T板构件作为桥面,双T板为全截面,支承梁为倒T形[55]。

图13 马萨诸塞州怀曼街停车楼[53]Fig.13 Parking garage on Wyman Street,Massachusetts

图14 北卡罗莱纳州联想停车楼[54]Fig.14 Lenovo parking deck,North Carolina

图15 佛罗里达州西棕榈滩高架人行桥[55]Fig.15 Sky bridge in West Palm Beach,Florida

我国双T板早期主要用于单层工业建筑的屋面板(图16),近年来随着装配式建筑发展与技术革新,陆续应用到大跨多层停车楼、办公楼等公共建筑中。长春一汽技术中心乘用车项目停车楼为国内首例全装配多层停车楼工程(图17),该工程为地上7层的双T板-剪力墙结构,楼面双T板最大跨度17.25 m、高度700 mm;板端部为企口截面,与剪力墙预留牛腿或倒T形梁连接[56]。上海颛桥万达广场工程为装配整体式框架结构(图18),总建筑面积约15万m2,是国内首次在多层商业建筑中应用双T板作为楼面;双T叠合板轴线跨度8.1 m,板宽2.7 m,叠合层厚度60 mm,地上部分预制加现浇施工仅用了72 d;经对双T叠合板和钢筋桁架叠合板加次梁的两种方案对比表明,双T板方案可降低造价约15%,且构件总数大幅降低,施工效率显著提高[57]。深圳市特区建工科工集团盛腾科技有限公司工业园厂房为国内首个PC工厂自产自建的全装配单层工业建筑(图19),工程屋面板、外墙板均采用双T平板,支承梁为倒T形;屋面双T板宽3 m、长27 m,每天吊装15块板,工期效益显著。

图16 国内某单层工业厂房[2]Fig.16 A single-storey industrial premises in China

图17 长春一汽停车楼项目[56]Fig.17 FAW parking deck project in Changchun

图18 上海颛桥万达广场双T板[57]Fig.18 Double tees of Zhuanqiao Wanda Plaza in Shanghai

图19 盛腾科技工业厂房Fig.19 Industrial park of Shengteng science and technology

3.3 工程发展

双T板施工阶段免支撑,可显著提高效率、缩短工期。双T板可广泛应用在各类厂房、仓储、停车、办公等建筑中,且在大跨、重载建筑中具有更显著的效益。在我国工业布局调整与装配式建筑发展的大形势下,双T板在各类建筑中拥有更广阔的应用前景。

因各地更加重视土地的高效利用,我国近期及未来将建设更多的楼面活荷载在1～3 kN/m2的多层仓储、物流建筑及标准工业厂房,而国外此类建筑多为单层建筑,双T板在如此大跨超重载楼面中的应用为中国特有场景,仍需通过研究解决工程设计的诸多问题。

随着我国汽车保有量不断增大,停车需求日趋增长,采用双T板作为水平构件的多层装配停车楼具有广阔的发展前景,可在借鉴美国经验的基础上建造符合我国特色的结构体系,同时也可在地下停车库中尝试应用双T板。

4 结论与展望

双T板作为最常用的预制预应力混凝土构件,在世界各国作为单层工业建筑的屋面板与外墙板、多层工业与民用建筑的楼面板、桥梁结构面板等广泛应用,其中在大跨重载装配楼面、全装配停车楼具有更好的应用效益。

国内外已在双T板受力性能、端部连接、构件抗火、结构整体等方面进行了较多研究,并已形成基本成熟的设计方法,可为双T板作为普通屋面板、楼面板、外墙板工程应用提供基本依据。

随着我国装配式建筑的发展及受劳动力成本上升等客观因素的影响,双T板在我国具有广阔的应用前景。考虑到我国特有的大跨超重载多层楼面及其他工程需求,建议下一步双T板研究与应用重点关注以下方面：

1)高性能材料。高性能混凝土和大直径钢绞线的应用,可提高双T板的受力性能、耐久性等,并减轻构件自重以适应更大结构跨度、楼面荷载。

2)优化截面形式。双T板面板宽度越大,结构中构件与连接接头数量越少,可降低生产成本和安装工作量;增加双T板跨度,可适应不同的应用场景;高度可变、肋梁开洞等新型截面形式,可扩展应用场景;进一步优化双T板截面形式以适应更先进、高效的生产方式,最终提高综合效益。

3)连接构造。改进端部连接和板面连接方式,以提高结构整体性及抗震、抗火性能,提升构件加工与安装效率;开发满足不同连接需求的专用连接件;对于重载楼面,提出可靠的板面防裂或裂缝引导措施。

4)专用装备。改进生产、运输、吊装及外墙板临时支撑装备(设备),研发新的牵引、运输方式,以适应更大宽度、跨度双T板的运输和吊装。

5)鉴定与加固。对服役期满或受损双T板是否继续使用的评估和鉴定方法,双T板加固改造措施,均需进一步研究,对节约资源、保护环境意义重大。