叠合楼板发展与研究综述

点击:    日期:2019-6-13 15:48:42

摘要: 随着建筑工业化的不断发展,装配整体式混凝土结构必将成为住宅建筑市场的主流,其中楼板体系在整个结构中所占的比重较大,叠合楼板结合了预制楼板和现浇楼板的优点,以其特有的优越性能得到广泛的应用。本文主要介绍了叠合楼板的受力特点及其分类,阐述了叠合楼板的优缺点,总结了国内外叠合楼板发展与研究现状,为推动我国建筑工业化发展提供有力支撑。


关键词:叠合楼板;分类;发展历程;研究现状


1、前言


随着建筑工业化的不断发展,传统粗放型的施工方式由于其劳动生产率低、能源消耗大、对环境污染严重,已无法满足现阶段住宅建造的需求,因此我们亟需改变传统住宅建造的方式。装配式混凝土结构是建筑工业化发展过程中主力推广的结构形式之一,而叠合楼板则是装配式混凝土结构的重要组成部分,其中楼板体系在整个结构中所占的比重较大且传统的施工工艺相对复杂,在一定程度上制约着整个工程的施工进度。因此,很有必要深入研究承载力高、抗震性能好、施工速度快、环保经济的新型叠合楼板,对推动建筑工业化的发展起着重要影响。


2、叠合楼板的受力特点及分类


2.1叠合楼板的受力特点


对于施工时在下方设置可靠安全支撑的一次受力叠合楼板,其受力特点与现浇混凝土楼板相似,对于不设置可靠安全支撑的二次受力叠合楼板,其受力特点如下:


(1)二次受力叠合楼板的受拉钢筋应力、挠度、曲率比相同条件下的现浇混凝土楼板大,这是由于在施工阶段预制底板的高度小于同条件的现浇混凝土楼板所致,称之为“钢筋应力超前”现象;


(2)二次受力叠合楼板在施工阶段,主要由预制底板的受压区混凝土承受压力,但到使用阶段时主要由后浇混凝土承受压力,这种由两种混凝土交替承压的情况导致后浇混凝土压应变比同条件现浇混凝土楼板的压应变要小的现象,称之为后浇混凝土“压应变滞后”现象。


2.2叠合楼板的分类


(1)按叠合楼板受力性能可以分为两类:“一次受力叠合楼板”与“二次受力叠合楼板”。


1)若在施工过程中预制底板吊装就位后,在其下方设置可靠的安全支撑,施工阶段的荷载全部由下方的支撑承受,预制底板仅起到了叠合层现浇混凝土模板的作用,待叠合层现浇混凝土达到要求强度以后拆除支撑,由两次浇筑后形成的叠合楼板承受使用阶段的全部荷载,这种叠合楼板的应力状态是由一次受力产生的,称之为“一次受力叠合楼板”。


2)若在施工过程中预制底板吊装就位后,其下方不设置支撑,直接让预制底板承受施工阶段的荷载,待其上部叠合层现浇混凝土达到设计强度后,再由两次浇筑形成的叠合结构承受使用阶段的全部荷载,这种叠合楼板的应力状态是由两次受力产生的,称之为“二次受力叠合楼板”。


(2)按构造形式不同主要有以下几种常见的叠合楼板:


1)钢筋桁架混凝土叠合楼板


钢筋桁架混凝土叠合楼板是将钢筋制作成钢筋桁架,并将其下半部分与混凝土浇筑在一起,形成预制底板,施工时将预制底板吊装至设计指定位置,在其上叠合层浇筑混凝土,从而形成钢筋桁架混凝土叠合楼板,如图1所示。



2)PK预应力混凝土叠合楼板


PK预应力混凝土叠合楼板是将底板制作成倒“T”型预制带肋薄板,预应力筋采用螺旋肋消除应力高强钢丝,肋上预留多个孔洞,施工时先将预制底板平铺,然后在肋上各孔洞内穿置横向穿孔钢筋,并在底板各拼缝处布置满足锚固长度要求的折线型或平行短筋,然后再浇筑混凝土形成PK预应力混凝土叠合楼板,如图2所示。



