钢筋桁架楼承板裂缝控制创新施工工艺探讨

茹幸，姬永铁，李波，张聪

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100071）

1 引言

作为新型楼板组合的代表， 钢筋桁架楼承板和现浇板存在明显区别，前者具有施工难度小、成本低和速度快等优点，现已在建筑市场得到广泛运用。 施工期间，楼承板有较大概率出现裂缝，影响最终效果，以往国内外学者针对钢筋桁架所展开的研究多集中于钢筋桁架特点、施工方案上，本文将目光聚焦于楼承板， 根据裂缝成因和试验结果研发全新的施工技术——拱架悬挂施工技术，最终获得远超预期的理想效果。 将拱架悬挂施工用于大跨度、超高建筑施工，可使施工质量、安全及效率得到不同程度的提升，其现实意义有目共睹。

2 项目概况

某地政府计划对博物馆内文化宫进行改建， 项目建筑面积约为31 000 m2， 由3 层群体建筑组成， 主体建筑的层高为5~21 m，内部跨度最大能达60 m。 建筑结构均选用钢框架，搭配钢筋混凝土楼板，特殊区域增设厚度为5mm 的钢板，以确保刚度达到设计要求。 随着时间的推移，原有楼板出现多个裂缝，鉴于此，客户方要求施工人员用钢筋桁架楼承板替代原有楼板，且楼承板底部装有0.5 mm 厚镀锌钢板，另外，改建后，建筑结构的抗震设防烈度要求达到8 度。

3 楼承板开裂

3.1 常见原因

上弦、腹杆和下弦均为钢筋的桁架为钢筋桁架，该桁架通过电阻点焊的方式和底板相连所形成承重板，即为本文所讨论的楼承板，该类楼承板属于典型的无支撑压型楼承板（见图1）[1]。 其优点在于支持机械化生产，可保证钢筋间距相等、保护层厚度相同，使楼板质量达到预期水平；拆装连接件、模板的速度较快， 上述构件均能重复使用， 与当今社会所倡导的环保、节能要求相符；现场施工量明显少于传统工艺，可在保证施工安全的前提下缩短工期，达到文明施工的最终目的[2]。

图1 钢筋桁架楼承板

当然，该楼承板也存在明显不足，即较易损坏。 楼承板出现裂缝的原因较多，常见原因包括：其一，施工荷载集中，使楼承板短时间内严重变形，出现裂缝；其二，施工用商品混凝土的配合比与现场情况不符；其三，楼承板实际施工跨度超出设计范围允许的跨度上限，致使楼承板主体变形并开裂；其四，在温度较高的夏季进行施工，未及时养护收面，使收面开裂；其五，通过泵送的方式浇筑，泵管频繁震动，使楼承板开裂。 上述原因中，混凝土配合比、天气和浇筑方式的控制难度较小，变形裂缝的控制难度极大。 鉴于此，在探究问题成因时，应选择结构跨度完全一致的楼承板，在相同楼层、区域进行试验，确定变形程度最为严重的部位后，再对支撑体系进行设计，以确保设计方案具有可行性。

3.2 探究方案

参与本次试验的钢筋桁架尺寸见表1。

表1 钢筋桁架尺寸

通过焊接的方式，对楼承板、应力应变器进行连接，如实记录钢筋受力、变形情况。 在混凝土内设置应力计，经由应力计了解不同强度混凝土的应力。 利用应变计对主梁、次梁状态和变形程度加以了解。 楼承板下方装有千分表，其作用是显示浇筑对楼承板挠度产生的影响。 百分表负责监测钢梁应变、支撑立杆轴力值。

为准确掌握开裂原因， 施工方设置加撑组和不加撑组分别进行分析，任一跨板跨中均设有一排钢管支撑，相邻立杆之间的距离为1.2 m，另外，还在顶托表面增设了通长木枋[3]。 施工方严格按照设计方案提出的要求浇筑、 振捣并且养护混凝土，保护层平整度和厚度均符合规定。 待浇筑混凝土的环节告一段落，不加撑板跨中挠度在18 mm 左右，加撑的挠度在7 mm左右。 外在表现为： 不加撑的楼承板在短时间内出现多个裂缝，且裂缝沿钢筋桁架走向延伸，缝宽最大能达1.0 mm 左右，而加撑楼承板并未出现裂缝。

4 控制工艺讨论

经过分析可知， 导致楼承板出现裂缝的原因主要是其挠曲变形程度超出允许范围，考虑到安装脚手架存在速度慢、成本高等因素，且建筑层高偏高，难以保障施工人员安全，施工方应结合现场工况、 常规工艺和自身经验， 对控制裂缝的工艺进行创新，放弃底部增设支撑的做法，改用悬挂拱架对挠曲变形程度加以控制，进而达到避免楼承板开裂的目的。 全新控制工艺如下。

4.1 设计方案

从结构力学的角度分析， 单拱结构的拱脚需要承受水平推力，除拱脚外的其他部位则需要承受压力。 要想将拱结构作为受力结构， 关键要消除拱脚推力给钢梁造成的影响， 鉴于此，对拱架悬挂体系进行设计时，可先利用弹性变形程度有限的塑钢钢筋，对各拱脚加以连接，再利用拱脚系杆对花篮螺栓（见图2）进行连接，将钢梁侧面弯矩的概率降至最低。

