新型预应力钢纤维密肋复合楼盖的特点及应用

肖光发

(中铁一局电务工程有限公司，陕西西安 710054)

0 引言

新型复合墙板结构是随着我国墙体及住宅体系改革而发展起来的一种新型结构形式，具有抗震性能好，节能效果好，施工速度快等优点，目前已得到国家建设部鉴定并成为重点推广的新型结构体系之一。但是目前新型复合墙板结构主要应用于小跨度结构，而且楼板主要采用传统的钢筋混凝土平板结构，在受力、保温隔热及抗震性能方面存在着一定的缺陷，这也成为阻碍该新型复合墙板结构进一步应用与发展的重要因素。

本文首先对大跨结构中常用的预应力密肋楼盖存在的问题进行了叙述，然后根据存在的问题提出了一种新型的密肋复合楼盖，并对其组成、特点等进行介绍，为该结构体系的应用和推广打下基础。

1 预应力密肋楼盖结构的缺点

1.1 模板费用高

最初密肋楼盖模板主要采用钢模板、木模板、钢筋混凝土模板以及玻璃模板，但是由于模板价格高导致模板系统的一次性投入很大，而且模板与混凝土较易粘结，施工比较困难。20世纪70年代塑料模壳的出现促进了密肋楼盖结构的发展与应用，目前应用较多的是玻璃钢模板和聚丙烯塑料模板，但是仍然存在模板系统投入较大的问题，并且模板规格较少，导致在设计时肋间距、肋高及肋宽等都受到了一定的制约，结构布置不灵活，从而使得设计人员的设计积极性不高，制约了此类结构的应用和推广。

1.2 支撑复杂

密肋楼盖由于肋梁数量大、间距小，所以施工程序复杂，支模拆模的工作量非常大，不但增大了施工阶段的人力物力支出，而且延长了工期，这也限制了施工单位推广和使用密肋楼盖结构的积极性。

1.3 结构延性降低

采用预应力密肋楼盖，能够减小结构的挠度，限制裂缝的出现和延展，提高结构在正常使用状态下的结构性能。此外，采用预应力可减小肋梁及楼板的截面高度，这不但降低结构的层高及总高，提高结构抗震性能，而且能明显提高结构的经济效益。对预应力混凝土密肋楼盖，为减小预应力损失，需要混凝土具有高强高弹性模量及快硬早强等特点，但高强混凝土材料与普通混凝土相比更脆、延性更差[1，2]。此外，采用预应力限制了结构截面的转动能力，从而使结构的弯曲延性降低。因此，预应力密肋楼盖的延性较低、结构耗能能力变差。为保证结构的延性性能，很多国家规范一般通过采取控制结构的预应力度的措施，这虽然对保证结构延性起到了一定积极的作用，但也限制了预应力作用的充分发挥。

1.4 节能效果差

楼盖是结构重要的围护构件，与非预应力密肋楼盖相比，预应力钢筋混凝土密肋楼盖截面更小、楼板更薄，从而降低了建筑物的保温隔热性能，这个问题在我国北方广大地区尤其突出，这不符合我国提出大力加强建筑节能的要求。

1.5 计算成本高

密肋楼盖尤其是工程中应用广泛的多跨连续钢筋混凝土密肋楼高，超静定次数高，计算公式及过程比较复杂，计算比较复杂。采用计算机软件计算时，与普通平板楼盖相比，建模工作量大，计算成本相对较高。

因此，预应力密肋楼盖主要存在模板及支撑系统复杂，施工及设计成本高，延性较低，预应力利用不充分，节能效果差等缺点，针对以上问题本文将钢纤维与高强混凝土进行材料的复合、密肋楼盖与轻质填充砌块及预应力技术进行结构形式的复合，将材料、工艺与结构形式有机的结合在一起，提出了一种新型的预应力高强钢纤维混凝土密肋复合楼盖结构。

2 预应力高强钢纤维混凝土密肋复合楼盖结构形式

预应力高强钢纤维混凝土密肋复合楼盖的复合主要体现在两个方面:一方面将钢纤维掺加到高强混凝土中组成高强钢纤维混凝土，是材料的复合;另一方面，将普通密肋楼盖结构与轻质填充砌块及预应力技术相结合，是结构形式上的复合。该复合楼盖主要由高强钢纤维混凝土肋梁与板、轻质填充砌块及预应力钢筋组成，其结构形式如图1所示。

在高强混凝土材料中添加钢纤维，主要有以下几个方面的作用[3-6]:

1)添加钢纤维能够明显提高混凝土的抗拉、抗弯及抗剪强度，但对混凝土抗压强度提高幅度不大;

2)添加钢纤维能够明显提高结构的变形性能、延性、塑性及韧性性能，改善预应力导致的结构延性的降低;