普通粗糙面预应力混凝土叠合楼板是在预制底板中配置预应力钢筋,叠合面设置为粗糙面,施工时将预制底板吊装就位,在支座处配置负弯矩钢筋,然后浇筑混凝土形成叠合楼板,如图3所示。


3)普通粗糙面预应力混凝土叠合楼板



4)钢筋桁架楼承板


钢筋桁架楼承板是将钢筋在工厂加工成钢筋桁架,并将钢筋桁架与镀锌钢板焊接成一体作为组合模板,运送至施工现场,将其直接铺设在钢梁上,进行简单的钢筋工程,便可浇筑混凝土,形成钢筋桁架楼承板,如图4所示。



5)压型钢板-混凝土组合楼板


压型钢板-混凝土组合楼板是利用凹凸相间的压型薄钢板作为底板(兼做模板),并在现浇层内布置钢筋,然后与混凝土浇筑在一起支承在钢梁上构成压型钢板-混凝土组合楼板。如图5所示。



6)SPD叠合预应力混凝土空心楼板


SPD叠合预应力混凝土空心楼板,是在预应力混凝土空心板(SP板)顶面经过工艺形成粗糙面上浇筑细石混凝土叠合层与SP板粘结成整体,共同受力的板。如图6所示。



7)预应力混凝土双T板


预应力混凝土双T板,是板、梁结合的预制钢筋混凝土承载构件,由宽大的面板和两根窄而高的肋组成,可在其面板上在后浇混凝土形成整体。如图7所示。



2.3  叠合楼板的优缺点


叠合楼板集现浇楼板与全预制楼板的优势于一身,主要有以下几个方面的优点:


(1)与全预制楼板相比,其整体刚度和抗震性能较好,与现浇楼板相比,其施工速度快,更有利于实现产业化生产;


(2)预制底板在工厂制造,机械化程度高,流水线生产速度快,构件品质得以保证,而且不受季节性影响;


(3)预制底板的模板可以重复使用,施工现场只需拼装预制底板,可兼做后浇混凝土的模板,大大降低支模工作量,减少现场湿作业,改善现场作业环境,提高施工效率,明显缩短工期;


(4)预制底板体积小、重量轻、运输与安装比较方便,与全装配式楼板比更具灵活性和适用性;


(5)采用预应力技术,减少用钢量,并改善受力性能;配合截面各部分的受力情况,利用不同等级和不同成分的混凝土可以节省水泥用量,经济效益显著;


(6)减少施工现场建筑垃圾,有效的控制了对周围环境的污染。


当然叠合楼板也存在着一些缺点,主要表现为以下几个方面:


(1)由于叠合楼板是由预制底板部分和叠合层现浇部分组成,这两部分混凝土存在着龄期上的差异,因而会存在收缩应力上的差别,当两部分的龄期差异越大,其收缩应力相差亦越大;


(2)实际施工过程中,叠合楼板的施工工序较多,节点构造较为复杂,要求构件安装的精细化程度比较高,因此对施工单位的施工质量管理提出更严格的要求;


(3)由于预制构件在工厂生产,需通过运输车辆送至施工现场,所以在交通不便的山区应用受到一定限制。


3、国内外叠合楼板发展与研究现状


3.1  国外叠合楼板研究发展历程


自上世纪20年代开始,国外将混凝土叠合技术首先运用于桥梁上,40年代到50 年代在房屋建筑中得到较大的发展,最初的混凝土叠合结构是钢梁与现浇板组合,或采用木梁与现浇混凝土板组合,之后发展成为预制钢筋混凝土构件或预应力混凝土构件与现浇板的组合结构。