图2 花篮螺栓

4.2 控制原理

本项目中，钢拱架为主要受力构架，需要借鉴三铰拱受力原理，利用拱脚系杆对水平推力进行消除。 花篮螺栓负责连接楼承板与吊杆，通过打造弹性支承的方式，对楼承板整体挠曲变形程度加以控制。 其中，吊杆的作用是向拱架传递混凝土自重、施工荷载、楼承板自重，在拱脚系杆、拱架的作用下，确保竖向荷载能够经由临时支座顺利到达钢框架梁内部。 浇筑商品混凝土期间，钢结构、楼承板及拱架的变形程度始终保持一致，真正做到通过控制楼承板整体挠曲变形程度的方式，将混凝土裂缝数量、深度控制在允许范围内。 普通悬挂拱架可以拆分成以下部分：半拱架、吊杆、吊耳、花篮螺栓、拱脚系杆、斜撑、拱顶拉杆、临时支座[4]。 本项目所使用的拱架为加节拱架，整体结构如图3 所示。

图3 加节拱架结构图

4.3 连接方式

4.3.1 悬挂拱架

钢拱架由中间带有支座的半拱架、边缘带有支座的半拱架组成，临时支座通过螺栓与钢梁、拱脚相连，拱顶同样用螺栓加固，以上构件共同组成三铰拱。 拱架与半拱架组成多跨、单跨拱架。 不同的半拱架可经由拱顶预设螺栓相连。 钢框架梁与临时支座的连接点通过焊接加固，临时支座经由螺栓和拱脚相连。

4.3.2 其他构件

待安装拱架主体的工作告一段落，尽快连接吊杆与吊耳、吊杆与楼承板，其中，吊杆上部与吊耳相连，下部经由花篮螺栓与楼承板的分布筋相连，通过紧固、拧松花篮螺栓的方式，对楼承板整体预拱度、挠度加以控制。

在本项目中，为消除拱脚推力所造成影响，设计人员决定将花篮螺栓、拱脚系杆相连，此时，拱脚只需承受竖向荷载即可，随着竖向荷载经由钢框架梁到达钢柱内部，钢框架梁受扭的问题迎刃而解。 计算吊点数量、相邻吊点之间的距离时，应重点考虑拱架吊杆、楼承板共同受力的工况，根据吊杆作用点所能辐射的范围，对荷载取值加以确定，正常情况下，取施工荷载、板自重的1/3，确保任一吊杆所分配荷载值相同，每个吊耳均有吊杆对应，吊耳、吊杆数量和距离完全相同。 斜撑、拱顶拉杆负责对拱架所具有外稳定性加以控制。 实际施工中，可以根据实际情况对连接方式加以选择， 符合本项目要求的连接方式有扣件连接、焊接，另外，斜撑、拱顶拉杆的材料也并不唯一，常用材料包括角钢和钢管，同样要视情况选择。 需明确，若板跨度发生改变，应以现有三铰拱为基础，在拱顶增设相应的水平加节，通过对拱架跨度加以调节的方式，使拱架覆盖范围达到理想水平。 但增设水平加节会使拱架形态由三铰拱改变成梯形拱架，铰接点随之变成四铰梯形拱。 如果需要计算拱架受力，应将拱身视为梁，并根据其所承受弯矩大小和拱高对系杆拉力加以确定。

4.4 施工要点

作为一项全新的施工技术，拱架悬挂施工所适用拱架形式较多，包括但不限于桁架拱、钢管拱及工字钢拱，以拱架截面小、受力科学为依据，分别在楼承板主梁、次梁恰当位置增设永久性支座，对拱架进行可靠连接，同时利用吊杆对施工荷载、楼承板荷载加以传递，可确保荷载经由拱架到达主梁、次梁，使钢结构、楼承板还有拱架成为整体，并为日后协同作业提供先决条件。 楼承板、吊杆连接处，需要提前设置直径符合要求的短钢筋，通过将短钢筋接入吊杆吊钩的方式，使吊杆所承受作用力平均分布到不同的桁架上，有效解决由于单点吊力超出构件所能承受范围，导致镀锌盘焊点、桁架筋被破坏的情况。 事实证明，上述工艺具有施工速度快、支持独立施工和工程量少等优点，可将楼承板开裂的概率降至最低，将其用于大跨度结构建筑的施工，能在保证施工质量的前提下缩短工期，施工结束后，可将拱架回收并应用在公路支护项目中，具有良好的经济性。

5 结语

研究发现，与安装脚手架的传统工艺相比，拱架悬挂施工更加经济且安全， 不仅能在极大程度上减少安装脚手架的工程量，还可使施工速度始终维持在较为理想的水平，将其用于跨度较大、层高偏高的项目中，通常能取得事半功倍的效果。本文以实际项目为例，确定导致楼承板出现裂缝的原因后，从多个角度对控制挠度的工艺展开讨论， 以拱桥施工所积累经验为依据，最终决定改用拱架悬挂施工。 现阶段，本项目已顺利竣工并投入使用，实际效果表明，拱架悬挂施工既能够缩短项目工期，又可将楼承板出现裂缝的概率降至最低，对日后大范围推广钢结构楼板具有重要意义。