装配式钢结构的发展及叠合楼板产业关键问题研究

雷成 徐驰 陈芮 熊振宇

摘 要：通过高度概括装配式建筑国内外发展历程、现状与前景，系统归纳总结了装配式叠合楼板的分类与特性，提出我国发展装配式建筑产业化的关键性问题及解决办法。

关键词：装配式建筑；叠合楼板；产业化

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.082

1 國内装配式建筑发展

1.1 国内装配式钢结构住宅发展现状

目前我国开始普及钢结构装配式住宅，在全国各地区都开始了钢结构住宅试点工程，在国家和地区的政策扶持下，钢结构的工艺得到逐步完善，施工流程也形成了一定的规范，我国建筑行业也趋向工业化。

调查显示，2021年全国钢结构建筑面积达到2.1亿平方米，而在全国新建建筑占比只有6.9%。钢结构建筑比我国只有5%～7%。因钢结构的成本较高，以及防火抗震隔音等性能的不足，所以钢结构在住宅领域的渗透率尤为低，钢结构住宅在所有新建建筑的比例仅为1%。我国钢结构建筑用钢量仅为钢产量的20%，建筑的主体结构大多还是采用钢筋混凝土，钢结构用量的占比很低。总的来说，我国住宅钢结构装配化的程度还很低。具有很大的发展空间。

1.2 装配式钢结构住宅的发展前景

近年来，在国家不断出台的政策支持下，我国钢结构行业的科技创新和建设技术都得到了显著的提升，钢结构住宅技术不断走向成熟。面对人口生育率降低，人口老龄化加剧的社会，传统制造业正面临人工成本日益提升的难题，这也影响着我国住宅产业从钢筋混凝土向钢结构的转型。随着居民购房和住房的需求不断提升以及对住宅的质量要求的不断提高，住宅产业化是我国住宅业发展的一大趋势，而相对于钢筋混凝土住宅，装配式钢结构住宅体系更具有符合工业化生产的条件。不仅是采用了节能环保的材料，而且施工产生的污染也远远小于混凝土建筑。装配式钢结构建筑在绿色环保，施工进度，建筑综合性能，施工污染等方面具有较为明显的优势。推动装配式钢结构的发展不仅是推动我国建筑行业的发展，更是推动我国可持续发展战略的实施。装配式钢结构住宅的优点将日益显现，市场地位也将逐步提升，我国装配式钢结构住宅建筑产业化也会是建行行业发展的大趋势。

2 国外装配式建筑发展

2.1 国外装配式建筑发展现状

20世纪80年代以前，我国装配式建筑还未开始发展。虽然现在我国装配式建筑取得一定的进步，但仍处于低水平阶段。我们仍需向发达国家学习装配式建筑的发展。表1为世界装配式建筑发达国家的技术发展成果对比。

2.2 国外装配式建筑发展前景

全球方面，2022年全球装配式建筑市场规模已达3588亿美元。随着工业化程度的提高，装配式建筑的地位越来越重要，全球装配式建筑市场也将迅速发展，预计到2026年全球装配式建筑市场规模将突破6000亿美元大关。

3 装配式钢结构叠合楼板设计

3.1 叠合楼板分类及构造

叠合楼板是使用预制板，现浇混凝土层共同合成打造的一种楼板，是一种组合板面。在工厂提前制成下部构件，混凝土是现场浇筑而成。叠合楼板分为预制板和现浇混凝土两部分，同时具有预制构件和现浇构件的特点，综合性能强，楼板的质量高，施工工期短，还可以节约成本，但在叠合面黏结力等方面还有所欠缺、比较容易产生裂缝。

文献[1]规定叠合楼板中预制板厚度、后浇混凝土叠合层厚度均不宜小于60mm。叠合楼板的形式很多，不同的材料和构造形式使得受力性能和施工工艺有些差异。研究报告将现行叠合楼板大体为三类，一是传统型叠合楼板，二是改进型叠合楼板，三是新型叠合楼板。

（1）传统型叠合楼板。传统型叠合楼板是叠合板的基础形式，这三类叠合板是其他的和楼板形成的基础。刘洋指出叠合板主要通过提高底板带肋、预应力、空腔三大技术来加强其受力性能。根据这三大技术，将传统型叠合楼板分为三类预应力平板叠合楼板、倒“T”形叠合板、预应力空心叠合板。