波兰:20 世纪 50年代,在民建方面应用较广泛的是一种被称之为 “万能构件”的叠合板,该构件有槽型、工字型、方形、单肋式、双肋式等多种形式,另外一种是 DMSZ 式的叠合楼板,用预应力小梁作为预制构件,在其上搁置粘土空心砌块,最后再浇筑混凝土使三者共同工作,取得了良好的经济效果。


英国:在民建中运用最广泛的是“什塔儿唐”系统叠合楼面;英国混凝土有限公司还研究了一种“比藏”式预应力板(也称预应力混凝土薄板),其叠合面采用特制的“燕尾”型沟槽,以此保证新旧混凝土之间的粘结。


前苏联:20世纪60年代初,采用人工粗糙面的预应力薄板作为底板,在其上浇筑强度等级为 C7.5~C10 的陶粒混凝土,试验证明该叠合结构安全可靠,叠合面满足抗剪要求。


法国和西德:20世纪 70 年代,在预应力底板上设置抗剪钢筋,然后再现浇混凝土形成叠合楼板,通过系统的试验研究提出了相应的设计方法及规程。


日本:20世纪80、90年代,日本研发了多种形式的 PC 叠合板构件, 在民建、高层建筑及工业厂房中得到广泛应用,其中运用最广泛的是由叠合楼板、U 型半预制梁和口字型半预制柱构成,在现场拼装半预制构件然后浇注混凝土形成整体结构。


欧美国家最先应用压型钢板混凝土组合板,美国 Porter教授、Ekberg 教授首先在试验的基础上,提出了组合面纵向剪切承载能力的计算方法,进一步推动了组合板计算理论的发展。


3.2  国内叠合楼板研究发展历程


1961年同济大学朱伯龙教授研制了一种装配整体式密肋楼板,预制部分为I字型小梁与薄板,在其上现浇一层混凝土,这种楼板自重轻、施工快、经济指标好。


70年代末、80年代初,我国成立了由十余所高校组成的叠合结构科研专题组,通过试验研究认为,叠合面应做成粗糙面,并在保持表面清洁、无杂物和湿润状态下浇筑叠合层混凝土,对于厚度为25mm~40mm的预制薄板,可在表面抹平后再进行深度不少于2mm人工划毛。


1980年,北京市建筑工程研究所进行了两组共30块叠合板的试验研究,结果表明,叠合面预留结合筋试件的效果最好,其抗剪强度比整浇试件还高20%~30%,粗糙面和刻槽面的效果居次,而叠合面为抹光面的效果最差,试验中叠合面有明显错动,其破坏强度只整浇试件的50%。


1993年,侯建国等进行了43块预应力简支叠合板的静力加载试验,研究表明,叠合面的受剪承载力除与叠合面的粗糙度、后浇混凝土的强度等级、结合筋的配筋率及抗拉强度有关外,还与预制薄板的混凝土强度等级、叠合面位置的高低、剪跨比及预应力的大小等因素有关。


崔广仁等对预应力混凝土空心叠合整体板进行了均布加载试验,研究了试验板与相邻板通过叠合层整浇成整体板后的变形、裂缝、正截面承载能力等。


肖国通等通过试验研究了GRC混凝土叠合板的受力性能,探讨了其变形特征和破坏机理,由于GRC材料与后浇混凝土有良好的粘结性能,因此GRC叠合板可按同尺寸的混凝土截面考虑进行设计计算。


进入二十一世纪,叠合板的研究有了长足的发展,出现了更多研究成果。


周绪红、吴方伯等研发了一种“PK预应力混凝土叠合板”,预制底板采用预应力钢筋混凝土板,横截面设倒“T”形肋,肋上预留孔洞,施工时在孔洞内配置横向钢筋、预埋设备管线,浇筑叠合层混凝土即形成单向预应力双向配筋的混凝土叠合楼板。


刘汉朝等对倒“T”形叠合板进行了试验研究,研究结果表明:当倒“T”形板肋部面积合适且叠合面粗糙程度满足混凝土结构设计规范要求时,叠合面具有足够的粘结抗剪能力,能够保证叠合板的整体受力工作性能。