3)由于钢纤维和混凝土间的粘结力可以吸收能量，所以钢纤维混凝土的比刚度、比强度以及自振频率增大，从而提高了楼盖的抗震性能和耗能能力;

4)添加钢纤维可以提高结构的抗裂性，延缓裂缝的出现和开展。因此，利用钢纤维对混凝土的增强增韧及阻裂作用，可解决预应力混凝土密肋楼盖延性差、预应力利用不充分等缺陷。

在肋间填充轻质砌块，对结构进行结构形式的复合，可解决楼盖模板与支模拆模复杂等缺点。结构中楼板及其肋梁是结构的受力构件，特别是肋梁要承受弯矩、剪力甚至扭矩的作用，受力情况比较复杂，因此采用高强钢纤维混凝土。轻质填充砌块采用掺加泡沫塑料的轻质混凝土砌块，该轻质砌块抗拉强度不高但是具有一定的抗压强度，保证其不会在施工阶段由于人员在上面走动导致破坏。

3 预应力高强钢纤维混凝土密肋复合楼盖的特点

该楼盖结构实现了材料的复合和结构形式的双重复合，解决了普通预应力密肋楼盖在延性、施工复杂、预应力利用不充分等方面的不足，具有以下特点:

1)利用钢纤维对高强混凝土的增强增韧作用提高密肋楼板的承载力、延性及耗能性能，从而可以提高结构的整体受力性能。

2)轻质砌块在施工的时候可以作为肋梁的侧模，利用普通的模板就可以施工，这样施工单位不需要重新购置模板，减小了在模板上的一次性投入，提高了模板的利用率。此外，由于该新型楼盖在形式上与普通平板楼盖相同，减少了施工过程中复杂的支模与拆模的工作量，节省了人力物力，加快了施工进度。但是，轻质填充砌块位于受拉区，所以可以将砌块的侧面做毛或者做成锯齿形以提高填充砌块与肋梁以及楼板间的粘结强度，提高结构的整体性能。

3)本结构采用在混凝土中添加泡沫塑料形成的轻质砌块，泡沫塑料的使用减少了其对环境的污染，同时泡沫塑料也减轻了砌块的重量并提高了其保温隔热性能，这正好能够弥补密肋楼盖由于截面尺寸变小楼板变薄导致的保温隔热性能差的缺陷，起到了废物利用和建筑节能的双重作用。

4)由于使用了高强混凝土和预应力技术，楼板的截面尺寸变小从而导致楼板平面内的刚度变小，而在肋梁间填充砌块可以提高楼板平面内的刚度，保证地震作用下荷载的顺利传递，从而提高建筑物的整体性能。

5)由于与普通混凝土相比钢纤维混凝土的延性和抗裂强度明显提高，因此设计时可以适度的提高结构的预应力度，在保证结构延性的基础上，更好的发挥预应力的作用，提高结构的经济性。

6)添加钢纤维明显提高了混凝土的抗裂性能，因此预应力钢纤维混凝土密肋复合楼盖具有自防水的功能，就避免了在屋顶上单独设置防水层，这可降低结构因设置防水层产生的重量，能减少防水材料、施工及后期维修方面的费用，提高了结构的综合效益。

虽然添加钢纤维增加了在钢纤维材料以及施工机械方面的支出，但节约了在模板购买、支模拆模施工、防水层材料及施工等方面的费用，并且提高了结构的整体性、延性及抗震性等性能，因此从建筑物的建造和整个使用周期综合考虑经济效益十分显著，具有良好的市场前景和应用空间。

4 结语

1)本文根据实际工程中存在的问题将预应力技术、密肋楼盖结构形式、钢纤维材料、轻质填充砌块等有机的结合，从材料和结构形式两个方面进行了复合，提出了一种新型的预应力高强钢纤维混凝土密肋复合楼盖。2)该楼盖集良好的受力性能、延性性能、保温隔热及自防水、抗震性能等于一身，具有广阔的市场前景。

[1] 宋玉蒲.新型预应力混凝土结构[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2] 沈蒲生.楼盖结构设计原理[M].北京:科学出版社，2003.

[3] 黄承奎.纤维混凝土结构[M].北京:机械工业出版社，2004.

[4] R.Szilard.板的理论和分析[M].北京:中国铁道出版社，1984.

[5] Samir A.Ashour，Khalid Mahmood，Faisal F.Wafa.Influnce of Steel Fiber and Compression Reinforcement on Deflection of High-Strength Concrete Beams[J].ACI Structure Journal，1997，94(6):611-621.

[6] E.I.EI-Niema.Fiber Reinforced Concrete Beams under Torsion[J].ACI Structure Journal，1993，90(6):489-495.

[7] 赵国藩.高等钢筋混凝土结构学[M].北京:机械工业出版社，2005.