（2）改进型叠合楼板。改进型叠合楼板应用较广，改进传统型叠合楼板的构造形式和材料，提高了叠合楼板的综合性能。将改进型叠合楼板进行分类，可以分为三类，预制带肋混凝土叠合楼板、钢筋桁架混凝土叠合楼板、新型预应力空心叠合板。

（3）新型叠合楼板。除了传统型和改进型叠合楼板，还有新型叠合楼板，但目前市场上并不普及，还需要深入地系统研究。但这类叠合板品种很多：陶粒叠合层叠合楼板、钢筋桁架发泡水泥夹芯叠合楼板、预制带肋钢筋桁架叠合板、灌浆钢管桁架叠合楼板、波纹钢腹板预应力混凝土叠合楼板。

3.2 叠合楼板力学性能比较

叠合板按照力学性能分为一次构件和二次构件。若施工阶段使用支撑，构件在使用阶段开始承受荷载，这种方式生产的构件叫作一次构件；若施工阶段不使用支撑，构件受力分为两个阶段，第一阶段是预制层单独承载荷载，第二阶段是叠合楼板作为整体受力，这种方式生产构件叫作二次构件。文献[3]、[4]、[5]规定平板叠合板和钢筋桁架叠合板均需设置可靠支撑，预制带肋底板叠合楼板按情况选择是否需要设置可靠支撑。目前叠合楼板的受力性能和叠合楼板性能提高的改进因素是国内学者关注的重点。

（1）传统型叠合楼板。2003年李耀庄、蒋青青等对预制倒“T”形叠合板和通过负弯矩钢筋连接的两跨倒“T”形叠合连续板进行均布静荷载试验。结果表明：连续板产生裂缝后，到达极限荷载，但未直接破坏，具有较好的延性，整体性能表现良好。

（2）钢筋桁架混凝土叠合楼板。作为应用比较广泛的一类叠合楼板，试验主要集中于探讨影响钢筋桁架叠合楼板的因素。

2013年马兰、陈向荣等对尺寸为3900×2500×120的钢筋桁架叠合楼板进行试验研究，模拟增加施工荷载后的受力情况，对比分析叠合板和预制板的裂缝和挠度发展情况，研究发现：预制板在施工阶段的短期刚度保证构件受力的合理性，叠合面不需要进行抗剪验算。在 ANSYS有限元分析的基础上，对带支撑结构的短期刚度进行了分析，得出了钢筋桁架的高度和上弦钢筋的直径对叠合板的短期刚度及强度有较大的改善作用。

2014年王元清等通过ABAQUS软件对3600×3000×140的钢筋桁架混凝土双向叠合楼板进行有限元建模，探究在不同约束条件和不同叠合层厚度占比（含现浇板）对双向叠合板受力性能的影响。荷载-挠度曲线表明：约束越强，叠合板承载能力越强。

（3）预制带肋钢筋混凝土叠合楼板。吴方伯团队研究了多种叠合楼板的性能，提出了预制带肋叠合楼板，针对这种叠合楼板进行了大量试验，探讨了两种肋形的预制带肋钢筋混凝土叠合楼板的承载力、抗剪能力、疲劳性能等。

2011年对矩形肋的叠合楼板进行试验研究，对叠合楼板进行静载试验，比较单跨和两跨连续叠合楼板受力性能的差异。研究发现，在施工过程中，预制构件的受力性能基本达到了设计要求，在施工过程中不需要设置任何的支撑力。单跨叠合楼板的裂缝首先出现在跨中，叠合面始终未出现裂缝，叠合楼板出现裂缝的承载力小于极限承载力，单跨叠合楼板具有良好的延性和刚度。连续叠合楼板裂缝先出现在支座，提出取25%的支座调幅值，提高连续叠合楼板的抗裂性能。