姜忻良等对陶粒叠合层叠合板的承载能力进行了研究,结果表明:无支撑槽形底板和叠合板的实测抗裂性能、抗弯承载力均高于理论计算值,具有较好的弹性恢复特性,陶粒叠合层减轻了自重,凹槽形底板能够保证施工中不加支撑的要求,凹槽形叠合面比矩形叠合面具有更好的抗剪性能和抗弯刚度。


聂建国教授等研究了高强混凝土叠合板试验,讨论了不同叠合面作法对叠合板抗剪性能的影响。另外还研究了闭口型压型钢板-混凝土板的纵向受剪性能以及闭口型压型钢板-混凝土组合板的受弯试验,提出了闭口型压型钢板-混凝土组合板的计算公式,完善了该新型组合板的承载力计算方法。


张敬书进行了14个正方形足尺预制带肋底板叠合板面内低周反复加载试验,并进行了数值分析和理论研究,通过叠合板与现浇板抗震性能的对比分析,认为预制带助底板叠合板的抗震性能与现浇板相当。


刘运林对双向叠合楼板拼缝处受力机理进行了研究,分析了拼缝处截面受力状态、拼缝处钢筋锚固受力状态和叠合面的受弯状态,探讨了格构钢筋对叠合楼板的刚度和承载的影响,最后提出了一种新型增强拼缝连接形式,并用试验验证了其受力性能。


罗荣基于“PK预应力混凝土叠合板”的研究基础上进行了创新改进,在 PK 预制底板混凝土肋上外包冷弯薄壁内卷边C型槽钢,形成PKG预应力混凝土叠合楼板,并对PK板和PKG板的承载力、刚度、预应力损失、变形等力学性能指标进行了对比分析,结果表明 PKG 板比 PK 板的受力性能更优越。


谭永超提出了一种“蜂窝孔压型钢板—混凝土叠合板”,它由开有规则蜂窝状孔洞的薄钢板经弯折或压轧成型的波形钢板,将蜂窝孔压型钢板的下翼缘和混凝土浇筑成一体。通过对其单向板和双向板进行静载试验,表明蜂窝孔压型钢板厚度和肋高对叠合板的刚度影响很大,双向叠合板在压型钢板肋和横向钢筋两个方向的刚度基本相近,表现出良好的双向受力特征。


赵培莉通过对5块新型钢筋混凝土部分叠合板的受弯性能试验,其中3块为简支单跨板,2块为双拼连续跨叠合板,分析了其从开裂、屈服到极限承载三阶段的破坏形态、裂缝分布以及挠度变形,研究表明新型钢筋混凝土部分叠合板受力可行,叠合面性能良好,没有剪切破坏现象,与全现浇混凝土结构性能差异很小。


冯明远提出一种“钢肋预应力混凝土叠合板(PCSSR板)”,通过8块足尺PCSSR试件的抗弯静载试验,表明板的破坏形态有典型的受弯破坏特征,其抗弯性能完全满足相关规范的规定和施工要求,増大上翼缘厚度和钢腹板高度可明显提高板的抗弯承载力和抗弯刚度,并通过理论分析,提出了板的抗弯、抗裂承载为和抗弯刚度的计算模型和计算方法。


黄超提出一种“页岩陶粒混凝土叠合楼板”,通过静力加载试验对其单向板和双向板的刚度、承载力、抗裂性能及叠合面的滑移性能进行了研究,试验表明所有试件在活荷载标准值作用下均处于弹性阶段,跨中挠度远小于规范限值,同等条件下试验中所采用的叠合楼板刚度和抗裂性要优于现浇楼板。


3.3  叠合楼板刚度及承载力研究现状


哈尔滨工业大学钱永梅,研究了单向带肋预制底板叠合成矩形板的双向受力效应理论,通过有限元计算结果,对提取出的跨中挠度值进行数值回归,并与单向叠合楼板挠度值比较,确定带裂缝状态下双向叠合板刚度影响系数。