2014年对不带肋、无孔洞的矩形肋、有孔洞的矩形肋叠合楼板，进行单向拟静力试验，探究预制带肋混凝土叠合楼板的抗剪能力。结果表明：在80%的极限荷载时，叠合楼板出现第一条裂缝，有孔洞的矩形肋叠合楼板裂缝没向水平向发展。从滞回曲线、骨架曲线看，有孔洞的带肋叠合楼板承载力更强，叠合面的抗滑移能力更好。

（4）预应力空心叠合楼板。

2005年赵成文、陈洪亮通过整浇板和空腹叠合楼板的对比试验，探究叠合楼板的抗剪能力、承载力。单跨简支叠合楼板叠合接触比例16%时，荷载尚未达到抗裂检验荷载允许值时叠合楼板开裂、未达承载力检验值时叠合层破坏。加大叠合层接触比例至27%，抗剪性能提高，叠合层未出现滑移。连续叠合楼板中跨的承载能力明显高于低跨叠合楼板。

2007年刘亚敏、吴方伯等未浇注叠合层与浇注叠合层两种情况下的圆形叠合楼面板进行了静力加载试验，对其受力特性及失效模式进行了分析。实验结果显示，该结构在破坏过程中表现出了显著的延时破坏特点。试验结果表明，在标准荷载作用下，各构件均未发生裂纹，且在极限承载力作用下，叠合板在水平方向上的抗裂性和抗剪性均较好。在标准荷载作用下，叠合层板弯矩很小，跨中弯矩/跨距只有1/835的1/835，因此，在实际应用中无需对叠合层板弯矩进行校核。

（5）新型叠合楼板。

2013年侯和涛、马天翔等通过单向均布加载试验，研究上翼缘厚度、腹板有无开孔、腹板厚度对波纹钢腹板叠合楼板受力性能的影响。结果表明：构件最终被钢腹板切裂破坏，建议加强钢腹板与混凝土的黏结。腹板厚度1.5mm、2mm时，荷载-挠度曲线几乎重合，推测2700mm跨度时，腹板厚度选用1.5mm最佳。上翼缘厚度由30mm增至35mm时，刚度提高，极限承载力增加约15%，推测出上翼缘厚度的增加对抗弯极限承载力和抗弯刚度的增强有利。

2017年侯和涛、蓝如海等对两端简支的钢筋桁架叠合板和灌浆钢筋桁架叠合板进行均布荷载试验，分析挠度值和开裂情况。出现第一条裂缝后，钢筋桁架混凝土叠合楼板的荷载-挠度曲线迅速变化，不满足荷载要求。灌浆钢筋混凝土叠合楼板4.16 kN/m2出现第一条裂缝到4.16 kN/m2混凝土破坏过程中，挠度变大，但仍可以承受荷载，属于延性破坏。提出计算挠度时，砂浆和钢管看作整体，统一换算成混凝土截面，灌浆钢筋混凝土叠合楼板的刚度由底板混凝土截面和换算后的混凝土截面共同组成。

4 产业化关键性问题

4.1 设计方面

在预制装配式建筑构件系统中，装配式建筑模板在力学性能和抗震性方面还有所缺陷，不能应用于地震多发带。

在多、高层的建筑结构中，楼板作为主要水平构件，但传递，分配，协调各种水平荷载。但是，当前的楼盖设计多考虑了垂直荷载，而对水平荷载的研究较少，导致了结构抗震连接的薄弱。

对叠合楼盖而言，其抗剪、抗拉主要依靠现浇混凝土和钢筋，而预埋件则几乎没有抗剪、抗拉的作用。

4.2 施工方面

（1）叠合板运输难度大。PC预制构件中叠合楼板生产完成后，在运输和吊装的时候很容易产生裂缝或者是断裂的现象，叠合板的运输难度较大，实际施工过程中应该制定合理的运输方案。

（2）叠合板拼接构造处理。错位，灌浆不足等现象在PC预制构件中叠合楼板在拼接时也会经常出现。在实际操作中灌浆作业内部结构复杂，灌浆工作的检验困难。

4.3 政策扶持

国家及各地方政府均制定了相关的规定文件，在一定程度促进了装配式建筑的发展，然而对我国建筑领域而言，在许多地区，虽然采用了装配式建筑模式，但政策落实效果未能达到预期效果。这也使得装配式建筑的发展任重而道远。