天津大学沈春祥、胡小刚,对预应力混凝土双向叠合板进行试验研究与有限元分析,采用弹塑性理论对双向板的开裂荷载和极限承载力进行了计算分析,提出了开裂荷载的计算公式和极限承载力的上、下限计算方法。


浙江大学刘轶,对自承式桁架混凝土叠合楼板在施工阶段和使用阶段受力性能进行了试验研究,结合有限元分析,通过理论推导及简化假定,得出钢筋桁架混凝土叠合板预制截面刚度公式;经对比分析认为,可按现行《混凝土结构设计规范》对钢筋桁架混凝土叠合板正常使用阶段的刚度及极限承载能力进行计算。


天津大学吴学辉,通过ANSYS有限元分析,提出预制底板预应力施加过程、预制底板承受施工阶段荷载过程、叠合截面承受使用阶段荷载过程三个受力过程的短期刚度及挠度计算公式。


湖南大学龚江烈,通过对PK预应力混凝土叠合楼板的承载力性能试验研究,认为预制底板在第一阶段荷载作用下必须满足抗裂要求,预制截面的短期刚度采用弹性形式,考虑混凝土受拉区塑性变形的影响后,提出相应的短期刚度计算公式;预应力混凝土叠合楼板在第二阶段的短期刚度,可按现行《混凝土结构设计规范》进行计算。


合肥工业大学孙磊,通过对钢筋桁架楼板承载力试验研究及理论分析,结合规范和相关文献,提出了钢筋桁架楼板正截面受弯承载力计算公式,并给出了相关修正系数。


西安建筑科技大学马兰,通过对带肋钢筋桁架混凝土叠合楼板性能研究,对叠合楼板在施工阶段和使用阶段的刚度及承载力的计算方法进行了分析,参照规范已有公式,按“平均刚度法”对预制板短期刚度进行了推导,并指出采用现行《混凝土结构设计规范》计算叠合楼板在使用阶段的短期刚度及极限承载力,误差在可接受范围内。


安徽建筑大学吴飞,通过带钢桁架的叠合楼板受力性能以及刚度的试验研究,结合试验数据和有限元分析,得出带钢桁架的叠合楼板在不同阶段的短期刚度计算公式,并在此基础上,讨论了叠合楼板在长期荷载作用下的挠度计算方法。


湖南大学吴方伯、黄海林等,研究了板肋形式对预制带肋底板混凝土叠合板受弯性能的影响,结果表明:增设板肋的叠合板能达到与整浇板相同的受弯能力,并提出了预制带肋底板混凝土叠合板的开裂弯矩和极限弯矩计算式;对预制底板的刚度进行了试验研究,理论推导得到考虑肋上孔洞分布及肋端缺口的预制预应力带肋薄板弯曲挠度通用公式以及等效刚度公式,认为均布荷载作用下两端简支预制预应力带肋薄板短期刚度可按0.85倍等效刚度计算。


郑州大学赵琪乐,通过对18块预制底板,两两拼接形成9 块足尺叠合双向板进行极限承载力试验,对比后浇 300mm板带和密拼两种拼缝形式,研究了叠合板内力分布、变形、裂缝分布和破坏形式等特点。试验表明后浇300mm 拼缝形式拼接的叠合板具有更好的整体性,其开裂荷载比密拼板大34.1%左右。


4、结语


通过上文分析可知,叠合楼板具有整体性好、刚度大、节省模板、减少污染等优点,且易于实现工业化施工,大大提高了施工效率和质量。但是,由于目前叠合楼板在其计算模型的简化、结构分析,以及规范、标准和图集的编制等方面还不完整,所以,应不断加强叠合楼板的技术研究,尽快完善其理论体系,攻克叠合楼板密拼板缝处理技术及叠合楼板四周不出筋技术难题,为推动我国建筑工业化发展提供有力支撑。