5 疊合楼板产业化问题的解决

产业化的本质是建筑设计的构件、部品要实现标准化、模块化。国外的钢结构产业化较成熟，我国可以借鉴国外的经验实现钢结构住宅产业化。

5.1 标准规划体系

国务院和各省市指导意见中重点指出了要建立健全标准规划体系，实现装配式建筑的规模化发展。标准规划体系建设需要政府引导，企业、学校、研究所互相探讨，理论联系实际，积极推进出台相关图集、技术标准、计价定额等。

5.2 叠合楼板产业化工作流程分析

（1）标准化设计。我国有钢结构体系，但是缺乏配套的墙板、楼板体系。完善配套的三板体系，需要实现设计、生产、施工的一体化，国家需要出台成套的标准规范，指导设计、生产、施工。建筑部2015年颁布文献，从主体、内装、外装三部分推进实现建筑产业化。钢结构中需继续完善设计规范、施工指导规范、节点连接等。叠合板方面，已有文献[5]规范图集规定叠合楼板的尺寸、构造，但是叠合楼板种类多，政府应该加强和高校的合作，加快推进更多性能优良的叠合楼板的规范建设，实现设计的标准化、模数化。

（2）工厂化生产。叠合楼板的预制层施工顺序如图2，实现在工厂机械化加工，提高劳动生产率，缩短施工工期，降低成本。由于工厂只是完成叠合楼板制作的一部分，预制层还需要在施工现场和现浇层结合，形成整理，共同承受能力，所以预制层制作需要满足规定，表面做成凹凸不小于4mm的人工粗糙层，保证叠合层的抗剪能力。混凝土浇筑完成后，按照规定进行放置养护，养护成型后，应当对叠合层进行处理，出模后应对粗糙面进行冲洗，以防冲刷不掉。

（3）装配化施工。叠合楼板预制层在工厂提前加工生产完成，预制层只需运至现场进行拼装，拼装完成后作为模板，可以直接浇筑现浇层混凝土。图3详述了叠合楼板施工的工艺顺序，安装支撑、吊装、拼缝处理是叠合楼板施工的关键工序。主流的连接方式有两种，机械式连接和浇筑式连接，一般情况选择机械式连接，双向叠合楼板采用后浇带形式连接，接缝设置在受力较小部位；单向叠合楼板增加构造钢筋，加强连接。

6 结论

随着我国建筑装配式的推进和钢结构住宅的推广，装配式钢结构住宅的优势也将越发显现，我们更应加强对配套三板体系的重视。本研究报告基于此，分析归纳了多种叠合楼板，总结了叠合楼板的不同形式和特点，探究不同叠合楼板的受力性能。结合国家关于推进装配式建筑的相关政策，从标准化设计、工厂化加工、装配化施工三个维度探讨了叠合楼板的产业化，希望各方能够积极配合，尽早出台技术标准、图集，积极研发新材料、新技术、新工艺，实现装配式建筑的产业化。

在对叠合楼板的探讨研究中发现我国和国外的成熟体系还有一定的差距，针对上述的研究，对叠合楼板的发展和产业化提出以下建议：

（1）严格遵守现行标准和技术规程，进一步提出并完善叠合楼板相关规范。叠合楼板设计和施工应严格遵守混凝土结构设计、施工技术及施工质量验收规范的规定，发布了相关技术规程的叠合楼板类型可参考规程要求。有关部门加快出台叠合楼板的产品标准，统一对质量的检验和评定，规范叠合楼板的设计和施工。

（2）对不同类型的叠合楼板进一步深入和系统地研究和分析。除正常使用荷载下的加载试验外，加强对破坏性试验的研究，分析叠合楼板在二次受力特征下的内力分布特征，探讨对内力分布产生影响的各种因素。

（3）完善施工工艺，加强施工方案设置。保证结构的安全性和施工的简便性，充分发挥叠合楼板绿色、施工快的优点。

（4）试点推行叠合楼板，选择部分地区，使用叠合楼板。一方面，政策激励、推动叠合楼板的发展研究，另一方面，通过实践，改进完善叠合楼板的不足，致力于研究一款施工方便、承载力强的叠合楼板。

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